IIoT용 우선순위 토픽 기반 MQTT에 관련한 연구

오세춘,김영곤 한국인터넷방송통신학회 2019 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.19 No.5

Recently, there has been a lot of research on the construction of smart factory in the 4th Industrial Revolution era. Among the various technologies involved in the deployment of smart factory, one of the key technologies is the IoT protocol sector that handles the transmission and reception of data. In this regard, the MQTT protocol is generally used most commonly, but the existing MQTT technology lacks the concept of priorities of messages, so it is somewhat insufficient to be applied to an industrial field requiring real-time property. Priority handling of urgent messages is critical, especially in emergency situations, such as the emergency shutdown of the entire relevant facility following the failure of a particular facility. To improve this, research on priority-based MQTT is being conducted somewhat, but these studies have problems with actual field use because they are a variant of the MQTT standard. Therefore, this study conducts and verifies studies related to MQTT, which can prioritize messages while adhering to existing MQTT standards. 4차 산업혁명시대를 맞이하여 스마트팩토리의 구축에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 스마트팩토리의구축과 관련된 다양한 기술들 중에서 핵심기술 중의 하나는 데이터의 송수신을 처리하는 IoT용 프로토콜 부문이다. 이와관련하여 일반적으로 MQTT 프로토콜이 가장 많이 사용되고 있으나 기존의 MQTT 기술은 메시지의 우선순위 개념이없기 때문에 실시간성을 요구하는 산업용 현장에 적용하기에는 다소 부족한 면이 있다. 특히 특정 설비의 고장발생에따른 관련 설비 전체의 비상정지 등과 같은 긴급 상황에서는 긴급한 메시지의 우선순위 처리가 매우 중요하다. 이를개선하기 위해 우선순위 기반 MQTT에 관한 연구도 일부 진행되고 있으나 이러한 연구들은 MQTT 표준 규격을 변형한방식이기 때문에 실제 현장에서 사용하기에는 문제점을 안고 있다. 따라서 본 연구에서는 MQTT 표준을 준수하면서도메시지의 우선순위 처리가 가능한 MQTT에 관련한 연구를 실시하고 이를 검증한다.

자원제약적 임베디드 환경에서 종단간 보안을 지원하는 수정된 MQTT-SN

남혜민,박창섭 한국정보보호학회 2020 정보보호학회논문지 Vol.30 No.5

MQTT-SN(Message Queuing Telemetry Transport – Sensor Network) 프로토콜은 센서 기반의IoT(Internet of Things)환경에서 사용되는 메시지 전송 프로토콜이다. 이 MQTT-SN 프로토콜은 메시지 전송중간에 중개자(Broker)를 둔 발행-구독 모델(Publish-Subscribe Model)로 각 IoT 장치들이 메시지를 전달 할때 반드시 중개자를 통해 메시지를 주고 받는 모델이다. 하지만 MQTT-SN 프로토콜은 메시지 보안, 상호 인증, 접근 제어, 중개자 보안등을 만족하는 보안 관련된 기능을 제공하고 있지 않다. 이에 따라 최근 다양한 보안 문제가발생하고 있으며, 보안이 필요한 상황이 대두되고 있다. 본 논문에서는 MQTT-SN의 보안 요구사항을 다시 한번살펴보고, 이 프로토콜이 적용되는 IoT의 자원이 제한된 환경에서의 제약 조건을 만족하면서 보안을 향상시키는 수정된 프로토콜을 제안한다. 제안 프로토콜은 기존과 다르게, 보안 필드와 인증 서버가 추가되었으며 이를 통해 보안요구사항을 만족시키도록 한다. 더불어 제안된 프로토콜을 실제 구현 및 테스트하고 에너지 소모 관점에서 제안된프로토콜이 실제 사용이 가능한지 평가하도록 한다. The MQTT-SN (Message Queuing Telemetry Transport-Sensor Network) protocol is a message transmission protocol usedin a sensor-based Internet of Things (IoT) environment. This MQTT-SN protocol is a publish-subscribe model with a brokerin the middle of message transmission, and each IoT device sends and receives messages through an intermediary whendelivering messages. However, the MQTT-SN protocol does not provide security-related functions such as message security,mutual authentication, access control, and broker security. Accordingly, various security problems have recently occurred, anda situation in which security is required has emerged. In this paper, we review the security requirements of MQTT-SN onceagain, and propose a modified protocol that improves security while satisfying the constraints in the environment where theresource of IoT to which this protocol is applied is limited. Unlike the existing protocol, the security field and authenticationserver have been added to satisfy the security requirements. In addition, the proposed protocol is actually implemented andtested, and the proposed protocol is evaluated for practical use in terms of energy consumption.

