NFC - 10Cm의 비즈니스(2) - NFC 기술 표준에 대한 고찰

NFC - 10Cm의 비즈니스

NFC 기술 표준에 대한 고찰

지난 연재에서 NFC는 13.56 Mhz 주파수 대역을 사용해 10Cm 내의 거리에서 최대 424 Kbps의 속도로 기기간 양방향 접속을 할 수 있게 하는 기술이라고 소개했다. 이번 연재에서는 NFC 포럼에서 추진하는 기술 표준화에 대해 고찰해보자.

연재순서

1회 | 2011. 12 | 우리 곁에 성큼 다가온 NFC

2회 | 2012. 1 | NFC 기술 표준에 대한 고찰

3회 | 2012. 2 | NFC 기술 응용 분야와 모바일

김도균 www.dokyun.pe.kr(프리지아 랩) | 마이크로소프트 공인 강사(MCT)이자 MVP(Exchange)이며 IT 전문 번역가와 칼럼니스트로 활동하고 있다. 스마트 라이프를 추구하는 라이프 스타일 INNOVATOR이며 사소하고 일상적인 것에 새로운 가치를 부여하는 일을 즐긴다. 기술 전문가 집단 GoDev(www.godev.kr)의 기술 창의성 리더다. 최근에 “나홀로 개발자를 위한 안드로이드 프로그래밍의 모든 것”을 출간 했으며 20여권의 번역서를 낸바 있다.

 

 

NFC 기술의 기반이 되는 국제 표준

NFC는 다양한 표준 기술 기반으로 동작한다. NFC 포럼에서는 NFC 기술의 시장 도입 시 이해 관계에 놓이는 다양한 업체와 협력 개발을 통해 이미 사용중인 기존 태그와 리더간 통신 표준과 호환되고 리더 기기의 통신도 지원하는 NFC 표준을 정의했다.

§1. RFID vs. NFC

NFC 표준에서는 기존의 RFID 기술을 포함한다. 하지만 NFC가 등장한 이유에는 RFID 기술이 채워주지 못하는 2%가 있기 때문이다. 다음의 표1에서 RFID 기술과 NFC의 주요 차이점을 비교했다.

	RFID	NFC
목적	소량의 데이터의 저장과 검색을 통해 개체나 사물을 식별하고 추적한다.	소비자 가전, 통신 및 컴퓨팅기기를 위한 사용하기 쉬운 비접촉식 인터페이스.
동작 거리	대부분의 RFID 시스템은 50-100 cm 또는 그 이상에서 동작한다. RFID는 리더기를 향하는 트랜스폰더의 특별한 위치 결정 없이 읽혀질 수 있다.	NFC 기술은 약 10cm 범위에서 동작하므로 다른 NFC 기기나 RFID 리더를 향해 NFC 기기를 잡고 유지해야 한다.
동작 모드	하나의 액티브 판독기(읽기/쓰기)에서 하나 이상의 트랜스폰더와 통신한다.	양쪽 NFC 터미널에서 능동적으로 이들 터미널의 피어와 통신을 시작한다.
프로세서	트랜스폰더는 읽기 전용 또는 읽기/쓰기 메모리는 있지만, 마이크로프로세서나 연산 장치는 없다.	NFC가 탑재된 기기는 대개 보드에 마이크로프로세서가 있고, 이들 기기는 단지 정보의 저장과 검색만을 주요 목적으로 하지 않는다.
보안	RFID 칩의 데이터를 접근할 때 암호 없이 또는 암호를 사용해 동작하거나, 단순 암호화를 사용한다.	NFC의 보안은 더욱 강화된 스마트 카드 보안 기술을 사용한다. 이 기술을 통해 보안 하드웨어와 고급 암호화 기술(3DES, PKI, 등)을 사용해 카드의 데이터를 보호와 관리, 저장, 제공하고 해킹으로부터 암호화 및 보호와 같은 복잡한 기능을 수행한다.
표준	RFID 표준 준수	ISO 18092와 ISO 21481, 향후의 NFC 포럼 명세를 준수한다.

[표1] RFID와 NFC

 

§2. NFC 표준의 범위

NFC 기술에 포함되는 주요 ISO 표준으로는 4가지가 있으며, 각각에 대해서는 다음과 같다.

