[기계] 스마트 어플라이언스 시스템의 시스템 아키텍처

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-11-21 1. 서론
최근 가전의 스마트화가 주목을 받고 있으며, 가전 제품이 네트워크로 연결 서버와 연계하여 생활의 쾌적성, 편리성을 높이는 서비스 제공이 기대되고 있다. 가전의 전기 요금과 바이탈 데이터를 그래프로 보여주는 에코 / 건강의 가시화, 조리법이나 세탁 코스 등의 제어 데이터를 가전으로 설정하거나 에어컨을 원격 조작하는 컨트롤, 가전 사용 설명이나 곤란할 때의 대응 방법을 조언하는 지원 등의 서비스를 제공하는 스마트 기기 시스템을 개발하고 있다.
이러한 스마트 기기의 시스템에서는 고객의 요구에 맞춘 신속한 서비스 제공과 확장이 중요하다. 또한 가전 정보를 서버와 통신하는데, 누설 및 변조가 없도록 안전하게 취급할 필요가 있다. 이러한 확장성 및 보안성을 제공하기 위한 시스템 아키텍처가 필수적이다.
또한 본 서비스의 스마트 어플라이언스 시스템에서 가전을 네트워크에 연결하는 방식으로 NFC (Near Field Communication)를 사용하여 연결하는 터치 액세스 방식과 전문적인 작은 무선을 이용해 연결하는 무선 액세스 방식의 두 가지를 채용하고 있다. NFC를 이용하는 방식에서는 NFC를 탑재한 휴대폰을 가전에 터치하고 휴대폰을 통해 서버와 연결하기 위한 각종 서비스를 제공한다. 무선을 이용하는 방식에서는 해당 가전은 무선 통신에 의해 수시로 가전 정보를 서버와 통신하여 각종 서비스를 제공하고 있다. 다른 시스템에서 사용되는 무선 액세스 방식뿐만 아니라 이러한 두 가지 방식을 가전이나 서비스에 따라 적절하게 선택함으로써 저렴하고 사용자 설정이 불필요한 NFC 통신 방식과 상시 네트워크화가 가능한 무선 통신 방식, 각각의 장점을 구사할 수 있게 된다.

2. 시스템 개요
스마트 어플라이언스는 통신 수단은 근접 무선 통신을 이용하는 방식(이하 "터치 액세스 방식"이라고 한다)과, 전문 무선을 이용하는 방식 (이하 "무선 액세스 방식"이라고 한다) 등 2가지로 분류된다. 터치 액세스 방식은 가전에 터치하여 조작이나 설정을 하는 사용자에게 직관적인 인터페이스로 되어 있지만, 터치할 때만 가전이 네트워크와 연결되고 있다. 한편, 무선 액세스 방식은 무선 게이트웨이를 통해 가전이 네트워크화되어 상시 연결되고 있다. 따라서 가전 및 제공 서비스에 따라 통신 수단을 선택할 필요가 있다.
터치 액세스 방식의 스마트 어플라이언스는 NFC 타입 F 또는 타입 B의 R / W (Read / Write) 기능을 탑재한 휴대폰을 터치하면 가시화 서비스에 필요한 가전 정보의 수집 및 가전 제어 컨트롤 서비스를 가능케 한다. 무선 액세스 방식의 스마트 어플라이언스는 필요한 시기에 운전 상황 오류 상황을 가전 본체로부터 취득해, 최신 상태를 파악한다. 따라서 언제든지 각종 서비스의 이용이 가능해진다.

2.1 터치 액세스 방식
가전, 휴대폰, 서버의 3구성 요소에 걸쳐 전체 정책으로 가전 내부 정보(시각화 데이터 등)의 수집 및 가전을 제어하는 컨트롤 명령은 가전 - 서버 간 End to End 암호화되어 모바일 애플리케이션은 중계 기능만 있다. 이것은 외부에서 개발한 모바일 애플리케이션에서 무단으로 가전 내부 정보의 수집 및 가전 제어를 실시하지 않는 것에 있다. 따라서 가전을 제어할 때 사용자가 모바일 애플리케이션에서 설정을 일단 서버에 전송하고 서버에서 암호화된 제어 명령으로 변환, 모바일 애플리케이션에 전송하는 구조로 되어 있다.

2.2 무선 액세스 방식
무선 액세스 방식으로는 에너지 관리를 담당하는 에너지 매니저와 함께 스마트 어플라이언스 시스템을 실현한다.