혼돈신호를 이용한 IoT의 MQTT 보안 프로토콜 설계

임거수 한국정보전자통신기술학회 2018 한국정보전자통신기술학회논문지 Vol.11 No.6

With the rapid advancement of information and communication technology and industrial technologies, a hyper-connected society is being realized to connect human beings, all programs and things via the Internet. IoT (Internet of Thing), which connects a thing and another thing, and things and human beings, gathers information to realize the hyper-connected society. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) is a push-technology-based light message transmission protocol that was developed to be optimized to the limited communication environment such as IoT. In pursuing the hyper-connected society, IoT's sensor environment information is now being used as a wide range of information on people's diseases and health management. Thus, security problems of such MQTT include not only the leak of environmental information but also the personal information infringement. To resolve such MQTT security problems, we have designed a new security MQTT communication by applying the initial-value sensitivity and pseudorandomness of the chaotic system to the integrity and confidentiality. The encryption method using our proposed chaotic system offers a simple structure and a small amount of calculation, and it is deemed to be suitable to the limited communication environment such as IoT. 정보통신과 산업기술의 급속한 발전으로 인간과 모든 프로그램 그리고 사물들이 인터넷을 통해 연결되는 초연결사회(hyper-connected society)가 구현되고 있다. 초연결사회를 구현하기 위한 정보의 수집은 사물과 사물 그리고 사물과 인간을 연결하는 사물인터넷(IoT: Internet of Thing)이 그 역할을 담당하고 있다. (MQTT: Message Queuing Telemetry Transport)는 이런 사물인터넷의 제약된 통신환경에 최적화되어 개발된 푸시 기술(push technology) 기반의 경량 메시지 전송 프로토콜이다. 초연결사회를 지향하면서 IoT가 담고 있는 정보는 센서의 환경정보에서 이제는 사람의 질병과 건강관리까지 담당하는 광범위한 정보가 되었다. 이런 MQTT에 대한 보안 문제는 환경정보 유출뿐만 아니라 개인의 정보 침해에까지 이르게 되었다. 우리는 이런 MQTT의 보안의 문제점을 해결하기 위해 혼돈계의 초기치 민감성, 유사 난수성을 무결성과 기밀성에 적용하여 새로운 보안 MQTT통신방법을 설계하였다. 우리가 설계한 혼돈계를 이용한 암호화 방법은 구조가 간단하고 계산량이 적기 때문에 IoT와 같은 제한된 통신환경에 적합한 통신방법이라고 생각된다.

Mosquitto에 시간 필터 기능 설계 및 구현

황기태,김준희,김형민,박세호,최용석 한국정보과학회 2019 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.25 No.5

This paper proposes the time filter function to the MQTT protocol, which is a message based network protocol widely used in the Internet of Things, and presents an analysis and modification of the Mosquitto broker. Generally, message publishers send sensor values periodically to the MQTT broker, regardless of the capability of subscribers to receive them. Therefore, subscribers unilaterally receive messages even when they do not have enough memory to save them, resulting in lost messages. The time filter is a function that stops the MQTT broker from sending messages within a time period designated by a subscriber. In this paper, we modified Mosquitto, the open source MQTT broker, to add a time filter function and verified the effect of the time filter function through experiments. The experimental results showed that the time filter function significantly lowered the network load of the Mosquitto broker. 본 논문은 사물인터넷에서 메시지 기반의 통신 프로토콜로 많이 활용되는 MQTT 프로토콜에 시간 필터 기능을 제안하고, Mosquitto 브로커를 분석 수정한 내용을 소개한다. 일반적으로 MQTT를 이용하는 메시지 발행자는 구독자의 처리 능력과 관계없이 센서 값 등을 주기적으로 전송한다. 이로 인해 메시지 구독자가 처리할 수 없는 양의 메시지를 일방적으로 받게 된다. 시간 필터 기능이란 구독자가 메시지를 받고자 하는 주기를 지정하면 MQTT 브로커가 이 주기 이내에 메시지를 전송하지 않도록 하는 기능이다. 본 논문에서는 오픈소스 MQTT 브로커인 Mosquitto를 대상으로 시간 필터 기능을 구현하고, 실험을 통해 시간 필터의 효율성을 검정하였다. 실험 결과는 시간 필터가 Mosquitto 브로커의 네트워크 부하를 급격히 감소시키는 것을 결과를 보여주었다.

