[Tech Report] NFC와 STM32MPU를 이용한 위조 방지 기술

[ST마이크로일렉트로닉스=수보드 비크람 슈클라 (Subodh Vikram Shukla), 프라샨트 판데이(Prashant Pandey] 위조 제품은 전 세계적으로 심각한 문제다. 위조 제품은 제조사의 매출 손해를 일으키는 것을 넘어 그 조악한 품질로 브랜드 평판까지 떨어뜨릴 수 있다. 예전에는 홀로그램을 사용해 정품 인증을 했다. 하지만 홀로그램은 제한적인 정보만 제공한다.

QR 코드는 더 유연한 툴이지만, 손쉽게 조작하고 제거하거나 교체할 수 있다. 훨씬 더 다양한 메커니즘으로 제품을 인증하는 방식이 바로 NFC 태그이다. NFC 태그는 소량의 정보를 저장하고 이를 근거리로 무선 판독할 수 있는 전자 부품이다. NFC 태그에는 초소형 NFC 칩과 플렉서블 안테나가 포함돼 있다.

제품 자체나 제품 포장 안에 내장할 수 있어 무단조작이 어렵다. 최종적으로 완성품을 제조한 후에 제품 정보를 무선으로 안전하게 프로그래밍할 수 있다. 소매점에서는 정품 확인을 위해 전용 단말기를 사용해 제품 정보를 조회할 수 있다. 이 글에서는 NFC 기술을 활용해 정품을 실제로 어떻게 검증하는지 상세하게 설명한다. 이를 통해 전 세계적으로 5천억 달러에 이르는 위조 제품 거래도 줄일 수 있을 것이다.

◆ NFC 기술

NFC는 13.56MHz로 동작하는 무선 통신 기술로, 2개의 NFC 가능 디바이스 간에 안전한 근거리 통신을 구현해 준다. NFC는 전자 디바이스들 간에 패스워드나 PIN 같은 절차 없이 안전한 애드혹(Ad Hoc) 통신을 가능케 하는 강력한 기술이다. NFC 기술은 상호작용을 추가해 평범한 사물을 스마트 디바이스로 만드는 데 광범위하게 사용된다. 티켓팅, 지불, 액세스 제어 등은 NFC 기술이 널리 적용되는 주요 분야에 속한다.

NFC 지원 시스템은 NFC 태그와 NFC 리더기기, 이 두 부분으로 구성된다. NFC 리더기기는 능동형 장치로서 NFC 태그로 읽기와 쓰기 동작을 실행하고 동시에 전자기 유도를 통해 NFC 태그로 전력을 공급한다. NFC 태그는 통상적으로 수동적으로 전력을 공급받는 장치로서, NFC 리더기기로부터 전력을 수신한다.

NFC 태그는 안테나 코일을 사용해 NFC 리더기와 통신하고 NFC 리더기의 전자기장으로부터 에너지를 포집한다. NFC 리더기는 RF 전자파 신호를 변조해 태그로 데이터를 전송하고, 태그는 부하를 변조해 리더기로 데이터를 전송한다. NFC 태그가 NFC 리더기 가까이 다가오면, NFC 리더기가 태그 속성을 읽고 데이터를 교환한다. 각각의 NFC 태그는 UID라고 하는 고유 식별자를 사용해 식별된다.

NFC는 서로 다른 ‘기술’을 사용하면서 동일한 RF 캐리어를 사용하지만, 각각의 기술은 고유의 변조 방식, 비트 레벨 코딩, 프레임 형식을 사용한다. 이 기술은 크게 네 가지 유형(NFC-A, NFC-B, NFC-F, NFC-V)이 있다. NFC 태그는 이 기술 중 하나 또는 그 이상의 기술을 지원할 수 있다. NFC 태그는 메모리, 스루풋, 충돌 메커니즘, ISO 표준 지원에 따라 더 다양한 태크 유형으로 분류한다.

◆ 소매점의 정품 조회 

이번 장에서는 정품 조회 시스템에 대해 상세하게 설명한다. 제품을 제조할 때 NFC 태그는 제품 자체에 내장돼 숨겨지고 사용자가 제거할 수 없다.  태그를 제품 자체에 내장할 수 없을 때는 제품 패키징 안에 NFC 태그를 내장할 수 있다. NFC 트랜시버를 사용해 일련번호와 모델명 같은 상세정보를 프로그래밍할 수 있으며, 정품 인증 URL을 사용해 보안 인증 서버로 연결할 수 있다.

정품 조회 시스템은 점포에 설치된 전용 단말기를 사용한다. 조회할 제품을 단말기의 NFC 리더기 가까이 가져가면 NFC 태그의 고유 ID와 함께 저장된 제품 정보와 인증 URL을 읽는다. 그러면 인터넷에 연결된 단말기가 클라우드 기반 조회 서버로 조회 요청을 전송하고 제품 상태와 상세정보를 불러온다.