 

§  ISO/IEC 18092(NFCIP-1)

- ISO/IEC 14443의 A 타입과 스마트카드의 일본 표준인 FeliCa를 결합해 기기간 양방향 통신 기능을 강화시킨 표준으로 NFC 기기의 핵심 통신 표준이다.

§ ISO/IEC 14443 (근접)

- 13.56 MHz 비접촉식 근접형 IC 카드 표준으로, 10cm 반경 내에서 통신할 수 있다. 변조 방식에 따라 A, B 타입으로 나뉜다. 현재 국내의 교통 카드 시스템은 주로 A 타입을 사용한다.

§  ISO/IEC 15693 (근방)

- 13.56 MHz 대역을 사용하는 비접촉식 근방형 IC 카드 표준으로, 1.5m까지 통신이 가능해 RFID 응용에 사용한다.

§ ISO/IEC 2481 (NFCIP-2)

- ISO/IEC 18092(NFCIP-1)에 ISO/IEC 15693 (근방)을 결합한 표준으로, NFC와 RFID를 단일 칩 솔루션으로 13.56 MHz 대역에서 사용할 수 있다.

 

다음의 그림1에서 NFC 표준에서 포함하고 있는 범위를 나타냈다

 

[그림 1] NFC 표준

 

이상의 비접촉 태그 관련 기술의 주요 ISO 표준 명세와 테스트등과 관련된 명세의 관계는 다음 그림2를 참조하자.

 

 

[그림 2] NFC 표준명세와 태그 명세 관계도

 

NFC 표준화 활동에서 정의한 NFC 기능

지난 1회에서 NFC 역사에 관해 잠깐 설명했지만, 표준화 측면에서 그간의 진행 과정을 시간 순으로 다시 짚어 보면(그림3 참조), NFC 표준화는 NFC 포럼의 설립과 함께 2004년 3월부터 2006년 초까지 2년여에 걸쳐 데이터 포맷과 태그 관련된 상당 부분의 표준을 제정했으며, 이 시기에는 주로 NXP, 소니, 이노비전, 노키아 같은 포럼 창립 멤버가 중심이 되었다.

 

2006년 이후 NFC 포럼에서는 데이터 포맷 상위에 위치하는 미들웨어 표준화로 영역을 확장하면서, 보다 많은 업체가 참여했고, 이로 인해 이해관계의 대립으로 표준화 속도가 지연되는 우여곡절 끝에 2007년 중반 NCI(NFC Host Control Interface) 태스크 포스가 활동을 시작하면서 안정을 찾았다.

 

2009년 말에 이르기까지 미들웨어에 관한 많은 표준이 제정되면서, 현재는 NFC 상용화에 필요한 대부분의 표준화가 완성되었다.

 

 

[그림 3] NFC 포럼 표준화 이력

 

NFC 표준에서는 NFC의 기능을 P2P 모드, 읽기/쓰기(Reader/Writer) 모드, 카드 에뮬레이션(Card Emulation) 모드 의 3가지 모드를 정의하고 있다. P2P 모드는 두 대의 NFC 호환 기기가 서로 통신하는 모드이며, 읽기/쓰기 모드는 NFC 기기가 카드 리더기로 동작하는 모드 (카드 리더기처럼 태그 데이터를 읽고 쓰는 기능)이다. 그리고 카드 에뮬레이션 모드는 NFC 기기가 기존의 RFID 카드처럼 동작하는 모드 (즉 리더기에 기존의 카드 대신 휴대폰을 근접)다 (그림 4 참조).

 

 

[그림 4] NFC 기능 모드

 

NFC 표준에 정의된 3가지 기능을 지원하기 위해 NFC 포럼에서는 그림5와 같은 아키텍처를 정의하고 있다. 이 아키텍처에는 전체적으로 NFC 장치들의 변조 방식과 코딩, 전송속도, RF 인터페이스의 프레임 포맷, 그리고 초기화 시의 데이터 충돌 제어를 위한 초기화 방식과 조건 등이 포함된다. 표준 기술 아키텍처에서 기기간 통신 프로토콜 표준으로는 NFCIP-1, NFCIP-2, NFC-WI가 사용되며, NFC 호환 기기용 메시지 형식으로 NDEF(NFC Data Exchange Format)과 RTD(Record Type Definition)을 사용한다. NDEF는 NFC 태그에 저장되는 데이터형식에 대한 정의이며, RTD는 NDEF를 실제 응용할 수 있는 응용 분야별 세부 데이터(스마트 포스터, 텍스트, 인터넷 리소스 등) 정의이다.

