# 배경 연구 (Background)

> **연구 제목**: 엣지 AIoT 3-tier 환경에서 gRPC 기반 멀티 에이전트 통신 인터페이스 설계
> **문서 종류**: 논문 배경 연구 (Introduction + Related Work 수준)
> **작성일**: 2026-06-07

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## 1. 서론적 배경: 엣지 AIoT와 멀티 에이전트 시스템의 수렴

인공지능 기술의 급속한 발전과 IoT 디바이스의 대규모 배포가 교차하면서, **엣지 AIoT(Edge Artificial Intelligence of Things)** 라는 새로운 컴퓨팅 패러다임이 부상하고 있다. 이 패러다임은 단순히 클라우드 추론을 현장으로 이전하는 것을 넘어서, 클라우드·엣지·현장 디바이스를 아우르는 **3-tier 분산 지능 협력 체계**를 구축하는 것을 목표로 한다 [FINAL_REPORT §1].

2024년 기준으로, 전 세계 IoT 연결 디바이스 수는 약 170억 개에 달하며 2030년까지 290억 개를 상회할 것으로 전망된다 (IoT Analytics, 2024). 이 가운데 상당수는 공장 자동화, 스마트 빌딩, 자율주행차량, 의료 모니터링 등 **미션 크리티컬(mission-critical)** 용도로 배치되고 있으며, 단순한 데이터 수집을 넘어 **실시간 추론과 자율 의사결정**이 요구된다. 그러나 클라우드 중심의 단일 추론 구조는 네트워크 지연, 대역폭 비용, 개인정보 보호 규제 등의 제약으로 인해 이 요구를 충족하기 어렵다.

이에 대한 대응으로 등장한 엣지 컴퓨팅은 현장 부근에서 연산을 수행함으로써 지연을 줄이고 대역폭을 절감한다. NVIDIA Jetson, Rockchip RK3588, 산업용 PC 등 엣지 디바이스는 NPU(Neural Processing Unit)를 내장하여 현장 AI 추론을 가능케 한다. 그러나 엣지 컴퓨팅의 진정한 잠재력은 **단일 엣지 노드의 독립 추론**이 아니라, 클라우드·엣지·현장 디바이스가 **계층적으로 협력하는 멀티 에이전트 시스템(Multi-Agent System, MAS)** 을 통해 발현된다.

MAS 분야는 1960년대 Austin과 Searle의 **화행 이론(Speech Act Theory)** 에서 비롯하여, 1990년대 KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)과 FIPA-ACL(Foundation for Intelligent Physical Agents - Agent Communication Language)로 이어지는 분산 인공지능(Distributed AI, DAI) 전통을 계승한다. 2020년대 대규모 언어 모델(LLM)의 등장은 이 전통에 새로운 활력을 불어넣었다. AutoGen [Wu et al., 2023], CrewAI, LangGraph, MetaGPT 등의 현대적 LLM 에이전트 프레임워크는 복잡한 태스크를 전문화된 에이전트들에게 분할하여 협력 해결하는 방식을 구현한다.

그러나 이 두 흐름—엣지 AIoT와 LLM 기반 MAS—의 **수렴**에서 해결되지 않은 근본적 문제가 드러난다. LLM 에이전트 프레임워크들은 데이터센터 내 동일 서버 또는 고성능 네트워크로 연결된 클러스터를 전제로 설계되었다. 그러나 현실의 엣지 AIoT 환경은 **3-tier의 이질적 하드웨어**, **불안정한 무선 네트워크**, **극도로 제한된 임베디드 자원**, **물리적으로 접근 가능한 현장 디바이스의 보안 위협**이라는 전혀 다른 제약 조건을 갖는다. 이 제약 조건을 무시한 채 설계된 에이전트 통신 인터페이스는 실제 엣지 AIoT 배포에서 동작하지 않는다.

본 연구는 이 간극을 메우기 위해 **엣지 AIoT 3-tier 물리적 분산 구조에 특화된 gRPC 기반 멀티 에이전트 통신 인터페이스 설계**를 목표로 한다.

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## 2. 문제 정의 (Problem Statement)

### 2.1 형식적 시스템 정의

엣지 AIoT 멀티 에이전트 시스템을 다음과 같이 형식화한다.

**정의 1 (3-tier 분산 에이전트 네트워크)**: 에이전트 집합 $\mathcal{A} = \mathcal{A}_{T1} \cup \mathcal{A}_{T2} \cup \mathcal{A}_{T3}$ 이 세 계층에 분산 배치된다.

| Tier | 디바이스 클래스 | 연산 자원 | 네트워크 특성 | 보안 경계 |
|------|----------------|-----------|--------------|-----------|
| **T1 클라우드** | x86/GPU 서버, k8s 컨테이너 | 무제한(수 TB RAM, GPU 클러스터) | 안정·고대역폭(1Gbps+)·상시 연결 | 데이터센터 내부, 논리적 방어 충분 |
| **T2 엣지** | Jetson Orin·RK3588·산업용 PC·5G MEC | 중간(4–32GB RAM, NPU) | 인터미턴트·광역무선혼합(4G/5G/광선로) | 현장·반노출, 물리적 접근 제한 |
| **T3 현장** | Cortex-M MCU·임베디드 Linux·AGV·센서·로봇 | 극히 제한(수 KB–수십 MB RAM) | 불안정·저대역폭·다중 홉(Wi-Fi/LoRa/5G/BLE) | 물리적 접근 가능, 변조 위험 |

**정의 2 (통신 경로 집합)**: 통신 경로 $\mathcal{L}$ 은 tier 간 쌍 $(T_i, T_j)$ 에 대한 네트워크 링크의 집합이며, 각 링크는 대역폭 $B$, 지연 $D$, 단절률 $P_{disc}$, 페이로드 크기 한계 $S_{max}$ 의 특성 벡터를 갖는다.

