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.

오픈소스 기반 MQTT 프로토콜을 이용한 스마트 미터 실시간 데이터 수집 및 관리

송재숙,배선영 한국소프트웨어감정평가학회 2024 한국소프트웨어감정평가학회 논문지 Vol.20 No.3

현재 IoT 기술의 급속한 발전은 산업 전 분야에 혁신적인 변화를 가져왔고, 스마트 그리드 AMI 시스템에도 큰 영향을 줄 수 있는 상황이다. 실제로 AMI 시스템 내 핵심 구성요소인 스마트 미터는 에너지 소비를실시간으로 모니터링하고 데이터를 수집하는 디지털 장치로 이를 통해 에너지 효율성을 향상시키고, 소비자의 에너지 사용 패턴을 분석하여 효율적인 에너지 관리 방안을 제시할 수 있다. 그러나 향후 통신사업자의IoT 인프라 기반 하에 수십만 개의 스마트 미터가 대규모로 설치될 경우 방대한 양의 데이터를 신속하고 안정적으로 전송하고 관리하는 것이 필수적인데, 이러한 AMI 시스템에서 효율적으로 데이터를 전송하기 위해MQTT IoT 프로토콜을 사용할 수 있을 것이다. MQTT는 최소한의 대역폭과 전력 요구 사항으로 장치 간에메시지를 전송하는 경량의 게시-구독 네트워크 프로토콜로 스마트 미터에서 일반적으로 생성되는 대량의 작은 데이터 패킷에 적합하므로 실시간 검침 데이터 전송에 사용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 향후 통신사업자의 IoT 인프라를 활용한다는 가정 하에 다양한 빅데이터 오픈소스를 기반으로 MQTT 프로토콜을 이용한 스마트 미터 실시간 데이터 수집 및 관리 시스템 프로토타입을 설계하고 구현하였다. Currently, the rapid development of IoT technology has brought innovative changes to all industries and can have a significant impact on the smart grid AMI system. In fact, a smart meter, a key component within the AMI system, is a digital device that monitors energy consumption in real time and collects data. Through this, it improves energy efficiency and provides efficient energy management measures by analyzing consumers' energy use patterns. However, in the future, when hundreds of thousands of smart meters are installed on a large scale based on telecommunications carriers' IoT infrastructure, it is essential to quickly and reliably transmit and manage massive amounts of data. In order to transmit data efficiently in such AMI systems, MQTT IoT protocol may be used. The MQTT IoT protocol can be used to transmit data efficiently in AMI. MQTT is a lightweight publish-subscribe network protocol that transfers messages between devices with minimal bandwidth and power requirements and is suitable for the large amounts of small data packets typically generated by smart meters, so it can be used to transmit real-time meter reading data. Therefore, in this study, we designed and implemented a prototype smart meter real-time data collection and management system using the MQTT protocol based on various big data open sources under the assumption that the IoT infrastructure of telecommunication operators will be utilized in the future.

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.

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.

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.

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.

MQTT 기반 IoT 네트워크에서 공유 구독을 위한 비용 관리 최적 전송 방식

이선빈,김영훈,김용은,최재윤,경연웅 한국사물인터넷학회 2024 한국사물인터넷학회 논문지 Vol.10 No.4

기술이 발전함에 따라 Internet of Things(IoT)기술 또한 빠르게 발전하고 있다. IoT 기술에는 Message Queuing Telemetry Transport(MQTT)를 포함한 다양한 프로토콜이 사용되고 있다. MQTT는 경량 메시지 프로토콜로 제한된 대역폭과 전력을 가진 환경에서도 효율적으로 데이터를 전송할 수 있어 IoT 분야에서 de-facto 표준 프로토콜로 고려되고 있다. 본 논문에서는 MQTT 5.0의 기능인 공유구독에서 메시지 전송 방식을 개선한 방식을 제안하고자 한다. 공유구독에서 메시지 전송 방식 중 대중적으로 사용되는 라운드 로빈 방식은 Client의 현재 상태를 고려하지않는다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 현재 상태를 고려하여 최적의 전송 방식을 선정하는 방법을 제안한다. 이때 Markov decision process(MDP)를 기반으로 모델링을 수행하고, Q-Learning을 이용하여최적의 전송 방식을 선정하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안한 방식과 기존에 사용되는 방식들을 비교하여 다양한환경에서 성능 분석을 진행해 제안한 방식이 기존 방식들보다 더 좋은 성능을 보이는 것을 확인하고, 향후 연구의 방향성을 제시하면서 본 논문을 마무리하고자 한다. As technology advances, Internet of Things (IoT) technology is rapidly evolving as well. Various protocols, including Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), are being used in IoT technology. MQTT, a lightweight messaging protocol, is considered a de-facto standard in the IoT field due to its efficiency in transmitting data even in environments with limited bandwidth and power. In this paper, we propose a method to improve the message transmission method in MQTT 5.0, specifically focusing on the shared subscription feature. The widely used round-robin method in shared subscriptions has the drawback of not considering the current state of the clients. To address this limitation, we propose a method to select the optimal transmission method by considering the current state. We model this problem based on Markov decision process (MDP) and utilize Q-Learning to select the optimal transmission method. Through simulation results, we compare our proposed method with existing methods in various environments and conduct performance analysis. We confirm that our proposed method outperforms existing methods in terms of performance and conclude by suggesting future research directions.