3. NFC 대응 가전 - 휴대폰 간 인터페이스
이 장에서는 스마트 기기의 터치 액세스 방식의 NFC 태그를 탑재하는 가전 제품과 휴대폰 사이의 인터페이스 방식에 대해 말한다.

3.1 NFC 개요
NFC는 비접촉 IC 카드의 통신 기능을 장비 간 통신에 사용할 수 있도록 확장된 통신 방식이며, 국제 표준 규격의 ISO / IEC 18092 및 ISO / IEC 21481에 규정되어 있다. NFC는 비접촉 IC 카드의 통신 기능을 확장한 규격이기 때문에, 비접촉 IC 카드 규격인 ISO/IEC14443 및 JIS X6319-4와 호환된다. 또한 업계의 NFC Forum에서 호환성 상호 운용성 확보 등을 목적으로 구현 사양이 규격화되어 있다. NFC에는 여러 무선 방식이 있다. NFC Forum에서는 NFC-A, NFC-B, NFC-F로 정의되며, NFC 탑재 기기(NFC Device)는 이러한 모든 무선 방식을 탑재해야 한다. 또한 NFC Forum 규격에서는 NFC의 동작 모드로, Peer-to-Peer 모드, Reader / Writer 모드, Card Emulation 모드 3 개가 규정되어있다. Peer-to-Peer 모드는 기기끼리 양방향 통신 모드이다. Reader / Writer 모드는 기존의 비접촉 IC 카드를 읽고 쓰는 형태이다. Card Emulation 모드는 비접촉 IC 카드로 작동하는 모드이다. NFC Device는 Peer-to-Peer 모드와 Reader / Writer 모드의 탑재가 필수이고, Card Emulation 모드는 옵션으로 되어있다.

3.2 근접 무선 통신 사양
가전은 NFC Device 없이, 비접촉 IC 카드로의 통신 기능을 구현한다. 특히, NFC 대응 가전은 JIS X6319-4 카드 및 ISO / IEC 14443 Type B 카드로 통신 기능을 구비하는 구성이다. NFCForum 사양의 관점에서는, 무선 방식으로 NFC-F와 NFC-B를 탑재하고 Card Emulation 모드에서 작동할 수 있다. 가전은 JIS X6319-4 규격 R / W에서의 액세스가 있는 경우는 JIS X6319-4 Card로 통신하고, ISO / IEC 14443 TypeB의 R / W에서 액세스 한 경우 ISO / IEC 14443 TypeB의 Card로 통신한다. 또한 통신 기능을 비접촉 IC 카드에 한정함으로써 가전 측 구현 부하를 최소화하기로 했다.

3.3 통신 명령 사양 개요
가전, 휴대 단말기 (R / W)에서 32 kByte의 주소 공간을 가진 1개의 메모리 파일을 가진 Card로 보인다. 휴대폰이 가전에서 어떤 정보를 취득하는 경우, 정보에 해당하는 파일의 주소를 지정하고 Read를 수행하여 데이터를 취득한다. 마찬가지로 휴대폰이 가전을 제어할 경우 해당 파일의 주소로 제어 내용을 기록하여 제어한다.

4. 단말기 - 서버 간 인터페이스
이 스마트 어플라이언스 시스템은 서버와 연계하여 가전만으로는 어려운 인터넷 서비스를 제공하는 것이 목적이다. 이 장에서는 이 스마트 어플라이언스 시스템을 실현하는 단말기 - 서버 사이의 인터페이스에 대해 설명한다.

4.1 단말기의 응용 프로그램 구성
모바일 애플리케이션의 실현 방식으로 모바일 장치에 설치해야 하는 "네이티브 어플리케이션"과 Web 컨텐츠를 통해 구현할 수 있는 "Web 어플리케이션"이 존재한다. "기본 어플리케이션"은 성능 면이나 OS 기능을 활용할 수 있는 장점이 있는 반면, Android와 iOS 등 플랫폼마다 별도의 개발이 필요하며 서비스 추가 사양 변경 ? 이상 대응 때는 반드시 사용자 조작에 의한 버전 업이 필요한 단점이 있다. "Web 어플리케이션"은 성능 면이나 OS 기능의 활용에 제한이 있는 한편, 브라우저를 사용하여 플랫폼의 공통화를 도모하고, 서비스 추가 사양 변경 ? 이상 대응 시 반드시 사용자 조작에 의한 버전 업이 필요 없다. 또한 본 스마트 어플라이언스 시스템의 필수 요건인 NFC 통신은 Web 어플리케이션 (브라우저)에서 직접 액세스할 수 없지만, 비용 면, 보수 면에서 Web 어플리케이션의 장점이 스마트 어플라이언스 시스템에서는 네이티브 애플리케이션의 역할을 NFC 통신부에 한정하고 다른 기능은 Web 어플리케이션으로 개발하는 "하이브리드"를 선택했다.