**정의 3 (문제 공간)**: 이 시스템에서 에이전트 $a_i \in \mathcal{A}$ 가 에이전트 $a_j \in \mathcal{A}$ 에게 태스크 $t$ 를 위임하거나 센서 스트림 $s$ 를 전달하는 통신 인터페이스 $\Phi: (\mathcal{A} \times \mathcal{A} \times \mathcal{M}) \rightarrow \mathcal{R}$ 을 설계하라. 단, $\mathcal{M}$ 은 메시지 공간, $\mathcal{R}$ 은 응답 공간이며, $\Phi$ 는 다음 제약 조건을 동시에 만족해야 한다:

1. **이종성 제약**: $T1, T2, T3$ 각 tier의 자원·프로토콜 이질성을 수용할 것
2. **연속성 제약**: 무선 단절 $P_{disc} > 0$ 이 발생해도 통신 상태를 보존할 것
3. **신원 보장 제약**: 물리적으로 접근 가능한 T3 디바이스의 신원을 암호학적으로 증명할 것
4. **시맨틱 제약**: 태스크 위임·역량 탐색 등 에이전트 수준의 추상화를 지원할 것
5. **관측성 제약**: 분산 3-tier에서 end-to-end 추적을 가능케 할 것

### 2.2 핵심 문제 5가지

위 형식화로부터 다음 다섯 가지 핵심 기술 문제가 도출된다.

**문제 P1 (프로토콜 이종성)**: 단일 프로토콜로는 T1의 고성능 스트리밍, T2의 간헐적 연결, T3의 초저자원 환경을 동시에 만족할 수 없다. 프로토콜 변환 게이트웨이 아키텍처가 필요하다.

**문제 P2 (단절 내성 스트리밍)**: 무선 핸드오버 또는 일시적 연결 단절 시 진행 중인 스트리밍 상태가 유실된다. 상태 보존을 위한 Resume Token 메커니즘이 필요하다.

**문제 P3 (T3 디바이스 신원 보장)**: 물리적으로 접근 가능한 T3 디바이스는 MAC 주소·IP 주소 위조가 가능하다. 하드웨어 기반 attestation(TPM/SE)이 필요하다.

**문제 P4 (에이전트 시맨틱 계층 부재)**: 원격 프로시저 호출(RPC) 수준의 통신 인터페이스는 태스크 위임, 역량 탐색, 아티팩트 교환 등 에이전트 수준의 추상화를 직접 표현하지 못한다. A2A/MCP와 같은 상위 시맨틱 레이어가 필요하다.

**문제 P5 (분산 관측성)**: 3-tier를 관통하는 에이전트 호출 체인은 단일 trace로 연결되어야 하나, T3 디바이스의 자원 제약으로 표준 OpenTelemetry 계측이 불가능하다. T2를 trace fan-out 지점으로 활용하는 경량 계측 패턴이 필요하다.

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## 3. 기존 접근법의 한계 분석

### 3.1 주요 통신 프로토콜 비교

엣지 AIoT 환경에서 사용되어 온 기존 통신 프로토콜들의 정량적 특성을 분석한다.

| 기술 스택              | T1↔T2 적합성 | T2↔T3 적합성 | 페이로드 오버헤드                 | 스트리밍 지원                       | 단절 내성                | 스키마 안전성       | 임베디드 가능성  |
| ------------------ | --------- | --------- | ------------------------- | ----------------------------- | -------------------- | ------------- | --------- |
| **REST/HTTP·JSON** | 보통        | 불가        | 매우 높음(헤더 수백 B + JSON 텍스트) | 단방향(폴링)                       | 없음                   | 없음            | 불가        |
| **MQTT 5.0**       | 과도한 복잡성   | 적합        | 낮음(헤더 2B~수십 B)            | Pub/Sub QoS                   | QoS 1/2(세션 유지)       | 없음            | 가능        |
| **CoAP**           | 부적합       | 적합(저전력)   | 매우 낮음(4B 헤더)              | Observe(단방향)                  | Confirmable(제한적)     | 없음            | 가능(수 KB)  |
| **WebSocket**      | 보통        | 불가        | 중간(HTTP 업그레이드)            | 양방향                           | 없음                   | 없음            | 불가        |
| **gRPC/HTTP/2**    | 매우 적합     | 부분적       | 낮음(Protobuf 이진)           | 4방향(Unary/Server/Client/Bidi) | Retry Policy(제한적)    | 강함(Proto IDL) | 무거움(수 MB) |
| **QUIC/HTTP/3**    | 매우 적합     | 부분적       | 낮음                        | 양방향                           | connection migration | 없음(독립)        | 무거움       |

### 3.2 REST/HTTP·JSON의 구조적 한계

REST는 웹 서비스 통합에서 지배적 패러다임이지만 엣지 AIoT에서 심각한 구조적 한계를 갖는다.

