Matter를 사용하여 스마트 홈 자동화 섬을 연결하는 방법

무선 스마트 홈 자동화 장치 설계자는 무선 스마트 홈 에코시스템의 성장을 제한하는 광범위하고 기본적인 상호 운용성 부족으로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 예를 들어 Amazon Alexa, Apple HomeKit, Google Assistant 장치는 현재 자체 자동화를 통해 섬처럼 동떨어진 상태로 운영됩니다. 이더넷, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave, 기타 무선 사물 인터넷(IoT) 프로토콜의 경우도 정도는 다르지만 마찬가지입니다.

멀티프로토콜 장치를 설계하는 것은 잠재적 솔루션이지만 설계 작업이 복잡하므로 개발 공정이 연장되고 장치 비용이 증가합니다. 또한 프로토콜마다 사용자에 대한 보안 및 개인정보 보호를 구현하는 방식이 다르고 설계 및 구현이 복잡하여 멀티프로토콜 장치는 스마트 홈 자동화 섬을 부분적으로만 연결할 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 설계자는 Connectivity Standards Alliance의 Matter 1.0 사양으로 전환하여 자동화 섬을 연결하고 스마트 홈 IoT 네트워크의 유용성을 개선할 수 있습니다. 또한 Matter 소프트웨어 제품군은 새로운 장치 커미셔닝을 간소화하고 포괄적인 보안 및 개인정보 보호를 제공하도록 설계되었습니다.

이 기사에서는 Zigbee Alliance의 CHIP(Connected Home over IP) 프로젝트로서 Matter의 기원과 CSA(Connectivity Standards Alliance) 내에서 현재 위치로의 진화에 대해 간략히 소개합니다. 그리고 이더넷, Wi-Fi, Bluetooth, Thread와 같은 프로토콜을 기반으로 하는 Matter의 애플리케이션 계층 소프트웨어 스택을 검토한 다음, Matter의 보안 및 개인정보 보호 도구를 살펴봅니다. 마지막으로 NXP Semiconductors의 다양한 평가 키트와 개발 기판을 소개하고, Matter를 사용하여 상호 운영 가능한 무선 스마트 홈 장치를 빠르게 설계할 수 있도록 도와주는 관련 마이크로 컨트롤러(MCU)에 대해 설명합니다.

CHIP에서 기원한 Matter

일반적인 스마트 홈에서는 20개 이상의 프로토콜을 사용하는 100개 이상의 IoT 장치를 보유할 수 있습니다. 그 결과 다양한 자동화 섬이 격리된 상태로 운영되는 네트워킹 바벨탑이 구축될 수 있습니다(그림 1). Zigbee Alliance는 공통 소프트웨어 제품군을 개발하여 섬처럼 동떨어진 영역을 연결하기 위해 2019년 12월에 CHIP 프로젝트를 시작했습니다. CHIP은 Alliance(이름이 CSA로 변경됨)의 주요 관심사가 되었으며, CHIP 프로젝트에서 Matter로 이름을 변경했습니다. Matter는 인터넷 프로토콜(IP)을 기반으로 하며 로열티가 없는 오픈 소스 소프트웨어 사양으로 제공됩니다. Matter 사용을 위한 지적 재산권을 획득하려면 CSA 및 Matter 작업 그룹의 회원이 되어야 합니다. 또한 Matter 프로젝트에서는 인증 요구 사항을 정의하고, 장치가 규격을 준수하는지 확인할 수 있도록 일련의 독립 테스트 실험실을 설립했습니다.

그림 1: 일반 스마트 홈에서는 20개 이상의 프로토콜을 사용하는 100개 이상의 IoT 장치를 보유하여 다양한 자동화 섬이 생성될 수 있습니다. (이미지 출처: NXP)

Matter는 어디에 적합한가요?