 

 

[그림 5] NFC 아키텍처

 

각 영역에 대한 설명은 다음과 같다.

 

① RF 계층, 태그 기술 특성을 정의.

② 모드 (Activity, Listen) 스위칭 절차를 정의

③ P2P용 LLCP(프로토콜) 를 정의

④ IP 등 다른 프로토콜과의 바인딩 절차를 정의

⑤ NFC Tag Type을 정의

⑥ 데이터 교환 형식과 표준 레코드 타입을 정의

⑦ Card Emulation 모드 정의

⑧ Use Case별 활용 방법에 대한 정보 제공

 

3가지 기능 모드에 대한 세부 아키텍처는 다음 그림6과 같다. 첫 번째는 읽기/쓰기 모드가 동작하기 위한 아날로그 특성과 아날로그 처리를 위한 디지털 프로토콜 그리고 읽기/쓰기모드에서 지원하는 4가지 태그의 동작절차 등으로 아키텍처가 구성된다. 두 번째는 NFC 기기간 P2P 모드가 동작하기 위한 아날로그 특성과 아날로그 처리를 위한 디지털 프로토콜 그리고 P2P 통신을 위한 프로토콜과 메시지 규약, 레코드 타입, 그리고 다른 통신 프로토콜과 연계하는 방법 등으로 아키텍처가 구성된다. 마지막 세 번째는 카드 에뮬레이션 모드가 동작하기 위한 아날로그 특성과 아날로그 처리를 위한 디지털 프로토콜 그리고 애플리케이션으로 아키텍처가 구성되지만 실제 구성은 현재 개발 진행 중이다.

 

 

[그림 6] NFC 세부 아키텍처

 

NFC 포럼 기술 명세

앞서 소개한 NFC의 3가지 기능 모드의 아키텍처를 구현하기 위해 NFC 포럼에서는 현재까지 다음과 같은 구조의 명세를 정의하고 있다.

 

 

[그림 7] NFC 명세 

 

NFC 포럼은 지금까지 NFC 명세 중

②, ③, ⑤, ⑧, ⑨, ⑩ 명세를 오른쪽 그림과 같이 정의하였으며 ①, ④, ⑥, ⑦, 은 개발 진행 중이다. 현재까지 구현되어 있는 명세는 크게 애플리케이션과 관련된 명세(⑧, ⑨, ⑩)와 장치와 관련된 명세(나머지 명세)로 구분되고 이는 다시 기술적 특성에 따라 5가지 범주로 구분된다.

 

 

첫 번째 범주에 해당하는 부분이 통신 프로토콜과 관련된 영역이며 Analogue 관련 명세는 NFC 포럼에서 아직 발표가 되지 않은 상태이며, 이 부분의 명세에서는 NFC 포럼 기기의 무선 주파수 특징의 정의하는데, 예를 들면 RF 필드의 모양과 강도, 기기의 동작 범위를 결정한다. 다음에 제시한 표2에서 보듯이 포럼에서는 3개의 세부 명세를 정의하고 있다.

 

명세	표준의 목적	주요 내용	구현 이슈	관련 기술 구조
Digital Protocol	§ 기기간 NFC 연결, 유지, 데이터 교환을 위한 빌딩블록 정의	§ ISO/IEC 18092 NFCIP-1 기반으로 ISO/IEC 14443 포함 § 상호운용성 확보를 위한 옵션/필수사항 규정	§ NFC 칩&펌웨어에 구현됨	§ RF 및 Mode Switch 블록과 연계
Activity	§ Use Case별로 디지털 프로토콜의 빌딩블록들을 어떻게 활용할 것인지 정의	§ Use Case 별로 동작절차를 규정한 프로파일 정의 § 예)NFC 기기간 P2P통신, 태그에서 NDEF 데이터 읽어오기	§ 특정 Use Case에 대한 고유 프로파일을 기기에 반영 가능함	§ Mode Switch 블록과 연계
LLCP	§ 신뢰성 있는 Peer-to-Peer 통신 제공	§ Peer Mode로 동작 시 디지털 프로토콜 상에서 링크제어계층 정의 § P2P 통신, 연결/비 연결 기반 전송계층 및 프로토콜 멀티플렉싱 제공	§ NFC 칩 세트 또는 기기의 소프트웨어에 구현	§ 모드스위치와 응용계층 사이에 위치 § P2P 통신의 경우에만 해당