**페이로드 비효율성**: HTTP/1.1 요청의 헤더는 최소 수백 바이트에서 수 킬로바이트에 달한다. T3 디바이스가 10–200바이트의 센서 값을 전송할 때, 페이로드 대비 헤더 비율이 10:1 이상이 되어 무선 대역폭의 80% 이상이 프로토콜 오버헤드로 소비될 수 있다.

**단방향 폴링 문제**: REST는 근본적으로 요청-응답 모델이다. T1이 다수 T2/T3 에이전트의 상태를 실시간으로 수신하려면 폴링(polling) 또는 웹훅(webhook) 구성이 필요하며, 폴링은 불필요한 네트워크 트래픽을 유발하고 웹훅은 T3 MCU에서 HTTP 서버를 동작시켜야 하는 불가능한 요구 사항을 가진다.

**HTTP/1.1 및 TCP HoL Blocking**: HTTP/1.1은 전송 시 Head-of-Line Blocking으로 인해 RPC가 직렬화된다. HTTP/2 기반인 gRPC는 단일 연결 내 스트림 다중화로 이를 개선하지만, 여전히 TCP 계층의 HOLB(단일 패킷 유실 시 전체 스트림 정체)는 해소하지 못한다. 본 연구에서 제안하는 gRPC over QUIC(HTTP/3)은 각 스트림의 전송을 전송 레벨에서 독립적으로 제어함으로써 이 문제를 근본적으로 극복한다.

**스키마 부재**: JSON은 타입 안전성을 보장하지 않는다. T3 디바이스가 장기간 배포되면 T1과 T3의 메시지 스키마가 점진적으로 불일치해도 파싱 오류로 뒤늦게 발견된다.

### 3.3 MQTT/CoAP의 적용 범위 한계

MQTT와 CoAP는 T3 현장 디바이스에 매우 적합하지만, 3-tier 전체를 커버하는 에이전트 통신 인터페이스로서 한계를 갖는다.

**T1↔T2 부적합**: MQTT는 중앙 브로커 의존적 Pub/Sub 모델로, T1↔T2 사이의 다자간 실시간 에이전트 협의(bilateral RPC with response)에 구조적으로 부적합하다. 브로커가 단일 장애점(SPOF)이 되고, T1과 T2 간 요청-응답 상관관계 관리를 애플리케이션 계층에서 직접 구현해야 한다.

**스키마 검증 부재**: MQTT의 페이로드는 임의의 바이트열이다. MQTT 5.0에서 Content-Type 헤더가 추가되었으나, Protobuf 수준의 컴파일 타임 타입 안전성과 자동 코드 생성은 제공하지 않는다.

**에이전트 시맨틱 미지원**: 태스크 위임, 역량 광고(Agent Card), 아티팩트 교환 등 에이전트 수준의 추상화를 MQTT 토픽 계층만으로 표현하는 것은 표준화 불가능하다. 구현체마다 임의의 토픽 네이밍 규칙이 적용되어 상호운용성이 없다.

### 3.4 WebSocket의 운용 한계

WebSocket은 HTTP 업그레이드를 통해 전이중(full-duplex) 통신을 제공하지만, 엣지 AIoT 환경에서 다음과 같은 문제를 갖는다.

**Stateful 세션의 취약성**: WebSocket은 TCP 연결을 유지하는 Stateful 프로토콜이다. T2 엣지 노드가 이동 중이거나 Wi-Fi 핸드오버가 발생하면 TCP 연결이 끊어지고 WebSocket 세션 전체가 재설정되어야 한다. 이 과정에서 진행 중인 에이전트 태스크 상태가 유실된다.

**T3 구현 불가**: WebSocket 클라이언트는 HTTP 업그레이드 협상 로직과 프레이밍 레이어를 요구하여 T3 MCU의 수 KB RAM 환경에서 구현이 불가능하다.

### 3.5 gRPC 단독 사용의 한계

gRPC는 T1↔T2 백본으로서 가장 우수한 선택지이지만, 3-tier 전체에 단독 적용하는 것은 불가능하다.

**T3 자원 요구**: 표준 gRPC C++ 라이브러리는 최소 수 MB의 RAM과 수십 MB의 Flash 저장소를 요구한다. Cortex-M 기반 MCU의 일반적 사양(64–512KB RAM, 256KB–2MB Flash)과 크게 충돌한다. 경량 구현인 `nanopb`(Protobuf only)나 `grpc-lite`조차도 모든 T3 디바이스에 적용하기 어렵다.

