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1부전반적인 자동차

네트워킹에 관한 소개

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1부: 전반적인 자동차 네트워킹에 관한 소개

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차량용 이더넷을 위한 동기 부여: 장점과 기회 Colt Correa 저

1.1 도입새로운 네트워크 기술을 자동차 산업에 도입하거나 기존의 기술을 대대적으로 수정하는 것은 굉장히 비용이 많이 들고, 위험이 높으며 또한 어려운 일이다. 자동차는 최초 구매 시점 이후로 수십 년간은 작동할 것이라고 기대되며 귀중한 사람을 싣고 다닌다. 이는 곧 신기술 도입에 수반되는 많은 숫자의 하드웨어와 소프트웨어의 변경에 광범위한 테스트와 입증이 필요함을 뜻하는데, 이러한 테스트와 입증 과정에는 많은 비용 및 시간이 든다. 그 어떤 신기술이라도, 성공을 위해서는 그 기술이 앞서 말한 위험과 비용을 훨씬 뛰어넘는 장점을 제공할 수 있어야만 하고, 이것이 자동차 분야에서의 변화가 전통적으로 더디게 진행되어온 이유를 설명한다. 하지만 앞으로 이 장에서 설명할 것처럼, 우리는 이더넷이 이 기술의 도입과 관련된 그 어떤 단점들도 능가할 수 있는 산업 장점과 기회를 제공한다고 믿으며 그 결과로, 우리는 새로운 시대의 출발점에 서 있다.

오늘날은 차량용 전자 부품에 관심을 가지기에 매우 흥미로운 시점이다. 우리는 이미 적응형 순향 제어장치, 액티브 차선이탈방지 시스템, 자동 주차 시스템과 같은 혁신적 기능의 도입과 자동운전 자동차를 도로에서 목격할 수 있다. 차량용 이더넷(Automotive Ethernet, AE)은 오늘날의 기술 적용에 필요한 대역폭 및 앞으로의 진전과 더 많은 가능성의 실현을 가능하게 하는 더 뛰어난 작동을 위한 잠재성을 제공한다.

1장

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차량용 이더넷은 고속화 및 다면화된 커뮤니케이션의 토대가 될 것이며 이는 10년 전 공상과학영화에서나 볼 수 있었던 자동차 기술들의 실현을 가능하게 할 것이다. 자동차 산업은 신기술혁명의 시작점에 서 있으며 이 혁명의 참여자들은 차량용 전자부품 시장이 계속해서 확장됨에 따라 많은 분야에서 큰 이익을 얻게 될 것이다. 지금 자동차 산업에서 시작한 이 이더넷 혁명은 1990년대의 계측제어기통신망(Controller Area Network,CAN)보다 훨씬 더 크고 중요한 역할을 할 것이다.

1.2 두 세계의 충돌이더넷이 최초로 개발되고 40여 년이 지난 후인 2013년에서야 최신의 차량 네트워킹 기술인 차량용 이더넷이 탑재된 BMW의 X5이 도입된 것은 흥미로운 일이다. 여기서, 왜 이렇게 많은 시간이 흐른 뒤에야 비로소 이더넷이 차량 네트워킹을 위한 매력적인 선택지가 되었느냐는 명백한 의문이 제기될 수도 있다. 30년 이전으로 돌아가보면, 전통적으로 차량 내부 네트워크는 가정, 사무실, 데이터 센터, 그리고 심지어 다른 종류의 산업 환경에서 사용된 이더넷 중심의 네트워크와는 별개로 개발되고 시행되었다. 이를 설명하는 주요 원인으로 다른 응용 프로그램과 차량 네트워킹 및 전자 부품의 요구사항 사이의 중대한 차이점들을 들 수 있다. 그리고 이 차이점들의 많은 부분(2장-4장에서 설명)들이 최근까지도 차량 산업 내 실용적 해결책이 될 수 있는 이더넷의 도입을 방지해왔다.

Well, you are a li,le spoiled on EMC, power hungry, and over 40!

Why don’t you love me?

Everyone else does!