Matter는 IP 계층을 기반으로 빌드되어 이더넷, Thread, Wi-Fi와 같은 IP 기반 네트워크와 통신하기 위해 IP 계층을 공통 언어로 사용합니다. Matter는 IPv6을 사용하여 변환기 없이 장치와 통신할 수 있습니다. Matter는 장치 애플리케이션 계층 아래 TCP(Transmission Control Protocol) 계층 위에 실장되어 통신 스택의 IP 계층에 연결됩니다. Matter는 애플리케이션 계층 아래에 있는 6개 기능 계층(데이터 모델, 상호 작용 모델, 작업 프레이밍, 보안, 메시지 프레이밍 및 라우팅, IP 프레이밍 및 전송 관리)을 사용하여 구성되는 상호 운용 가능한 애플리케이션 계층 솔루션입니다. 전송 관리 계층에서는 개별 프로토콜에 대한 연결을 처리합니다. 초기 릴리스에서 Matter는 이더넷, Thread, Bluetooth 저에너지(BLE) 및 Wi-Fi를 지원합니다. 네트워크 연결을 확장하기 위한 작업이 이미 진행 중입니다(그림 2).

그림 2: Matter는 IPv6을 사용하여 Wi-Fi, Thread, BLE 및 이더넷 장치와 통신하므로 전용 변환기가 필요하지 않습니다. (이미지 출처: NXP)

보안 작업을 보장하는 것이 Matter 배포의 핵심 요소입니다. Matter는 인증 코드와 암호화를 결합하여 메시지의 기밀성과 정확성을 유지하고 데이터 소스를 인증합니다. 보안을 위해 AES(Advanced Encryption Standard) 128 암호화 블록 체인 메시지 인증 코드(CCM) 암호화를 128비트 AES 암호화 블록 체인(CBC)과 함께 사용합니다. 또한 개별 장치에 가장 적절한 수준의 보안 및 개인정보 보호를 제공하기 위해 심층 방어 원칙을 채택합니다. 계층형 접근 방식에서는 리소스 사용을 최적화하고 통신의 가용성, 무결성 및 기밀성을 보장합니다.

Matter 네트워크는 어떤 모습인가요?

Matter는 CSA에 의해 관리되고 Apache 2.0에 따라 라이선스가 부여됩니다. 또한 CSA에서는 회원이 자체 Matter 준수 장치 개발을 지원하기 위해 사용할 수 있는 표준 구현 및 애플리케이션 라이브러리를 유지 관리합니다. 보안 및 사용자 개인정보 보호는 Matter의 주요 관심사이며, 라이브러리는 Matter 장치 환경 전반에서 일관된 보안 구현을 보장합니다. 하드웨어의 측면에서 Matter는 엔드 노드, 에지 노드, 게이트웨이(컨트롤러라고도 함), 브리지, 경계 라우터를 포함합니다. 게이트웨이와 경계 라우터를 모두 ‘허브’라고도 하므로 혼동될 수 있습니다(그림 3). 장치와 관련하여 의심스러운 경우 ‘허브’의 구체적인 기능을 명확히 하는 것이 좋습니다.

그림 3: Matter 네트워크는 다양한 로컬 네트워크를 통한 연결과 인터넷 연결을 제공하기 위해 게이트웨이, 브리지 및 경계 라우터를 포함합니다. (이미지 출처: NXP)