**TCP 기반 핸드오버 취약성**: gRPC는 HTTP/2·TCP 위에서 동작하며, TCP는 IP 주소 변경 시 연결을 재설정해야 한다. V2X(차량-인프라 통신)나 모바일 헬스케어 웨어러블처럼 이동 중 지속적 스트리밍이 필요한 시나리오에서 TCP 기반 gRPC는 핸드오버마다 스트림이 중단된다.

**브라우저 진입점 부재**: gRPC는 브라우저에서 직접 사용 불가하며 gRPC-Web 프록시가 필요하다. T2 게이트웨이 관리 UI나 운영자 대시보드 통합 시 추가 인프라가 요구된다.

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## 4. 연구 격차 (Research Gap)

기존 연구와 기술이 다루지 못하는 공백을 다음 다섯 차원에서 식별한다.

### 4.1 프로토콜 하이브리드화의 표준 부재

현존하는 엣지 AIoT 통신 연구는 대부분 단일 프로토콜의 최적화에 집중한다. MQTT 5.0의 공유 구독 성능 [Banken et al., 2019], CoAP의 Observe 메커니즘 효율성 [Shelby et al., 2014], gRPC의 마이크로서비스 벤치마크 [Grohmann et al., 2019] 등이 대표적이다. 그러나 **T1↔T2에는 gRPC, T2↔T3에는 MQTT/CoAP를 혼용하고 T2에서 변환하는 하이브리드 아키텍처**를 체계적으로 설계하고 검증한 연구는 존재하지 않는다. 특히 변환 게이트웨이의 Resume Token 발급, 양방향 스키마 변환, trace context 전파를 통합적으로 다루는 설계 프레임워크가 없다.

### 4.2 단절 내성 에이전트 스트리밍의 미해결

QUIC RFC 9000 [Iyengar & Thomson, 2021]은 connection migration을 통해 IP 주소 변경에도 전송 연결을 유지하는 핸드오버 내성 전송을 제공한다. 그러나 QUIC는 전송 계층 프로토콜이며, 그 위에서 동작하는 **gRPC 스트리밍 세션의 에이전트 수준 Resume 시맨틱**을 정의하지 않는다. 에이전트 태스크 컨텍스트(어디까지 처리했는가, 어떤 아티팩트를 이미 전달했는가)를 보존하여 재연결 후 정확히 이어받는 Resume Token 프로토콜은 기존 연구에서 다루어지지 않았다.

### 4.3 T3 디바이스 하드웨어 Attestation의 에이전트 통합

SPIFFE/SPIRE [SPIFFE, 2024]는 제로 트러스트 워크로드 신원 프레임워크로서, 부팅 시 TPM/SE 기반 하드웨어 attestation을 통해 SPIFFE Verifiable Identity Document(SVID)를 발급한다. 그러나 기존 SPIFFE/SPIRE 적용 사례는 주로 쿠버네티스 클러스터 내 마이크로서비스 신원 관리에 집중되어 있다. **T3 임베디드 디바이스의 TPM/SE attestation을 T2 gRPC mTLS 핸드셰이크와 연계하고, T1까지 신원을 전파하는 end-to-end 신원 체인**을 MAS 에이전트 통신 인터페이스 수준에서 통합한 연구는 존재하지 않는다.

### 4.4 에이전트 시맨틱 계층과 전송 계층의 분리 설계

A2A 프로토콜 [Ray, 2024]은 에이전트 간 태스크 위임, Agent Card 기반 역량 탐색, 아티팩트 교환이라는 상위 시맨틱을 표준화한다. Anthropic MCP [Anthropic, 2024]는 단일 LLM이 도구와 데이터에 접근하는 방식을 정의한다. 그러나 두 표준 모두 **전송 계층을 명시적으로 정의하지 않으며**, "HTTP 위에서 동작한다"는 수준의 기술로 전송 계층을 추상화한다. 실제 엣지 AIoT 배포에서 T1↔T2 사이의 gRPC, T3↔T2 사이의 MQTT라는 이질적 전송 위에서 **A2A의 Task 시맨틱을 일관되게 매핑하는 인터페이스 계층**이 필요하지만, 이 설계 공백은 아직 연구되지 않았다.

### 4.5 3-tier 분산 추적의 경량 구현

OpenTelemetry [CNCF, 2024]는 분산 추적을 위한 사실상의 표준을 제공하며, gRPC Metadata를 통한 W3C traceparent/tracestate 전파가 표준화되어 있다. 그러나 T3 MCU에서 OTel SDK를 직접 실행하는 것은 자원 제약으로 불가능하다. **T2 게이트웨이를 trace fan-out 지점으로 활용하여 T3의 경량 trace segment를 수집·병합하고 Resume Token과 traceparent를 연계하는 패턴**은 기존 연구에서 제안된 바 없다.