그러면 제조 일자, 크기, 색상, 보증 정보 등 조회 결과가 디스플레이에 표시된다. 디스플레이에 제품 사진도 표시됨으로써 사용자가 제품을 시각적으로 확인할 수 있다. 인터넷 접속을 이용할 수 없는 경우 NFC 태그에 저장된 제품 데이터를 NFC 지원 스마트폰에 표시할 수 있다. 이 방법으로 구매자가 점포에서 정품 여부를 즉시 확인하고 시장에서 위조품 거래 문제를 해결할 수 있다. 아래 그림은 이 전체적인 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.

이 솔루션은 소비자들의 참여를 높이는 플랫폼으로도 볼 수 있다. 이 단말기를 소비자들이 직접 확인할 수 있는 셀프 서비스 키오스크로 제공하면 소비자들은 정품에 대한 확신을 갖게 된다. 이 시스템을 활용해 해당 제품으로 광고 정보를 표시하거나 연관 제품을 표시함으로써 교차 판매를 할 수도 있다. 단말기로 제품을 조회할 때마다 이 트랜잭션이 조회 서버에 기록된다. 이 정보를 활용해 추가 분석을 실시하고 다양한 제품에 대한 소비자들의 선호도를 조사하는 데 사용할 수 있다.

◆ NFC 기반 조회 단말기의 소프트웨어 아키텍처

이번에는 리눅스 기반 조회 단말기의 소프트웨어 아키텍처에 대해 살펴본다. 검증되고 무료인 리눅스는 개발자가 잘 구축된 고품질 라이브러리를 활용하게 해준다는 점에서 이러한 애플리케이션 분야에 선호되는 호스트 OS이다.

그 핵심 기능은 RFAL(Radio Frequency Abstraction Layer) 드라이버와 통신해 NFC 태그의 데이터에 접근하는 ‘조회 애플리케이션’에 의해 제공된다. RFAL 드라이버 프로토콜은 SPI를 통해 애플리케이션이 NFC 리더기와 통신할 수 있도록 해주는 일련의 기능들이다. 리눅스 커널 공간에서 ‘spidev’라고 하는 드라이버 모듈이 SPI 버스를 통한 애플리케이션과의 모든 통신을 처리한다. 아래 그림은 이 조회 단말기의 전체적인 소프트웨어 아키텍처를 보여준다. 

NFC 태그를 리더 안테나 가까이 가져가면 NFC 칩이 새로운 태그의 존재를 감지한다. 그러면 리눅스 OS의 libgpiod 메커니즘을 통해 애플리케이션 소프트웨어로 감지하는 인터럽트가 트리거된다. 인터럽트를 수신하면 애플리케이션 소프트웨어가 NFC 칩과 통신을 시작해 태그에 저장된 UID와 여타 데이터를 읽는다. 이 솔루션은 잘 구축된 리눅스 네트워킹 라이브러리를 활용해 클라우드와 통신하고 조회 상태와 제품 상세정보를 불러온다. 이 결과는 디스플레이에 표시된다. GTK나 Qt 같은 기본적인 UI 프레임워크를 사용해 풍부한 GUI 환경으로 이 정보를 표시할 수 있다.

◆ 하드웨어

이 개념은 ST마이크로일렉트로닉스의 STM32MP1 디스커버리 키트(STM32MP157F-DK2)를 기반으로 한 시스템 솔루션을 통해 입증된다. 이 디스커버리 키트는 STM32MP1 시리즈 산업용 마이크로프로세서를 탑재한 것으로, 사용자들이 OpenSTLinux 배포판 소프트웨어를 사용해 애플리케이션을 간편하게 개발할 수 있게 해준다. 디스커버리 키트의 커넥터로 연결된 NFC 리더기(ST25R3911B) 확장 보드(X-NUCLEO-NFC05A1)와 ST25DV04K NFC 타입 V 태그 IC에 기반한 다양한 NFC 태그가 NFC 기능을 제공한다. 이 구현으로 또 다른 NFC 리더기(ST25R3916) 기반 확장 보드(X-NUCLEO-NFC06A1)를 연결할 수 있다. ST25R3916은 카드 에뮬레이션 모드를 지원하며 EMVCo 3.0을 완전히 충족한다. SPI나 I2C 같은 적절한 통신 프로토콜을 통해 NFC 프론트엔드 IC는 마이크로프로세서로 인터페이스된다.

지금까지 NFC 태그를 사용해 소비재의 정품 여부를 확인하는 NFC 기술 사용법을 살펴보았다. 코로나 바이러스로 인한 팬데믹 상황에서 가짜 약이 거래되고 있다는 많은 뉴스들을 생각해 본다면, 이러한 솔루션은 생명을 구하는 데도 활용될 수 있다.

보석이나 희귀 약품 같은 고가 제품의 경우 NFC 태그로 디지털 인증서를 저장함으로써 보안을 한층 더 향상시킬 수 있다. 또한, 블록체인을 이용해 공급망에 이 솔루션을 적용하면, 공급망 각 단계에서 부품의 정품 여부를 확인하고 정품 부품만으로 최종 제품을 제조하도록 할 수 있다. 이 솔루션을 확장하면 전자상거래 시나리오에도 적용할 수 있는데, 소비자는 자신의 집에서 모바일 애플리케이션과 NFC 가능 스마트폰을 사용해 제품을 손쉽게 조회할 수 있게 된다.