 

[표 2] 프로토콜 기술 명세

 

NFC 기기는 자체 캐리어를 만들어내는 Poll 모드와 그렇지 못한 Listen 모드로 나뉘며 이 두 가지 모드를 스위칭하면서 3가지 모드의 NFC 기능을 제어한다. NFC 디바이스가 Listen 모드일 경우 동작하는 상태 머신(State Machine) 표가 명세에 정의되어 있고, 각 상태에 필요한 요구사항과 구성, 명령 정보도 정의되어 있다. NFC 기기가 Poll 모드일 경우 취하는 액티비티(Activity)와 각 액티비티에 필요한 요구사항, 파라미터들이 정의되어 있다 (예를 들면 충돌 해소 액티비티(Collision Resolution Activity)).

 

NFC 프로토콜 명세는 완전한 통신 프로토콜을 만들기 위해 NFC 표준에서 정의한 전송 파라미터 그룹인 NFC-A, NFC-B, NFC-F 그룹 별 변조와 동기화, 부호화, 프레임 구성방식 및 명령어들을 정의하고 있다. NFC 전송 파라미터 그룹에는 RF 캐리어, 통신모드, 비트 전송률(Bit Rate), 비트 레벨 코딩(Bit Level Coding), 프레임 포맷(Frame Format), 명령 세트 등이 포함된다.

 

두 번째 범주는 데이터 교환을 위한 형식과 관련된 영역으로 아래 표3에 나타낸 부속 명세 하나가 정의 되어 있다.

 

명세	표준의 목적	주요 내용	구현 이슈	관련 기술 구조
NDEF	§ NFC 응용 데이터를 위한 표준 데이터형식 제공	§ 메시지 형식 정의 § 하나 이상의 레코드로 구성 가능한 메시지 형식 § 분할 가능한 메시지 형태 정의	§ NDEF 메시지는 최대 4GB 크기 지원 가능하지만, 실제적으로 태그의 메모리 크기에 따라 제한됨	§ 스마트 포스터 § 제어 정보 교환(예, 리모트 컨트롤)

 

[표 3] 데이터 교환 형식 기술 명세

 

N개의 레코드로 구성된 NDEF 메시지와 각 레코드의 구성요소에 대한 레이아웃은 그림 8과 같다.

 

 

[그림 8] NDEF 메시지 구조

 

세 번째 범주는 NFC 기기에서 반드시 동작해야 하는 태그 형식을 정의한 부분으로 서로 다른 태그 형식의 성능과 명령어, 메모리 구조, 동작 절차 등을 아래 표4에 나타낸 부속 명세 3개에서 정의 하고 있다.

 

명세	표준의 목적	주요 내용	구현 이슈	관련 기술 구조
Tag Type 1	§ NFC Forum 태그로부터 NDEF 메시지를 읽고/쓰기 위한 규약 정의	§ 4가지 종류의 태그 형식 정의 § 각 태그 형식 별로 읽기/쓰기와 관련된 명령어 및 파라미터 정의	§ NFC 포럼 기기는 4가지 종류의 태그에 대해 모두 읽고 쓰기가 가능해야 함	§ 모드 스위치 위에서 응용계층을 지원 § Reader/Writer 모드만 해당됨
Tag Type 2
Tag Type 3
Tag Type 4

 

[표 4] NFC 포럼 태그 형식 기술 명세

 

앞서의 표4에서 4가지 서로 다른 태그를 명세에서 정의한 이유는 기존의 스마트카드 명세와 관련 제품들을 지원해주기 위함이다. 다음의 표5에서 태그 형식 별로 기존 명세와 관련 제품을 연결했다.