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## 5. 연구 동기 (Motivation): 4대 사용 사례별 실제 요구

### 5.1 스마트 팩토리 (Industry 4.0)

스마트 팩토리는 3-tier MAS의 가장 복잡한 배치 환경이다. T1에는 생산 계획(PM), 품질 분석, 예지 정비 에이전트가 배치되고, T2에는 라인별 엣지 컨트롤러 에이전트가, T3에는 수천 개의 AGV(Automated Guided Vehicle), 협동 로봇, CCTV 카메라, 진동 센서가 배치된다.

| 통신 경로 | 핵심 요구 사항 | 현행 기술의 한계 |
|----------|-------------|---------------|
| T3 AGV ↔ T2 엣지 (충돌 회피) | p99 지연 < 10ms, 양방향 합의 | REST 폴링 불가, MQTT 단방향 한계 |
| T3 센서 → T2 (텔레메트리 팬인) | 동시 10,000 노드, 1Hz/노드 | 단일 gRPC 서버 과부하, TCP 소켓 고갈 |
| T2 ↔ T1 (분석·제어) | 배치 처리·실시간 알람 혼용 | REST 단방향, 스키마 비일관성 |
| T3 로봇 OTA 업데이트 | 단절 내성·청크 재개 | WebSocket 세션 유실, MQTT 페이로드 제한 |

특히 AGV 충돌 회피 시나리오는 에이전트 간 양방향 실시간 합의(gRPC Bidirectional Streaming)를 필요로 하며, 동시에 수천 개의 T3 센서에서 텔레메트리를 수신해야 하는 팬인(fan-in) 집계 문제와 T3 MCU의 gRPC 스택 미지원 문제를 동시에 해결해야 한다.

### 5.2 스마트 빌딩 / 에너지 관리

스마트 빌딩은 수만 개의 HVAC, 조명, PV 인버터, 스마트 미터가 T3 레이어를 형성하며, 대부분 저전력 무선(LoRa, Wi-SUN, Zigbee)으로 T2 빌딩 에너지 관리 시스템(BEMS)에 연결된다. 핵심 과제는 수백 개 건물에 걸친 피크 전력 수요 응답(Demand Response, DR)으로, T2 에이전트들이 밀리초 단위 합의 없이도 수분 단위의 전력 최적화를 수행해야 한다.

LoRa/Wi-SUN은 gRPC를 지원하지 않으며, 페이로드 크기가 10–200바이트로 극히 제한된다. T2 게이트웨이에서 LoRa 프레임을 gRPC Protobuf 메시지로 변환하는 과정에서 스키마 일관성 유지와 디바이스 신원 검증이 요구된다.

### 5.3 커넥티드 차량 / V2X (Vehicle-to-Everything)

V2X는 엣지 AIoT 3-tier에서 가장 극단적인 이동성과 지연 요구를 갖는다. 차량(T3)이 RSU(Road Side Unit, T2)와 C-V2X 또는 ETSI ITS-G5로 10ms 이내 안전 메시지를 교환하며, 동시에 5G MEC(T2)를 통해 클라우드 HD 맵(T1)을 수신한다.

핸드오버 빈도는 도심 이동 시 분당 수 회에 달한다. TCP 기반 gRPC는 핸드오버마다 연결을 재설정해야 하며, 이 과정에서 in-flight RPC가 즉시 실패한다. QUIC의 connection migration이 전송 수준에서 이를 해결하지만, 에이전트 태스크 컨텍스트의 애플리케이션 수준 Resume 시맨틱은 별도로 설계되어야 한다. 또한 차량 내 ECU(Electronic Control Unit)는 T3 임베디드 환경으로, 차량 내 하드웨어 키(TPM/HSM)를 활용한 V2X PKI 연계 attestation이 요구된다.

### 5.4 헬스케어 / 원격 모니터링

헬스케어 AIoT는 개인 정보 보호 규제(HIPAA, GDPR)와 배터리 수명 제약이라는 이중 부담을 갖는다. 웨어러블 심전도 패치나 혈당 모니터(T3)는 BLE로 병원 엣지 게이트웨이(T2)에 연결하며, 배터리는 1주~1개월을 지속해야 한다. BLE 연결은 수 분 단위로 단절되는 것이 정상 동작이므로, T2 게이트웨이가 T3의 측정값을 오프라인 큐에 보관하다 재연결 시 이어받는 Resume 패턴이 필수적이다.

부정맥·낙상 감지 등 긴급 이벤트는 T1 EHR(Electronic Health Record) 시스템에 1초 이내 알람을 전달해야 하며, 이 경로는 통상적인 배치 업로드 경로와 분리된 우선순위 스트림이 필요하다.

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## 6. 연구 질문 (Research Questions)

앞선 문제 정의, 기존 한계 분석, 연구 격차, 사용 사례 분석으로부터 다음 네 가지 연구 질문이 도출된다.

**RQ1 (하이브리드 프로토콜 아키텍처)**
> T1↔T2 gRPC 백본과 T2↔T3 경량 프로토콜(MQTT/CoAP)을 결합하는 2-tier 변환 게이트웨이 아키텍처를 어떻게 설계해야, 단일 프로토콜 대비 3-tier 전체의 지연·처리량·자원 효율을 동시에 최적화할 수 있는가?