IoT 단말 및 서비스 자동 구성을 위한 MQTT 기반의 게이트웨이 시스템

김건우,박지우,정광수 한국정보과학회 2019 정보과학회논문지 Vol.46 No.4

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) is a messaging protocol for the IoT (Internet of Things) selected by the OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards), which enables efficient data transmission to occur over low-power, unreliable networks. However, there is a problem that the service discovery is impossible, because the MQTT does not use multicast features, and there is no resource directory for managing resource information in the local network. In this paper, we propose an auto-configuration system that enables service discovery and device operation using a MQTT Publish/Subscribe message transmission method through a gateway acting as a resource directory. Through the implementation results, we confirmed that devices and services existing in the local network can be discovered and operated by using the proposed auto-configuration system. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)는 OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards)에서 선정한 사물인터넷을 위한 메시징 프로토콜로저전력, 신뢰할 수 없는 네트워크에서 효율적인 데이터 전송이 가능하다. 그러나 MQTT는 멀티캐스트를사용하지 않고 네트워크 내의 자원 정보를 관리하기 위한 자원 디렉터리가 존재하지 않기 때문에 서비스탐색이 불가능하다는 문제가 있다. 본 논문에서는 게이트웨이가 자원 디렉터리의 역할을 함으로써 MQTT 의 Publish/Subscribe 메시지 전송 방식을 이용하여 서비스 탐색 및 디바이스 운용을 가능하게 하는Auto-configuration 시스템을 제안한다. 구현 결과를 통해 제안하는 Auto-configuration 시스템을 이용해서 로컬 네트워크에 존재하는 디바이스 및 서비스를 탐색하고 운용할 수 있음을 확인하였다.

TOS와 Mobile device 간의 펍섭 QoS를 지원하는 대량 커넥션 서비스 브로커 설계

전영준,황희정 한국인터넷방송통신학회 2016 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.16 No.5

2-Step 개방형 시스템은 힐링플랫폼과 개인건강 문서저장소 사이의 중계를 목적으로 제안되었다. 또한 TOS 는 프로바이더(provider)의 건강문서 접근/요청 과정을 실시간으로 모니터링 하기 위해 대량 커넥션 기반의 pubsub서 비스를 고려하여 설계되었다. TOS에서는 pubsub시의 통신 프로토콜의 용도로 WebSocket을 사용하고 있다. 그러나 힐링플랫폼의 사용자 단말인 모바일 기기의 저품질 무선 네트워크 운영 환경을 감안해볼 때, 전송 프로토콜 뿐 아니라 QoS를 지원하는 메시징 프로토콜 또한 추가될 필요가 있다. MQTT는 모바일 기기에 최적화된 경량 메시징 프로토콜 로서 저속/저품질인 무선 네트워크 상황을 감안한 신뢰성 있는 메시징 QoS를 정의하고 있다. 본 논문에서는 힐링플랫 폼의 사용자 단말인 모바일 기기를 고려하여 대량의 커넥션 및 펍섭시의 QoS를 지원하는 MQTT 프로토콜 기반의 메 시지 브로커를 설계한다. 이를 위해, 우선 TOS와 MQTT 메시지 브로커 간의 모델을 설계하고, 제안 설계를 바탕으로 프로토타입을 구현한 후, 마지막으로 MQTT 클라이언트 툴을 사용한 load-test를 통해 기존연구와의 성능지표를 비교 하도록 한다. A two-step open system(TOS) was proposed to relay between a healing platform and a repository of personal health documents. TOS was designed by taking into consideration the pubsub service based on large scale connections to monitor a provider's access/request process for health documents in real time. TOS, however, uses WebSocket as a communication protocol in case of pubsub. Given the operational environment of low quality wireless networks for mobile devices that are user terminals in a healing platform, there is a need to add a messaging protocol to support QoS as well as a transmission protocol. As a light messaging protocol optimized for mobile devices, MQTT defines reliable messaging QoS to consider a wireless network situation of low speed/low quality. This study designed an MQTT protocol-based message broker to support QoS in case of large scale connections and pubsub by taking into consideration mobile devices that are user terminals in a healing platform. After designing a model between TOS and MQTT message broker, the study implemented a prototype based on the proposed design and compared it with its counterparts from previous studies based on the performance indicators in a load-test with the MQTT client tool.

