임베디드 장치 및 임베디드 시스템 개발 개요

Secure Code Warrior는 항상 교육 범위를 확장하고자 노력하고 있습니다. 임베디드 개발자와 보안 관리자가 안전한 임베디드 시스템을 구축할 수 있도록 지원하기 위해 임베디드 시스템 보안 분야로 영역을 넓히고 있습니다. 이 게시물에서는 개발자와 아키텍트가 안전한 임베디드 시스템 구축에 대해 알아야 할 핵심 사항을 공유합니다.

임베디드 기기는 자체 마이크로프로세서 기반 하드웨어와 소프트웨어를 갖춘 독립적인 컴퓨팅 장치입니다. 일반적으로 독립적으로 작동하거나 더 큰 시스템의 일부로서 전용 기능을 수행하는 데 사용됩니다.

임베디드 기기와 시스템이란 무엇인가요?

임베디드 기기는 특정 기능을 수행하도록 프로그래밍된, 최소한의 하드웨어와 소프트웨어를 갖춘 목적 기반 컴퓨팅 시스템입니다. 목적에 따라 임베디드 기기의 복잡성은 다양할 수 있습니다.

임베디드 시스템이 복잡하고 리소스 집약적인 작업을 수행해야 하는 경우, 하드웨어는 다양한 주변 장치가 상호 연결된 여러 개의 프로세서로 구성될 수 있습니다. 반면, 단순한 작업을 수행하도록 설계된 경우에는 단일 마이크로컨트롤러만 포함될 수도 있습니다.

일부 임베디드 시스템은 사용자 인터페이스가 없는 블랙박스 형태인 반면, 상세한 그래픽 사용자 인터페이스를 갖춘 경우도 있습니다.

임베디드 기기의 예

임베디드 기기는 항공우주부터 컴퓨팅, 가전제품부터 헬스케어에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 활용됩니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

• 에어컨 내부의 온도 조절기.
• 건강 상태를 기록하고 동기화하는 기능만 수행하는 소형 운영 체제와 전기 부품이 탑재된 피트니스 트래커.
• 디지털 실내 온도 조절 시스템.
• 비행기 내비게이션 시스템.
• 디지털 시계.
• GPS 기기.
• 전자레인지 및 기타 가전제품의 Wi-Fi 부품.
• 혈압 및 심박수 모니터.
• 데이터를 클라우드로 전송하는 MRI 장비 내 네트워킹 구성 요소.

노트북은 임베디드 기기인가요?

간단히 말하면 아니요입니다. 자세한 답변은 다음과 같습니다.

정의상 임베디드 기기는 기능을 수행하는 데 필요한 모든 소프트웨어와 하드웨어를 포함합니다. 노트북 역시 금속 본체 안에 다양한 하드웨어 구성 요소를 담고 있으며, 기능을 제공하는 데 필요한 모든 소프트웨어를 포함하고 있습니다.

하지만 미리 정의된 최소한의 기능 세트를 가진 일반적인 임베디드 시스템과 달리, 노트북은 범용성이 더 높으며 매우 다양한 활동을 수행하는 데 사용될 수 있습니다.

사물인터넷(IoT)에서의 임베디드 기기

임베디드 시스템은 IoT의 핵심입니다. 스마트 냉장고를 모바일 기기로 제어할 수 있는 이유는 임베디드 기기 덕분입니다. 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 CCTV 영상을 볼 수 있게 해주는 보안 시스템 내부에도 임베디드 기기가 있습니다. 자동차의 자동 주행 버튼을 누를 때 그 이면에서 모든 마법을 부리는 것 역시 임베디드 기기입니다.

임베디드 소프트웨어 개발 수명 주기

임베디드 장치의 일반적인 소프트웨어 개발 수명 주기는 다음과 같은 단계로 구성됩니다.

1단계: 목적 및 요구사항 정의

임베디드 장치는 고유하고 정밀한 기능 세트를 갖추고 있습니다. 그렇기 때문에 개발을 시작하기 전에 장치의 목적과 요구사항을 명확하게 정의하는 것이 매우 중요합니다. 시스템에 대한 상세 설계 문서를 작성하는 것을 권장하며, 다음과 같은 질문에 답해 보십시오.

• 장치가 수행할 기능은 무엇인가?
• 다른 기기의 일부로 작동하는가, 아니면 독립적으로 작동하는가?
• 사용자 인터페이스가 필요한가? 필요하다면 명령줄로 충분한가, 아니면 그래픽 UI가 필요한가?
• 장치가 준수해야 할 크기, 비용 또는 전력 소비 제한은 무엇인가?
• 성능 벤치마크가 있는가? 예를 들어, 장치가 실시간으로 응답해야 하는가, 아니면 특정 임계값 내에서 작동해야 하는가?

2단계: 시스템 아키텍처 설계

고유한 시스템 요구사항을 파악했다면 이제 시스템 아키텍처를 설계할 차례입니다. 다음과 같은 질문을 고려하십시오.