*평가 지표: T3 팬인 시나리오의 처리 지연(ms), 무선 단절 후 재개 성공률(%), T3 게이트웨이 CPU/메모리 오버헤드*

**RQ2 (단절 내성 에이전트 스트리밍)**
> 무선 핸드오버 및 일시적 단절이 빈번한 T2↔T3 환경에서 gRPC 스트리밍 세션의 에이전트 태스크 컨텍스트를 보존하는 Resume Token 프로토콜을 어떻게 설계해야, 무결한 end-to-end 데이터 연속성을 보장할 수 있는가?

*평가 지표: 단절 후 데이터 누락률(%), Resume 재연결 지연(ms), Resume Token 저장 오버헤드(bytes)*

**RQ3 (하드웨어 기반 디바이스 신원)**
> TPM/SE를 탑재한 T3 디바이스의 하드웨어 attestation 결과를 T2 gRPC mTLS와 연계하고, T1까지 SPIFFE ID 체인을 end-to-end로 전파하는 신원 아키텍처를 어떻게 설계해야, T3 디바이스의 물리적 변조 위협에 대한 암호학적 방어를 제공할 수 있는가?

*평가 지표: 비인가 디바이스 차단률(%), Attestation 인증서 발급 지연(ms), TPM attestation 재검증 주기*

**RQ4 (에이전트 시맨틱 및 관측성 통합)**
> A2A 프로토콜의 Task/Agent Card 시맨틱을 gRPC 서비스 인터페이스에 매핑하고, T2를 trace fan-out 지점으로 활용한 OTel 기반 3-tier 분산 추적을 통합하는 인터페이스 계층을 어떻게 설계해야, 에이전트 협력의 end-to-end 관측성과 표준 상호운용성을 동시에 달성할 수 있는가?

*평가 지표: T3→T1 trace 연결 완전성(%), trace propagation 오버헤드(bytes/request), A2A Agent Card 탐색 지연(ms)*

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## 7. 관련 연구 (Related Work)

### 7.1 LLM 에이전트 프레임워크와 물리 배포 한계

**AutoGen** [Wu et al., 2023]은 멀티 에이전트 대화를 통해 복잡한 태스크를 해결하는 프레임워크로, ConversableAgent 추상화를 통해 에이전트 간 메시지 교환을 정의한다. 그러나 AutoGen의 통신 인터페이스는 동일 프로세스 내 함수 호출 또는 동일 네트워크 내 HTTP 요청을 전제로 하며, T3 MCU나 무선 단절 환경에 대한 설계 고려가 없다.

**CrewAI**는 역할 기반 에이전트 팀 구성을 추상화하지만, 에이전트 통신은 Python 함수 호출 수준에 머물러 있으며 분산 배포 시나리오를 직접 지원하지 않는다.

**LangGraph** [LangChain, 2024]는 에이전트 워크플로를 유향 비순환 그래프(DAG)로 모델링하여 상태 관리를 강화한다. 체크포인트(checkpoint) 메커니즘으로 일부 재개 기능을 제공하지만, 네트워크 단절 시 실시간 스트리밍 세션의 Resume 시맨틱은 다루지 않는다.

이 세 프레임워크의 공통 한계는 **"물리적 분산"을 논리적 분산(마이크로서비스)으로 환원**한다는 점이다. 자원 이종성, 무선 단절, 임베디드 디바이스 신원이라는 엣지 AIoT의 고유 제약은 설계 공간에 포함되지 않는다.

### 7.2 A2A 프로토콜: 상위 시맨틱 표준의 전송 계층 미정의

Ray [2024]의 A2A 프로토콜 리뷰는 에이전트 간 협력의 상위 시맨틱 표준화에 대한 포괄적 분석을 제공한다. A2A는 Agent Card(역량 광고), Task(태스크 위임 컨트랙트), Artifact(구조화된 출력), Push 알림을 통해 이질적 에이전트 간 상호운용성을 가능케 한다. HTTP·JSON-RPC 2.0·SSE를 기반 전송으로 사용하고, 기존 엔터프라이즈 인프라(로드밸런서, 프록시, OTel)와의 호환성을 목표로 설계되었다.

그러나 A2A는 전송 계층을 명시적으로 정의하지 않는다. 논문은 "엣지 배포에서 CBOR/MessagePack 경량 인코딩과 WebAssembly 런타임, 게이트웨이 위임이 필요하다"고 언급하지만 [Ray, 2024, §V], 구체적인 설계 방안을 제시하지 않는다. 특히 T3 MCU에서 A2A Task 시맨틱을 어떻게 경량화하여 표현하고, T2 게이트웨이가 MQTT 메시지와 A2A Task 간 변환을 어떻게 수행하는지에 대한 설계 공백이 존재한다.

### 7.3 MARL 협력적 위치 추정: T2-T3 협력의 학술 선례

Tedeschini et al. [2024]은 협력적 차량 위치 추정 문제를 분산 부분 관측 마르코프 결정 과정(Dec-POMDP)으로 정식화하고 ICP-MAPPO 알고리즘을 제안하였다. 이 연구는 T2-T3 계층의 에이전트가 제한된 로컬 관측으로 협력하여 전역 추정 정확도를 향상시킬 수 있음을 실증한다는 점에서 본 연구의 T2↔T3 협력 아키텍처 설계에 학술적 선례를 제공한다.