But, I just might need you, so will you change for me?

Yes, I will change with

some help from Broadcom!

그림 1-1: 전자파 적합성(electromagnetic compatibility, EMC), 비용, 그리고 다른 고려사항들과 같은 기술적 문제들로 인해 가정과 사무실에서 수십 년간 사용된 이더넷 네트워크는 일반적으로 차량내부의 사용을 위해 실행 가능한 옵션으로 여겨지지 않았다. 하지만 몇 년 전 브로드콤이 차량 네트워킹이 필요로 하는 특수 요구사항들을 충족할 수 있도록 구체적으로 디자인된 BroadR-Reach이라는 이더넷 이형을 개발했다. 이더넷과 자동차: 40년째 진행중인 사랑! [그림 출처: Broadcom Corporation]

하지만 지난 몇 년간, 모바일 혁명에서 비롯한 전자 부품 산업 및 선진화된 전자 부품 특성에 의해 촉진된 자동차 산업 모두에게 일어난 중대한 변화는 각각 소비자와 차량 전자 부품을 위한 요구 사항 사이의 많은 부분이 겹치게끔 만들었다.

예를 들어, 작은 크기, 긴 배터리 수명, 그리고 경제성이 필수적인 특성들을 이루는 이동통신 기기의 폭발적인 인기는 제조업자들로 하여금 끊임없이 더 작은 크기, 더 높은 에너지 효율성과 저비용을 목표로 삼게 하였다. 이 특성들은 특히 해마다 연료경제성의 중요성이 더욱더 부각되는 현 시대에 차량 전자부품이 추구하는 필수 요소들과도 겹친다.

반대로, 기존 차량 네트워킹의 준수한 수준의 대역폭 요구 (이더넷이 전통적으로 지원했던 대역폭을 훨씬 하향하는)는, 지금은 첨단 운전자 지원 시스템 (advanced driver

왜 나를 사랑하지 않아? 모두가 날 사랑해

글쎄, 넌 일단 EMC적인 문제가 많고, 전원도

많이 잡아먹는데다가 40살이 넘었잖아!

하지만 언젠가 필요할지도 모르니, 나를 위해 좀 변하

지 않겠니?

그래, 브로드콤

(Broadcom)의 도움을 받아 바뀌도록

할게!

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1장: 차량용 이더넷을 위한 동기 부여: 장점과 기회

assistance systems, ADAS), 하이브리드 및 전기 차량, 능동 안전 시스템과 같은 신기술 또는 강화된 기술로 인해 변하고 있는 실정이다. 최근 차량 내부 내트워크를 위한 네트워크 수용량 요구가 급상승했으며 이러한 추세는 당분간 멈추지 않을 것으로 보이며, 또한 이 요구는 CAN 또는 FlexRay와 같은 전통적 차량 네트워크의 능력 범위를 벗어나는 동시에 이더넷이 더 자연스러운 선택이 되도록 한다.

앞서 언급된 이유들과 또 다른 이유들로 인해, 우리는 현재 차량용 전기제품의 세계와 네트워크, 그리고 가전제품의 세계와 네트워크의 융합을 목격하는 중이다. 그리고 이더넷으로의 움직임이 이 흐름을 보여주는 최고의 예시이다.

PAST

PRESENT FUTURE

ETHERNET

그림 1-2: 과거에, 가전제품과 차량 전자제품은 요구사항과 주안점의 차이로 인해 두 개의 다른 세계에 속했다. 최근 두 산업 모두의 변화는 두 세계가 더 친밀히 연결되고 서로와 관계를 맺도록 변했고, 이러한 집중성의 추세는 미래에도 계속될 것이다. 이는 이더넷의 지원을 받아 밝은 미래를 가진 새로운 세계의 탄생을 의미한다.