MQTT와 Node-RED를 기반한 MongoDB로 저장 하는 스마트 팜 시스템 구현

박홍진 한국정보전자통신기술학회 2023 한국정보전자통신기술학회논문지 Vol.16 No.5

농촌의 인구 감소, 고령화에 따른 농촌 인력 부족, 기후 변화에 따른 병해충 증가로 인해 어려움을 격고 있는 농업에 생산성을 높이고, 농산물의 품질을 향상시키는 기술 중 하나가 IoT를 활용한 스마트 팜 기술이다. 기존의 IoT를 활용한 스마트 팜은 단순히 농장을 모니터링하거나, 스마트 식물 재배기 구현, 온실 자동 개폐 시스템 등이 있다. 본 논문은 사물 인터넷의 산업 표준 프로토콜인 MQTT와 사물 인터넷의 대표적인 개발 미들웨어인 Node-RED을 기반한 스마트 팜 시스템을 구현한다. 먼저, 아두이노 센서들로 데이터를 추출하고, MQTT 프로토콜을 사용하여 IoT 디바이스에서 데이터를 수집하고 전송한다. 그런 다음, Node-RED를 사용하여 MQTT 메시지를 처리하고 데이터를 저장하기 위해 대표적인 NoSQL인 MongoDB에 실시간적으로 센싱 데이터를 저장한다. 농장 관리자는 본 스마트 팜 시스템을 통해 컴퓨터나 모바일 폰을 이용하여 시간과 공간에 제약없이 언제 어디든지 실시간적으로 스마트 팜에 센싱 정보를 확인할 수 있다. Smart farm technology using IoT is one of the technologies that can increase productivity and improve the quality of agricultural products in agriculture, which is facing difficulties due to the decline in rural population, lack of rural manpower due to aging, and increase in diseases and pests due to climate change. . Smart farms using existing IoT simply monitor farms, implement smart plant growers, and have automatic greenhouse opening and closing systems. This paper implements a smart farm system based on MQTT, an industry standard protocol for the Internet of Things, and Node-RED, a representative development middleware for the Internet of Things. First, data is extracted from Arduino sensors, and data is collected and transmitted from IoT devices using the MQTT protocol. Then, Node-RED is used to process MQTT messages and store the sensing data in real time in MongoDB, a representative NoSQL, to store the data. Through this smart farm system, farm managers can use a computer or mobile phone to check sensing information on the smart farm in real time, anytime, anywhere, without restrictions on time and space.

기능안전 기반 스마트팩토리 MQTT통신시스템 개발

오봉식(Bong S. Oh),박상철(Sang C. Park),장중순(Joong S. Jang),이정준(Jung J. Lee) 한국신뢰성학회 2021 신뢰성응용연구 Vol.21 No.3

Purpose: Reliability and safety-based message queuing telemetry transport (MQTT) communication applications and artificial intelligence (AI)-smart sensor development are considered in the smart factory to ensure competitiveness by minimizing risks in manufacturing, pre-failure diagnosis, and failure prediction prognostics and health management (PHM) technology. Methods: The algorithm was implemented to ensure that the MQTT Publisher software technology application conforms to the standard by applying it as a process design method in the smart factory. In the functional safety standard and reliability prediction methods, safety risk data were collected, analyzed, and verified as an evaluation procedure in the smart factory. Results: The performance of MQTT communication as well as the safety data collection and database (DB) storage functions were confirmed in the smart factory. The contents of the literature search were confirmed in relation to the evaluation of the reliability feature extraction factors and functional safety-related failure prognosis parameters of the AI-smart sensor, center control server, monitoring-related design, and development products to be used as the basis for reliability and safety in smart factories. Conclusion: The process of sensor input using Arduino, the transmission of measured values, and storage of collected data into a DB using the resistive temperature device was developed as a software algorithm and demonstrated in the smart factory using MQTT communication. According to a literature search related to priority-based MQTT, this partial application can be effectively used in small and medium-sized smart factories that require a real-time priority algorithm. It can be used as a price-competitive communication method.