그러나 이 연구는 알고리즘 수준의 기여에 집중하며, 에이전트 간 실제 통신 인터페이스(프로토콜, 지연, 단절 내성)는 시뮬레이션 환경에서 추상화되어 있다. 실제 무선 네트워크 위에서의 구현 시 나타나는 통신 계층 문제는 다루지 않는다.

### 7.4 Holochain DHT + IoT: 탈중앙화 디바이스 탐색

Gaba et al. [2023]은 Holochain 분산 해시 테이블(DHT)을 IoT 디바이스 탐색과 신원 관리에 적용하는 방안을 제안한다. 중앙 브로커 없이 디바이스가 P2P로 자신을 광고하고 탐색할 수 있다는 점에서 T3 디바이스의 동적 등록 문제에 대한 흥미로운 접근이다.

그러나 Holochain DHT는 상당한 계산 자원을 요구하며, T3 MCU에서의 직접 실행은 현실적이지 않다. 또한 블록체인 기반 탈중앙화 아키텍처는 실시간성과 결정론적 지연 보장이 어려워, p99 지연 < 10ms가 요구되는 스마트 팩토리 AGV 협업 시나리오에 적용하기 어렵다. 본 연구는 탈중앙화보다 **T2 중간 계층 집중 검증**을 통한 현실적 신원 보장을 채택한다.

### 7.5 QUIC RFC 9000: 핸드오버 내성 전송

Iyengar & Thomson [2021]의 QUIC RFC 9000은 UDP 위에서 멀티플렉싱, 암호화, connection migration을 제공하는 전송 프로토콜을 정의한다. Connection migration은 IP 주소나 포트가 변경되어도 연결 ID(Connection ID)를 유지하여 핸드오버 시 전송 계층 연결이 끊어지지 않도록 한다.

QUIC은 V2X와 모바일 헬스케어 시나리오에서 전송 계층 핸드오버 문제를 근본적으로 해결한다. 비록 공식 gRPC 스택의 HTTP/3 표준 지원은 부분적이거나 실험적 단계에 있으나, 본 연구는 `quic-go`를 활용한 커스텀 전송 계층 어댑터(gRPC over QUIC)를 직접 구현·실증하여 이 한계를 돌파한다. 더 중요하게는 QUIC의 connection migration이 전송 연결을 유지해도 **그 위의 gRPC 스트리밍 세션의 에이전트 태스크 상태**는 애플리케이션 계층에서 별도로 관리해야 하며, Resume Token은 QUIC과 독립적이면서도 계층적으로 정합되는 핵심 단절 내성 메커니즘이다.

### 7.6 SPIFFE/SPIRE: 제로 트러스트 워크로드 신원

SPIFFE(Secure Production Identity Framework for Everyone) [SPIFFE, 2024]와 그 참조 구현인 SPIRE는 쿠버네티스 등 동적 클라우드 환경에서 워크로드 신원을 자동으로 발급·갱신한다. gRPC mTLS와 결합하면 서비스 간 인증을 인증서 기반으로 자동화할 수 있다.

기존 SPIFFE/SPIRE 연구는 주로 클라우드 네이티브 환경에 집중한다. T3 임베디드 디바이스에 SPIRE Agent를 직접 설치하는 것은 자원 제약으로 불가능하며, TPM/SE를 활용한 하드웨어 attestation 기반 SVID 발급을 T2 게이트웨이가 대리 수행하는 위임 패턴은 기존 연구에서 충분히 다루어지지 않았다. 본 연구는 이 위임 attestation 아키텍처를 에이전트 통신 인터페이스의 보안 계층으로 통합한다.

### 7.7 OpenTelemetry와 분산 추적

OpenTelemetry [CNCF, 2024]는 분산 추적, 메트릭, 로그를 위한 통합 계측 표준으로, gRPC는 W3C traceparent/tracestate를 Metadata Carrier로 전파하는 공식 계측 라이브러리를 제공한다. 이를 통해 T1→T2 호출 그래프의 분산 추적이 자동화된다.

그러나 OTel SDK를 T3 MCU에 직접 통합하는 것은 메모리 요구와 네트워크 오버헤드로 불가능하다. 기존 연구에서는 "게이트웨이를 통한 간접 계측"을 언급하지만 [CNCF, 2024], T3의 경량 trace segment를 T2 게이트웨이가 수집·병합하고 Resume Token에 traceparent를 임베드하는 구체적 패턴은 정의되지 않았다.

### 7.8 gRPC 엣지 AIoT 벤치마크 연구

Grohmann et al. [2019]의 마이크로서비스 벤치마크는 gRPC가 REST/JSON 대비 페이로드 50–80% 절감, CPU 파싱 시간 60% 절감의 효과를 보인다고 보고한다. 그러나 이 벤치마크는 안정적인 데이터센터 네트워크를 가정한다. 무선 손실·지연 변동·T3 팬인 집계 시나리오에서 gRPC와 하이브리드 프로토콜 아키텍처의 성능 비교는 아직 이루어지지 않았다.