1.3 차량 전자제품 - 성장을 위한 시장 이 책에서 우리는 “오래됐지만 새로운(old but new)” 기술의 사용을 통해 이 회사들이 얻을 수 있는 장점들을 설명하면서 주로 자동차 회사들의 관점에서 차량용 이더넷을 설명하고자 한다. 하지만, 그 반대의 경우도 역시 사실이다: 비차량 기술 회사들 역시 규모가 크고 증가 추세에 있는 차량 전자부품 세계를 기회로 활용할 수 있는 엄청난 기회가 기다리고 있다. 2장에서 우리는 오늘날 자동차 비용의 최대 45%가 전자부품 컨텐츠와 관련있음을 확인할 것이며 이 수치는 계속해서 증가할 것으로 예상된다. 2013년 현재 글로벌 자동차 산업의 크기가 6천5백4십만 승용차 대수에 이른다는 것을 감안하면 전통적 네트워킹 분야로부터 자동차산업에 유입되는 새로운 공급자들은 굉장히 규모가 크며 새로운 시장에 접근하게 될 것이다.

그리고 우리는 일례로 브로드콤의 무선 연결성 디렉터인 리차드 베레트(Richard Barrett)의 다음과 같은 설명을 통해 앞서 언급된 현상을 목도할 수 있다:

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“브로드콤에서의 나의 역할은 무선 연결성에 관한 우리의기술적 능력과 전문성을 자동차 산업에 소개하는 것이다... 브로드콤은 내부 차량 고속 연결성과 컨텐츠 스트리밍을 위한 길을 닦고 있다. 자동차 시장은 Strategy Analytics의 최근 보고서에서 이 시장이 2020년까지 390억 달러 규모로 성장할 것이라고 발표한 결과에서 나타난 것처럼 반도체 기업을 위한 엄청난 기회를 상징한다. 브로드콤은 자동차를 지능형 연결성을 위한 차세대 선구자이자 도약처(platform)로 상정하며 또한 자동차 공간 내에서의 지속적 혁신을 위해 선두적 자동차 제조사들 및 상위 공급자들과 파트너십을

맺는다.”

- 리차트 베레트, 브로드콤의 무선 연결성 디렉터

자동차 및 전통적 네트워킹 시장의 상대적 크기에 대한 설명 제공을 위해 우리는 매년 전세계로 출하되는 전통적 네트워크 제품에 설치된 이더넷 포트의 숫자와 새로운 자동차에 설치된 CAN 노즈의 숫자를 비교하기로 했고 몇몇은 우리가 제시하는 결과에 놀라움을 표할 것이다. 2014년 현재 매년 대략 모든 속도와 종류를 포함하는 4억 개의 유선 이더넷 포트가 출하된다. 이와 반대로 매년 새로운 자동차에 사용되는 CAN 노즈의 숫자는 줄잡아 보아도 대략 12억 개라고 추정된다. 이는 이더넷 포트의 세배에 달하는 수치이다!

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400 millionWIRED ETHERNET

PORTS IN 2014

1.2 billionCAN NODES IN 2014Wi-Fi CONTROLLERS IN 2014

800 million

그림 1-3: 2014년 현재까지 매년 전세계로 수송되는 CAN 노즈의 개수가 유선 이더넷 포트의 개수의 대략 세배 가량이며 이 수치는 유선 이더넷 포트와 무선 Wi-Fi 컨트롤러를 합한 숫자와 거의 같다.

1.4 이더넷 - 가능성의 바다 지난 수십 년간 이더넷이 근거리통신망 (local area networks, LANs)의 기본 기술이었기 때문에 이더넷은 모든 종류의 통신 개발에 있어 중요한 위치를 차지했다. 이더넷 네트워크에 더하여 많은 기능을 제공하기 위한 다수의 전송기술 및 프로토콜이 이미 개발 및 시행되었으며 또한 시간을 거쳐 입증되었다.

