MQTT 기반 센서 네트워크의 지연 최소화 설계

초록

본 논문은 IoT 환경에서 MQTT 프로토콜을 활용한 두 가지 새로운 임베디드 시스템 아키텍처를 제안한다. 추가적인 MQTT 브로커와 중요한 메시지 핸들러 레이어를 도입해 인터넷 연결이 끊겨도 시스템이 자율적으로 동작하도록 설계했으며, 각 모델의 메시지 전달 지연을 실험적으로 분석하여 장단점을 비교한다.

상세 분석

제안된 두 아키텍처는 기존 클라우드‑중심 MQTT 구조와 달리 현장에 독립적인 MQTT‑브로커를 배치하고, 그 위에 ‘Critical Message Handler(CMH)’ 라는 전용 레이어를 두었다. CMH는 실시간으로 중요한 제어 메시지를 감시하고, 인터넷 연결이 상실될 경우 로컬 브로커와 직접 통신함으로써 시스템이 오프라인 상태에서도 센서 데이터 수집·제어 명령 수행이 가능하도록 한다. 첫 번째 모델은 ‘완전 자율형’으로, 현장 브로커가 모든 토픽을 관리하고 클라우드와의 동기화는 주기적인 배치 전송에 의존한다. 두 번째 모델은 ‘하이브리드형’으로, 평상시에는 클라우드 브로커와 연동해 중앙 관리 및 데이터 분석을 수행하지만, 연결 장애 시 자동 전환해 현장 브로커가 주도권을 잡는다.

전송 지연 실험은 동일한 하드웨어 셋업(ESP32 기반 센서 노드, 라즈베리파이 브로커)에서 3가지 시나리오(온라인, 오프라인‑자율, 오프라인‑하이브리드)를 구성하고, 1 kB 메시지를 10 000회 전송해 평균 및 95th percentile 지연을 측정했다. 결과는 온라인 상태에서 평균 45 ms, 95th percentile 78 ms였으며, 오프라인‑자율 모드에서는 평균 52 ms, 95th percentile 89 ms로 약 15 % 정도 지연이 증가했다. 하이브리드 모드에서는 전환 과정에서 일시적인 스파이크(최대 210 ms)가 발생했지만, 전반적인 평균은 48 ms 수준으로 온라인에 근접했다.

이러한 결과는 현장 브로커와 CMH 레이어가 지연에 큰 영향을 주지 않으며, 오히려 네트워크 장애 시 서비스 연속성을 확보한다는 점을 시사한다. 다만, 하이브리드 전환 로직의 최적화가 필요하고, 브로커 간 상태 동기화 비용이 시스템 규모가 커질수록 증가할 가능성이 있다. 또한, 보안 측면에서 로컬 브로커와 클라우드 브로커 간 인증·암호화 체계가 일관되어야 하며, CMH가 처리하는 ‘중요 메시지’ 정의가 애플리케이션마다 달라 추가적인 설계 가이드가 요구된다.