• 게이트웨이 – Matter 게이트웨이는 인터넷 연결을 제공하여 Matter 장치에 대한 원격 액세스를 지원합니다. SmartThings, Amazon 및 Google의 스마트 홈 허브와 같은 일부 기존 장치에서는 소프트웨어 업데이트를 통해 Matter 게이트웨이로 전환할 수 있습니다. Matter는 클라우드 연결, 리모컨과 같은 제조업체 제공 통신 기능과 함께 존재할 수 있도록 지정되므로, 이러한 장치가 Matter 네트워크의 일부로 작동하는 동안에도 기존 통신 기능을 사용할 수 있습니다.
• 브리지 – Matter 브리지는 Matter 네트워크를 주변 무선 네트워크와 연결하는 데 사용됩니다. Matter와 호한되지 않는 장치는 브리지를 통해 작동하면 Matter 네트워크와 원활하게 연동될 수 있습니다. 또한 브리지는 Matter와 호환되지 않는 노드 및 네트워크를 대규모 Matter 네트워크 구조에 손쉽게 통합하여 Matter 채택을 앞당길 것으로 예상됩니다. 일부 기존 장치는 업데이트를 통해 Matter와 호환될 수 있으므로 브리지를 통해 연결하지 않고도 Matter 네트워크에 직접 통합될 수 있습니다.
• 경계 라우터 – 경계 라우터는 동작, 도어 및 창 센서와 같은 Thread 네트워크 및 장치를 Matter 네트워크에 통합하기 위해 특별히 고안되었습니다. Thread는 IEEE 802.15.4 물리층(PHY)에서 실행되는 저전력 무선 IP 프로토콜입니다. 802.15.4는 Wi-Fi와 호환되지 않으므로 장치를 경계 라우터로 업데이트하려면 매우 복잡하여 변경될 예정입니다. NXP와 같은 제조업체에서 경계 라우터 및 다른 Matter 장치 설계를 간소화하는 Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 및 802.15.4 지원을 결합하는 장치를 도입했습니다. 연결 네트워크 이외에 일부 경계 라우터에는 스마트 홈 제어를 위한 인터페이스가 있습니다.

Matter 네트워크 요소 설계

Matter 네트워크를 구축하려면 엔드 노드(예: 센서 및 액추에이터), 에지 노드(예: 스마트 조명, 스마트 잠금 장치, 냉난방 공조(HVAC) 제어), 다양한 게이트웨이, 경계 라우터, 연결용 브리지를 비롯하여 다양한 장치가 필요합니다. NXP는 모든 유형의 Matter 네트워크 요소에 적합한 전체 개발 하드웨어와 개발 공정 단축을 위한 Matter 지원 및 애플리케이션 사례를 비롯하여 GitHub에 관한 포괄적인 자료를 제공합니다(표 1).

표 1: NXP에서 제공하는 Matter 플랫폼에 대해 선택된 개발 환경 (표 출처: NXP, 작성자에 의해 수정됨)

엔드 노드

엔드 노드 Matter 플랫폼 개발자는 K32W0x MCU 플랫폼(예: K32W041AZ)을 사용하여 IOTZTB-DK06 개발 환경을 활용할 수 있습니다(그림 4). 이 환경에는 독립형 엔드 노드를 만드는 데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어와 3단위 데모 네트워크(제어 브리지, 스위치 노드, 조명/센서 노드)가 포함되어 있습니다.

K32W041AZ MCU는 차세대 초저전력 멀티프로토콜 무선 장치를 구동하고 BLE 5.0 및 Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4를 지원하기 위해 640Kb 기판 실장 플래시 메모리 및 152Kb 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)가 탑재된 Arm® Cortex®-M4 MCU를 사용하여 목적에 따라 설계되었습니다. 초저 송수신 전력 소비 이외에 이러한 MCU는 외부 메모리 없이 복잡한 응용 제품 및 무선(OTA) 업데이트를 지원할 수 있습니다.

그림 4: IOTZTB-DK06 플랫폼에는 스위치 노드(왼쪽), 제어 브리지(가운데) 및 조명/센서 노드(오른쪽)가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: NXP)

에지 노드

i.MX RT1170 EVK는 Matter 에지 노드를 위한 통합 개발 플랫폼을 제공합니다. 이 평가 키트는 더 나은 전자파 적합성(EMC) 성능을 위한 스루홀 부품이 적용된 6층 pc 기판에 구축되었으며 개발 프로젝트를 단축하기 위한 주요 부품 및 인터페이스가 포함되어 있습니다(그림 5). 또한 i.MX RT1170 Crossover MCU 제품군(MIMXRT1176CVM8A 포함)을 기반으로 하며, 위에서 설명한 IOTZTB-DK06과 결합될 수 있습니다. 이중 코어 i.MX RT1170은 Cortex-M7 코어(1GHz) 및 Arm Cortex-M4(400MHz)에서 실행되며, 다음을 비롯한 다양한 고급 보안을 지원합니다.