인터넷 연결성과 응용 프로그램을 시행하는 프로토콜 슈트인 TCP/IP는 이메일, 월드 와이드 웹 접속, 파일 전송, 인스턴트 메신저와 같은 기능 및 기타 다수의 필수적 역량을 수반하며 이더넷의 개발 이후로 계속 이더넷에 사용되어 왔다. 오디오 비디오 브리징 (Audio Video Bridging, AVB) 역시 이더넷을 넘어설 수 있도록 디자인된 또다른 통신표준 세트인데 이는 네트워크를 고품질 인포테인먼트 시스템에 적합한 오디오와 비디오 스트리밍을 가능하게 하는 실시간 시스템으로 전환해준다. TCP/IP, AVB, 다른 통신 슈트들이 이더넷 네트워크에 제공하는 수 천 개의 응용 프로그램에 더해 주소 해석, 네트워크 추적, 시각 동기, 그리고 다른 지원기능을 시행하는 많은 프로토콜들이 있다. 이 모든 것들은 IEEE와 국제인터넷표준화기구 (Internet Engineering Task Force, IETF)과 같은 그룹들에 의해 정립된 기준에 따라 규정되었다.

이 모든 프로토콜, 슈트, 애플리케이션, 유틸리티는 하위계층의 이더넷 시행에도 불구하고 그 어떤 종류의 이더넷에서도 작동할 수 있도록 디자인되었다. 따라서, 이더넷의 자동차 탑재는 앞서 언급된 역량들을 자동차에서도 즉각적으로 찾아볼 수 있음을 의미한다. 이는 또한 차량 응용 프로그램 개발자들에게는 산업 표준화되었고, 폭넓게 시행 중이며, 철저하게 확인된 거대한 기능 및 능력에 접근할 수 있도록 한다.

더 나아가, 이더넷은 자동차 회사들에게 단지 다수의 프로토콜과 애플리케이션을 제공하는 것 뿐만 아니라 그들에게 훨씬 더 넓은 인적 자본에 접근할 수 있게 하며, 이는 이전에는 불가능했던 종래의 기술과 차량기술회사 사이의 시너지를 가능하게 한다. 더 이상 차량 내 전자제어장치(electronic control unit, ECU)간의 커뮤니케이션이 산업 특성화된 기술에만 기반하지 않을 것이다; 그들은 거의 모든 다른 산업에서도 찾아볼

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수 있는 같은 기술을 사용할 것이다. 이는 반대로, 이제껏 추측만 가능했던 선진화된 특성과 사용의 가능성을 열어줄 수 있는 산업간의 협조 및 상상조차 불가능한 산업간의 협조를 더 용이하게 할 것이다. 우리는 곧 전통적으로 가정이나 전문적 시스템에서만 찾아볼 수 있었던 선진 오디오 및 비디오 스트리밍 기능을 갖춘 자동차; 요금소에서 직접 대화하는 자동차; 지능형 충전시스템을 갖춘 자동차를 갖게 될 것이며 자율 주행차(autonomous vehicle) 분야 내 훨씬 더 많은 발전을 목격할 수 있을 것이다. 차량 및 비 차량 산업간의 통합추세는 캘리포니아에 위치한 반도체 회사인 브로드콤과 같은 회사가 선도하고 있는데, 이 회사는 전통적으로 회사 수익의 대부분을 차량산업이 아닌 곳에서 벌어들였지만 이제는 자동차 산업 내에서 더 큰 위치를 차지하게 됐다.

1.5 대역폭과 미래대비 기술의 증대 지난 20년간 자동차 세계의 전자부품 엔지니어들이 맞닥뜨렸던 도전과제들 중 하나로는 주요 차량 네트워킹 기술인 CAN이 제공하는 대역폭의 부족이 있다. 1980년대 Bosch사에 의해 CAN이 처음으로 개발됐을 때, CAN의 1Mb/s 정격회전속도는 그 시대에서 필요로 하는 속도를 상회했다. 하지만, 자동차 산업은 마이크로프로세서의 트랜지스터 집적(transistor density), 그리고 따라서 연산력 역시 2년마다 두 배로 증가한다는 무어의 법칙(Moore’s Law)에서 자유롭지 못하다. ECU의 연산력이 증가함에 따라 이 ECU를 연결하는 네트워크를 위한 대역폭 요구 역시 함께 증가한다. 지난 20년간 자동차 내 ECU는 이전의 것보다 훨씬 더 강력해졌지만 CAN의 고정된 1Mb/s 속도는 오늘날 차량 대부분에게 부적합하다.