### 7.9 관련 연구 비교 요약

| 연구/기술 | 에이전트 시맨틱 | gRPC 활용 | T3 지원 | 단절 내성 | 하드웨어 Attestation | 분산 추적 | 본 연구와의 차이 |
|----------|---------------|----------|---------|----------|---------------------|---------|--------------|
| AutoGen/CrewAI/LangGraph | 높음 | 미정의 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 | 물리 배포·전송 계층 미해결 |
| A2A Protocol [Ray, 2024] | 매우 높음 | 미정의 | 언급만 | 없음 | 없음 | 부분 | 전송 계층 설계 공백 |
| MARL Cooperative [Tedeschini, 2024] | 알고리즘 | 없음 | T3 협력 | 없음 | 없음 | 없음 | 시뮬레이션, 통신 인터페이스 미설계 |
| Holochain DHT [Gaba, 2023] | 탐색 | 없음 | 부분 | 없음 | 없음 | 없음 | 실시간성 불충분, T3 직접 실행 불가 |
| QUIC RFC 9000 [Iyengar, 2021] | 없음 | 부분 | 없음 | 전송 계층 | 없음 | 없음 | 에이전트 레벨 Resume 미정의 |
| SPIFFE/SPIRE | 없음 | mTLS 통합 | 없음 | 없음 | 클라우드 | 없음 | T3 위임 Attestation 미정의 |
| **본 연구** | A2A/MCP 매핑 | T1↔T2 백본 | 변환 게이트웨이 | Resume Token | TPM/SE 위임 | T2 fan-out | **통합 설계** |

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## 8. 소결

엣지 AIoT의 3-tier 물리적 분산 환경에서 멀티 에이전트 시스템을 실제로 동작시키기 위한 통신 인터페이스는, 기존 단일 프로토콜 연구나 클라우드 중심 LLM 에이전트 프레임워크가 전제하는 것과 근본적으로 다른 제약 조건 위에 설계되어야 한다. REST/HTTP·JSON은 T3 팬인과 스트리밍에 구조적으로 부적합하고, MQTT/CoAP는 T1↔T2 에이전트 협의와 스키마 안전성을 보장하지 못하며, gRPC 단독으로는 T3 임베디드 환경에 배포할 수 없다. A2A는 에이전트 시맨틱을 표준화하지만 전송 계층을 정의하지 않으며, QUIC은 전송 핸드오버를 해결하지만 에이전트 태스크 Resume 시맨틱을 제공하지 않는다. 이 연구는 이 다섯 가지 기술의 공백이 교차하는 지점—즉, **2-tier 프로토콜 변환 게이트웨이, Resume Token 기반 단절 내성 스트리밍, TPM/SE 위임 Attestation, A2A 시맨틱 매핑, T2 기반 분산 추적 fan-out의 통합 설계**—을 정면으로 다루는 최초의 시도로, 엣지 AIoT 멀티 에이전트 시스템의 실세계 배포 가능성을 열기 위해 지금 이 시점에 반드시 수행되어야 하는 연구이다.

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## 참고문헌

[1] Wu et al., "AutoGen: Enabling Next-Gen LLM Applications via Multi-Agent Conversation," *arXiv:2308.08155*, 2023.

[2] Ray, P.P., "A Review on Agent-to-Agent Protocol: Concept, State-of-the-art, Challenges and Future Directions," 2024.

[3] Tedeschini, B.C. et al., "Decentralized Multi-Agent Reinforcement Learning for Cooperative Positioning in Infrastructure-less Networks," *IEEE Transactions on Wireless Communications*, 2024.

[4] Gaba, G.S. et al., "Holochain-Based Decentralized IoT Device Identity Management," *IEEE Internet of Things Journal*, 2023.

[5] Iyengar, J. & Thomson, M., "QUIC: A UDP-Based Multiplexed and Secure Transport," *RFC 9000*, IETF, 2021.

[6] SPIFFE Project, "SPIFFE: Secure Production Identity Framework for Everyone," *https://spiffe.io*, 2024.

[7] Anthropic, "Model Context Protocol Specification," *https://modelcontextprotocol.io*, 2024.

[8] gRPC Authors, "gRPC Documentation — Protocol Buffers & HTTP/2," *https://grpc.io*, 2024.

[9] Buf Technologies, "Buf Schema Registry," *https://buf.build*, 2024.

[10] OpenTelemetry, "W3C Trace Context & gRPC Instrumentation," *https://opentelemetry.io*, 2024.

[11] Banks, A. & Gupta, R., "MQTT Version 5.0," *OASIS Standard*, 2019.

[12] Shelby, Z. et al., "The Constrained Application Protocol (CoAP)," *RFC 7252*, IETF, 2014.

[13] ETSI, "ITS-G5: Intelligent Transport Systems — LTE-V2X," *EN 302 637-2*, 2019.

[14] Grohmann, J. et al., "Detecting Microservice Performance Anti-Patterns in Continuous Delivery Pipelines," *IEEE ICSOC*, 2019.

[15] IoT Analytics, "State of IoT 2024: Number of Connected IoT Devices Growing 13% to 18.8 Billion," 2024.

[16] CNCF, "OpenTelemetry Project Documentation," *https://opentelemetry.io*, 2024.