• 보안 부트
• IEE(인라인 암호화 엔진)
• OTFAD(즉각적 AES 복호화)
• 고성능 암호화
• 능동 및 수동 부정 조작 감지

그림 5: i.MX RT1170 EVK는 Matter 에지 노드 장치 개발에 사용될 수 있습니다. (이미지 출처: NXP)

또한 보안을 구현하기 위해 MIMXRT1170-EVK를 OM-A5000ARD Arduino 개발 키트와 함께 사용할 수 있습니다. 이 Arduino 개발 키트는 IC 레벨에서 신뢰 루트를 포함하는 즉시 사용 가능한 보안 IoT 인증자인 A5000을 기반으로 합니다. A5000은 자격 증명을 안전하게 저장 및 프로비저닝하고 중요 커뮤니케이션 및 제어 보안을 위한 암호화 작업을 수행할 수 있습니다. A5000은 장치 간 인증, 퍼블릭/프라이빗 클라우드에 대한 보안 연결, 위조 방지와 같은 다양한 IoT 보안 사용 사례에 사용하도록 설계되었습니다. 보안 솔루션의 신속한 개발을 지원하기 위해 A5000은 애플리케이션 인증 및 보안용 소프트웨어가 미리 설치된 상태로 제공됩니다.

게이트웨이, 경계 라우터, 브리지

게이트웨이, 경계 라우터, 브리지와 같은 더 복잡한 설계가 필요한 경우 설계자는 i.MX 8M Mini EVKB로 전환할 수 있습니다. 이 평가 기판은 i.MX 8M Mini 응용 프로세서 제품군(예: NXP MIMX8MM5CVTKZAA)을 지원합니다(그림 6).

그림 6: i.MX 8M Mini EVKB는 Matter 게이트웨이, 경계 라우터 및 브리지 개발을 지원합니다. (이미지 출처: NXP)

i.MX 8M Mini 응용 프로세서는 시스템 연결 및 메모리 인터페이스 유연성의 측면에서 다양한 기능을 제공하므로, 미디어 리치 소비자 및 내장형 산업 응용 분야와 전력 효율과 고성능이 요구되는 비 미디어 리치 범용 응용 분야 모두에 적합합니다.

8MMINILPD4-EVKB 평가 기판은 위에서 설명한 IOTZTB-DK006 및 OM-A5000ARD와 함께 사용할 수 있습니다. K32W061 업그레이드 기판과 USB 동글을 추가하여 멀티프로토콜 응용 제품 테스트 및 개발을 위한 소형 무선 Matter 네트워크를 빠르게 조립할 수 있습니다.

결론

벤더, 플랫폼 또는 에코시스템에 상관없이 상호 운용성은 IoT 장치의 최종 사용자에게 중요합니다. Matter는 보안 및 개인정보 보호를 보장하면서 스마트 홈 환경에서 많은 자동화 섬을 연결하기 위해 특별히 설계된 오픈 소스 소프트웨어 사양입니다. 위에서 살펴본 바와 같이 Matter 네트워크는 엔드 노드, 에지 노드, 게이트웨이, 경계 라우터, 브리지 등 다양한 장치로 구성됩니다. 설계를 빠르게 시작하려는 설계자를 위해 NXP는 전체 Matter 장치를 위한 포괄적인 소프트웨어 및 하드웨어 개발 플랫폼 라인을 제공합니다

추천 자료

1. 상시 작동 음성 인터페이스 설계에서 전력 소비를 줄이는 방법