• 장치 개발에 필요한 하드웨어 구성 요소는 무엇인가? 여기에는 회로, 프로세서 칩, 마이크로컨트롤러와 필요한 내외부 주변 장치를 식별하는 작업이 포함됩니다.
• 구성 요소에 필요한 전력량은 어느 정도인가?
• 장치가 인터넷에 연결되는가?
• 장치가 다른 기기나 더 큰 시스템과 연결될 수 있도록 어떤 인터페이스를 추가하거나 개발해야 하는가?
• 암호화는 어떻게 구현할 것인가? (알고리즘, 키 저장 방식 등 고려)
• 잠재적인 취약점, 익스플로잇, 악성코드를 어떻게 식별하고 방지할 것인가?

3단계: 운영체제 선택

운영체제 선택은 임베디드 애플리케이션의 효율성을 결정짓는 경우가 많으므로 신중하게 선택해야 합니다. Windows for IoT는 그래픽 성능은 우수할 수 있으나 하드웨어 지원이 부족할 수 있습니다. 임베디드 Linux와 Android는 무료인 반면, VxWorks와 Windows for IoT는 라이선스 비용이 발생합니다.

Linux나 Android와 같은 오픈 소스 시스템을 사용하면 개발자가 커널을 더 자유롭게 제어할 수 있지만, 독점 시스템을 사용하면 기본 제공되는 커널 기능 내에서만 작업해야 합니다.

운영체제를 선택할 때 보안 측면을 고려하는 것도 중요합니다. 취약점이 발견될 경우 보안 패치가 신속하게 배포되는가? 가장 일반적인 사이버 공격에 대한 내장 보호 기능이 있는가?

4단계: 개발 도구 선정

프로그래밍 언어와 프레임워크마다 장단점이 있습니다. 기능, 속도, 신뢰성 요구사항에 따라 적절한 언어나 프레임워크를 선택해야 합니다.

웹 기반 애플리케이션에서 높은 성능이 필요하다면 Java를 선택하십시오.
하지만 가장 빠른 처리량이 중요하다면 C/C++를, 최고의 타사 라이브러리 지원이 필요하다면 Python을 선택하는 것이 좋습니다.

5단계: 코딩, 리팩토링, 테스트 및 반복

개발 플랫폼을 결정했다면 이제 코딩을 시작할 준비가 된 것입니다. 임베디드 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어 자원이 제한적인 민감한 장치라는 점을 기억하십시오. 따라서 애플리케이션 보안과 성능에 관한 모범 사례를 염두에 두는 것이 매우 중요합니다.

코드 리뷰는 코드를 최적화하고 잠재적인 버그를 식별하는 데 도움이 됩니다. 또한 가능한 한 철저하게 테스트해야 합니다. 장치가 실제 운영 환경에서 직면할 수 있는 모든 테스트 케이스를 빠짐없이 작성하십시오.

6단계: 유지보수 및 지원

다른 애플리케이션이나 장치와 마찬가지로, 임베디드 장치 역시 배송 및 설치가 완료되었다고 해서 수명 주기가 끝나는 것은 아닙니다. 장치가 실제 환경에서 사용되면서 새로운 사용 사례가 발견되고, 이에 따라 새로운 기능 추가가 필요할 수 있습니다. 보고된 버그를 해결하기 위해 펌웨어 업데이트를 배포해야 할 수도 있습니다.

주요 임베디드 프로그래밍 언어

IEEE나 TIOBE와 같이 프로그래밍 언어의 인기와 사용량을 기준으로 순위를 매기는 공신력 있는 기관들이 많습니다. 하지만 TIOBE 인덱스를 확인하든 IEEE 스펙트럼을 확인하든, 공통적인 흐름을 발견할 수 있습니다.

상위 3개 언어는 항상 C, Python, Java입니다. 2021년 7월 TIOBE 인덱스에서는 C가 1위, Java가 2위, Python이 3위를 차지했습니다. 임베디드 프로그래밍 언어에 대한 IEEE 스펙트럼의 순위는 Python, Java, C 순입니다.

Java, C, Python으로 작성된 펌웨어는 어떤 차이가 있을까요?

언어마다 메모리 관리, OS와의 상호작용, 런타임 처리 방식이 다릅니다. 예를 들어, Java 애플리케이션은 JVM(Java Virtual Machine)이라고 하는 특수한 런타임 환경에서 실행됩니다.

C/C++의 메모리 관리는 수동으로 이루어지지만, Java나 Python에서는 직접 관리할 필요가 없습니다. 언어 차원에서 이를 대신 처리해주기 때문입니다. 더 나아가 C에서는 가비지 컬렉션을 직접 수행해야 합니다. 즉, 메모리를 동적으로 할당했다면 명시적으로 해제해야 하며, 그렇지 않으면 메모리 누수가 발생합니다. Java나 Python에서는 가비지 컬렉션이 자동으로 수행됩니다. 하지만 C는 본질적으로 Java나 Python보다 훨씬 빠릅니다.