4.2 휴대폰 / 서버 기능 분담
UI (User Interface) 처리 (화면 생성 ? 표시)는 휴대 단말기에서 데이터 처리는 서버에서 수행하도록 기능 분담하고 있다. 휴대 단말기의 Web 어플리케이션 부는 화면 생성 및 표시 기능을 담당한다. 단말기에서 HTML (HyperTextMarkup Language) / CSS (Cascading Style Sheets) / JavaScript (정적 컨텐츠)와 가전의 가시화 데이터 등 (동적 콘텐츠)을 서버에 요청하고 응답 결과를 바탕으로 화면을 생성하여 단말기 측에 표시한다. 또한, 네이티브 어플리케이션 부는 JavaScript를 통해 호출 NFC 통신 기능을 제공한다. 한편 서버는 단말기의 요청을 이벤트 분류 부에서 접수하고, 적절한 데이터 처리부에 요청의 위임 처리를 실행한다. 동적 콘텐츠의 데이터 포맷은 XML (Extensible Markup Language)보다 가볍고 JavaScript와의 친화성이 좋은 JSON (JavaScript Object Notation) 형식으로 제공한다.

5. 시스템 보안
본 서비스 취급 가전을 조작한 기록 정보는 누설하면 개인 정보 유출로 이어질 우려가 있는 정보이다. 또한 가전에 설정된 정보가 통신로에서 변조되면 서비스 방해가 된다. 이 장에서는 본 서비스의 위협 및 대책에 대해 설명한다.

5.1 위협 분석
위협 분석은 기본적으로 정보 보안 경영 시스템 (Information Security Management System: ISMS)을 참조 서비스에서 정보 자산을 추출 ? 평가하고 위협을 분석한다. 본 서비스에서 가전의 소비 전력 및 조작 이력 등의 이력 정보 가전을 제어하는 설정 정보를 정보 자산으로 추출하고 위협을 분석한다.

5.2 보안 대책
추출된 위협에 대한 대책으로, 가전과 연결한 NFC 모듈에 암호화 기능을 탑재하고 가전과 서버 간에 암호화 통신을 실시하고 있다.

(1) 가전 이력 정보 누설 대책
가전 이력 정보 유출은 암호화 대책을 요구한다. 가전과 서버 사이의 통신 거리뿐만 아니라 휴대폰에서 기록 정보를 누설했다고 해도, 기록 정보는 암호화되어 있기 때문에 공격자는 기록 정보를 부정하게 취득할 수 없다.
(2) 변조에 의한 서비스 거부 대책
서비스 거부는 MAC (Message Authentication Code)에 대한 대책이다. MAC는 메시지를 인증하기 위한 구조이며, 가전 이력 정보와 설정 정보의 변조를 방지할 수 있다. 가전과 서버 간 통신 송신 측에 MAC를 생성하고 수신자 MAC을 검증하는 것으로, 통신 노상에서 공격자가 기록 정보와 설정 정보를 조작했다고 해도, 변조 감지가 가능한 사용자가 의도하지 않은 설정으로 동작을 하는 것을 방지할 수 있다.

6 정리
본고에서 언급한 시스템 아키텍처를 기반으로 스마트 기기 시스템의 제품화를 실현했다. 2012 년 6 월에는 업계 최초로 휴대 전화에서 클라우드 서버에 연결, 레시피 검색에서 터치로 요리 설정과 요리법을 등록하여 쉽게 재현할 수 있는 스팀 IH (Induction Heating) 밥솥, 스팀 오븐 레인지가 개발되었다. 또한, 2012 년 8 월 이후, 세탁 건조기, 냉동 냉장고, 에어컨, 활동량 측정기, 혈압계에 배포하였다. 향후 디지털 TV와 디지털 카메라 등의 AV 가전 및 에너지 관리 시스템과 연계한 서비스를 확장하고 있다.