LoRa망을 이용한 MQTT기반의 공장 환경 관리 시스템

고재욱,김혜정,이보경 한국인터넷방송통신학회 2018 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.18 No.6

LoRa(Long Range)는 장거리, 저 전력 통신 기술이다. 근거리 무선 통신 기술보다 통신 범위가 넓어 다수의 AP를 설치하지 않고도 통신할 수 있으며, 초기 인프라 구축비용을 줄일 수 있다. MQTT(Message, Queuing, Telemetry, Transport) 프로토콜 또한 저 전력, 경량 프로토콜로 LoRa와 함께 사용 시 모듈의 지속성을 증가시키고, 유지보수 비용을 줄일 수 있다. 본 논문에서는 이러한 LoRa와 MQTT를 활용해 공장 안의 다양한 환경 정보를 취합하는 시스템을 개발하였다. 먼 거리에 위치한 작업장들의 환경 센서 데이터를 관리 시스템에서 모니터링 할 수 있고, 각 작업장에 있는 설비들을 제어할 수 있다. 또한, 성능 실험을 통해 LoRa와 MQTT 활용이 장거리, 전력소모 측면에서 효과적임을 확인했다. LoRa (Long Range) is a long-distance, low-power communication technology. Broader range of communication than NFC technology allows communication without having to install multiple APs and reduces the cost of initial infrastructure deployment. MQTT (Message, Queuing, Telemetry, Transport) protocol is also low power and lightweight protocols. It can increase module persistence and reduce maintenance costs when used with LoRa. In this paper, we developed a system for compiling various environmental information in a factory using LoRa and MQTT. Environmental sensor data from long distances can be monitored by the management system and the facilities in each workshop can be controlled. Performance tests have also shown that the use of LoRa and MQTT is effective in terms of long-distance and power consumption.

키값 동기된 혼돈계를 이용한 IoT의 보안채널 설계

임거수(Geo-Su Yim) 한국전자통신학회 2020 한국전자통신학회 논문지 Vol.15 No.5

사물인터넷은 장소나 시간에 제약 없이 센서와 통신 기능이 내장된 사물이 사람과 사물에 상호 작용이 가능하도록 구성된 사물 공간 연결망을 말한다. IoT는 인간의 편의를 위한 서비스 목적으로 개발된 연결망이지만 현재는 전력전송, 에너지관리, 공장자동화와 같은 산업 전반에 그 사용범위가 확대되고 있는 상태이다. 그러나 IoT의 통신프로토콜인 MQTT는 푸시 기술 기반의 경량 메시지 전송 프로토콜로 보안에 취약함을 갖고 있고 이것은 개인정보 침해나 산업정보 유출 같은 위험성이 내재되어 있다고 할 수 있다. 우리는 이런 문제점을 해결하기 위해 경량 메시지전송 MQTT 프로토콜에 서로 다른 혼돈계가 임의의 값으로 동기화되는 특성을 이용하여 보안채널을 생성하는 동기화 MQTT 보안 채널을 설계하였다. 우리가 설계한 통신 채널은 혼돈 신호의 난수 유사성, 초기치 민감성, 신호의 재생산성과 같은 특성을 이용한 방법으로 잡음 채널에 정보를 전송하는 방법이라고 할 수 있다. 우리가 제시한 킷값으로 동기화된 암호화 방법은 경량 메시지 전송 프로토콜에 최적화된 방법으로 IoT의 MQTT에 적용된다면 보안 채널 생성에 효과적이라고 할 수 있다. The Internet of Things refers to a space-of-things connection network configured to allow things with built-in sensors and communication functions to interact with people and other things, regardless of the restriction of place or time.IoT is a network developed for the purpose of services for human convenience, but the scope of its use is expanding across industries such as power transmission, energy management, and factory automation. However, the communication protocol of IoT, MQTT, is a lightweight message transmission protocol based on the push technology and has a security vulnerability, and this suggests that there are risks such as personal information infringement or industrial information leakage. To solve this problem, we designed a synchronous MQTT security channel that creates a secure channel by using the characteristic that different chaotic dynamical systems are synchronized with arbitrary values in the lightweight message transmission MQTT protocol. The communication channel we designed is a method of transmitting information to the noise channel by using characteristics such as random number similarity of chaotic signals, sensitivity to initial value, and reproducibility of signals. The encryption method synchronized with the proposed key value is a method optimized for the lightweight message transmission protocol, and if applied to the MQTT of IoT, it is believed to be effective in creating a secure channel.