C와 Java(특히 C)가 Python에 비해 부족한 점 중 하나는 타사 라이브러리의 가용성입니다. Python은 라이브러리 데이터베이스가 훨씬 풍부하여 개발자가 특정 기능을 추가하기가 훨씬 쉽습니다.

전반적으로 다음과 같은 경우 C를 선택하세요:

• You want a low-level interface with the operating system and hardware.
• You want the best possible performance.
• Your developers are skilled at C/C++.
• Don’t need too much external/third-party support.

다음과 같은 경우 Python을 선택하세요:

• 데이터 과학이나 머신러닝 알고리즘을 구현하려는 경우.
• 풍부한 타사 라이브러리 지원이 필요한 경우.
• 사용 편의성을 위해 속도를 어느 정도 희생할 의향이 있는 경우.
• 임베디드 개발 경험이 부족한 경우.
• OS나 하드웨어와의 로우 레벨 인터페이스가 필요 없는 경우.

다음과 같은 경우 Java를 선택하세요:

• 웹 애플리케이션을 구축하는 경우.
• C보다는 개발이 쉬우면서도 Python보다는 높은 성능을 원하는 경우.
• 외부/타사 지원이 크게 필요하지 않은 경우.

C가 임베디드 개발에서 점차 최고의 선택지에서 밀려나게 될까요?

고급 언어는 C에서 피할 수 없는 복잡성을 추상화하여 코딩을 더 쉽게 만들어 줍니다. 하지만 수십 년 동안 더 화려한 언어와 프레임워크가 등장했음에도 불구하고, C는 여전히 임베디드 개발에서 최고의 선택지로 남아 있습니다.

이는 C가 제공하는 속도, 성능, 신뢰성이 여전히 독보적이기 때문입니다. Python과 Java 생태계의 상당 부분(런타임, 언어, 컴파일러 포함)이 C로 작성되었다는 사실은 이 언어의 효율성과 내구성을 잘 보여줍니다.

그럼에도 불구하고, Python과 같은 언어의 단순함을 선호하는 신규 개발자들에게 C는 배우기 어려운 것이 사실입니다. 이로 인해 C 개발자 커뮤니티의 규모가 눈에 띄게 줄어들고 있습니다. 또한 AI 및 ML 애플리케이션 개발이 증가하면서 더 나은 라이브러리 지원을 제공하는 Python을 선택하는 사람들이 늘고 있습니다.

Python이 최고의 임베디드 프로그래밍 언어 논의에 포함된 것은 최근의 일이라는 점을 기억해야 합니다. 앞으로 채택률이 계속 높아질 수는 있겠지만, C가 임베디드 개발의 핵심 선택지에서 완전히 사라지지는 않을 것으로 예상합니다.

C/C++에서 보안 코딩이 중요한 이유

C/C++로 코드를 작성할 때는 많은 문제가 발생할 수 있습니다. 더 이상 유효한 데이터를 가리키지 않는 메모리 주소에 접근하거나 스레드 간에 데이터를 잘못 공유하면 전체 애플리케이션이 충돌할 수 있습니다.

임베디드 장치의 경우, 내부 충돌이 더 큰 기계의 작동 중단으로 이어질 수 있기 때문에 이러한 영향은 훨씬 더 심각합니다. 예를 들어, 자동차의 자동 조종 모듈이 종료되면 자동차는 더 이상 장애물을 피할 수 없게 됩니다.

C/C++ 애플리케이션의 보안 코딩이 중요한 이유는 다음과 같습니다.

• 불안전한 메모리 처리(널 포인터, 메모리 손상, 스택 오버플로우, 버퍼 및 힙 오버플로우)는 애플리케이션 전체의 충돌을 야기합니다.
• 포인터는 C와 C++의 핵심 요소입니다. 이를 다룰 때는 각별한 주의와 기본 개념에 대한 깊은 이해가 필요합니다.
• 가비지 컬렉션이 수동으로 이루어지므로 프로그래머가 동적으로 할당된 메모리를 직접 해제해야 합니다. 메모리를 해제하지 않거나 잘못 해제하면 메모리 누수나 손상이 발생할 수 있습니다.
• 고급 데이터 구조(예: 해시 테이블, 세트 등)를 위한 표준화된 API가 부족하여 개발자가 매번 기능을 직접 구현해야 하는 번거로움이 있습니다.

개발자가 C/C++ 애플리케이션 보안 코딩 교육을 받는 것은 매우 중요합니다. Secure Code Warrior는 대화형 챌린지, 과정, 평가를 포함한 개인 맞춤형 학습 플랫폼을 제공하여 개발자가 안전한 C/C++ 코드를 작성할 수 있도록 지원합니다. 이는 단순한 개념 교육을 넘어 특정 언어 및 프레임워크에 최적화된 실무 중심의 콘텐츠를 제공합니다.

당사가 자동차 및 운송 산업을 지원하는 방법을 확인해 보세요. 또는 임베디드 중심 코딩 챌린지를 지금 바로 체험하고 개발자가 안전한 임베디드 애플리케이션을 작성할 수 있도록 돕는 당사의 역량을 확인해 보시기 바랍니다!‍