 

명세	Tag Type 1	Tag Type 2	Tag Type 3	Tag Type 4
관련 표준	ISO 14443 A	ISO 14443 A	ISO 18092	ISO 14443 A, B
제품	Innovation Topaz	NXP MiFARE 시리즈	Sony Felica	NXP DESFire NXP SmartMX
메모리 크기	1KB이하(96 Bytes)	2KB이하(48, 144Bytes)	1MB이하(1, ,4, 9KB)	64KB이하(4, 32 KB)
속도	106 Kbps	106 Kbps	212 Kbps	106-424 Kbps
프로토콜	자체 명령	자체 명령	Felica 프로토콜	ISO 14443-4 ISO 7816-4
데이터 접근	R/W, Read-only	R/W, Read-only	R/W, Read-only	R/W, Read-only
가격	하	하	상	상, 중
응용분야	단일 응용서비스 용 저 용량 태그		다중 응용서비스용 고 용량 태그

[표 5] 태그 형식 별 기존 명세와 제품

 

NFC 포럼 기술 명세의 네 번째 범주는 NDEF의 구성요소인 레코드 타입을 만들기 위한 방법과 특별한 레코드 형식들을 정의한 영역으로 아래의 표6과 같이 6개의 부속 명세를 정의하고 있다.

 

명세	표준의 목적	주요 내용	구현 이슈	관련 기술 구조
RTD	§ NDEF 메시지 내에서 확장 가능한 데이터 타입 제공	§ 레코드 구조 및 타입 정의 § 데이터 해석이 가능한 레코드 타입 § 레코드 타입은 NFC 포럼 또는 외부 기구/기관에서 정의 가능	§ 외부에서 별도 RTD를 정의하는 경우 관련 기구/기관의 도메인 이름을 바탕으로 해야 함.	§ 일반적인 RTD : 텍스트, URI, 스마트 포스터, 제어, NDEF 서명
Text	§ 평문을 담고 있는 레코드를 위한 규격 정의
URI	§ 인터넷 리소스 접근을 위한 규격 정의
Smart Poster	§ 텍스트나 오디오 또는 기타 정보를 담고 있는 스마트 포스터를 위한 규격 정의
Generic Control	§ 제어 요청을 위한 규격 정의
Signature	§ 서명을 위한 규격 정의

[표 6] 레코드 형식 정의 기술 명세

 

RTD 구조에 따라 RTD 별 페이로드(Payload)에 실리는 데이터의 예를 그림 9에서 나타냈다.

 

[그림 9] RTD 구조와 샘플

 

마지막 다섯 번째 범주는 특정 Use Case 별로 NFC를 어떻게 활용할지를 정의한 부분으로 표6에서 나타낸 한 개의 부속 명세가 정의되어 있다.

 

명세	표준의 목적	주요 내용	구현 이슈	관련 기술 구조
Connection Handover	§ NFC 사용하여 직관적이고 안전한 WPAN/WLAN 통신연결 제공	§ 타 WPAN/WLAN 통신연결에 필요한 메시지 정의	§ 통신연결에 필요한 설정 정보는 해당 기술제정 단체에서 제공	§ 블루투스 페어링 § Wi-Fi 보안연결 설정

[표 7] 참조 애플리케이션 기술 명세

 

지금까지 살펴본 NFC 포럼에서 정의된 명세(세부 명세는 15개)외에 NFC 아키텍처 구현의 완성을 위해 앞으로 나올 예정인 명세로 다음의 3가지 범주에 해당하는 내용이 있다.

 

§ 응용 문서

- 특정 Use Case 별 NFC 활용 방법 제공 ("Bluetooth Secure Simple Pairing using NFC")

§ 개인 의료 기기

- NFC를 통해 개인의료 기기와 통신할 수 있는 규격 개발

§ NFC 기술 규격

- Analog 규격: NFC 기기의 RF 특성 정의

- NFC Controller Interface(NCI) 규격: 호스트와 NFC 칩 간의 통신 인터페이스 정의

- Simple NDEF Exchange: P2P 모드에서 NDEF 메시지 교환 전송 프로토콜 정의

 

이상으로 NFC 기술의 표준화와 NFC 포럼 기술 명세를 핵심 내용을 중심으로 고찰해 보았다. NFC 기술의 응용처가 점점 확대되어가는 소식들이 많이 들려오고 있다. 새로운 기술의 소문이 들려올 때에 한 발 앞서 서비스를 고민하고 기술과 사람의 교차점에서 비즈니스를 바라본다면, 더 많은 기회가 우리 앞에 펼쳐질 것이다. 다음 호에서는 NFC 기술의 응용분야와 모바일상의 개발 환경을 안드로이드를 중심으로 살펴본다.

※ 본 기사는 2012년 1월 마이크로소프트웨어 [Focus On] 섹션에 기고된 글입니다.