이 장 앞부분에서 이미 밝혔듯, 새로운 네트워킹 기술로 전환하는 것은 매우 어려운 과제이다; 우리는 한때 FlexRay를 둘러쌌던 흥분과 노력을 재고함으로써 이 어려움의 예시를 볼 수 있다. 이더넷을 차량으로 전환시키는 것 또한 많은 노력을 요구할 것이지만 여기에는 하나의 큰 차이점이 있다: 이더넷이 차량에 탑재된 이후 이 기술은 단지 과거에 입증된 기술일 뿐만 아니라 미래에도 적응이 가능한 능력이 입증된 기술임을 보장한다. 이더넷이 이토록 긴 시간 동안 성공적이었을 수 있었던 이유들 중 하나로는 이 기술이 기존 시스템과의 하위호환성을 유지하면서도 진화, 변화, 계속해서 증가하는 대역폭 요구사항을 지원하는 능력을 갖췄기 때문이다.

7장에서 우리는 OSI 참조모델(OSI Reference Model)을 더 자세하게 살펴볼 것이며, 이는 통신규약 스택의 개념 및 네트워킹에 대한 계층적 접근이 부여하는 엄청난 장점들을 설명한다. 이더넷은 이러한 네트워크 디자인의 모듈식 접근법의 최대수혜자 중 하나이다. 이 접근법은 모든 상위계층 프로토콜과 소프트웨어는 변경 없이 유지하면서도 새로운 케이블 타입과 더 빠른 운영속도의 시행을 위해 물리적 계층(OSI 모델의 1계층)에서 하위계층 시행세부에서의 엄청난 변화를 가능하게 한다. 이는 곧 이더넷 위에서 작동하는 AVB, TCP/IP 및 다른 기술들이 제공하는 프로토콜 기능성이 네트워크 처리량의 10배 이상의 증가만큼이나 극적인 변화 속에서도 지속됨을 의미한다. CAN에서 FlexRay로의 전환이 그랬던 것과는 다르게 이더넷은 하위계층 네트워크가 변한다 해도 완전히 새로운 통신규약 스택을 시행할 필요가 없다.

1970년대 초 Xerox사의 Palo Alto Research Center에서 처음 개발된 이더넷과 오늘날 보통의 가정이나 사무실 LAN에서 작동하는 고속 이더넷은 거의 유사한 점이 없다. 서버룸과 데이터 웨어하우스에서 사용되는 고속 이더넷 버전 사이에서는 그 유사성이 더 떨어진다. 이러한 변화에도 불구하고 이 모두가 다 이더넷이다; 세부사항은 바뀌었을지언정 기초는 대부분 그대로 유지된다. 그리고 이것은 이더넷의 자동차 세계로의 전환에서도 유효하다. 브로드콤의 BroadR-Reach 기술은 단일 비차폐연선을 통해

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100 Mb/s 대역폭을 제공한다. 이 트랜스미션의 방법은 이전의 다른 이더넷 종류에서는 사용된 적이 없지만 상위계층에서의 이더넷과 자연스럽게 통합되고 똑같이 작동한다.

BroadR-Reach는 이미 생산된 자동차에 탑재되었으며 2014년 현재 One Twisted Pair 100 Mb/s Ethernet (1TPCE) 태스크그룹 아래 IEEE 802 표준화 절차를 밟고 있다. 동시에, 같은 기술의 훨씬 더 빠른 이형인 Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet (RTPGE)가 개발 중이다. 이 기술은 미래 애플리케이션의 요구에 맞춰 차량용 이더넷의 속도를 1 Gb/s까지 끌어올릴 것을 약속하는 동시에 완전한 소프트웨어 호환성을 유지한다. 차량 대 차량 및 차량 대 인프라 “커넥티드 카(connected car)” 애플리케이션을 위한 이동무선기술 역시 진행 중이며 이 기술은 또한 미래의 자동차에 있어 필수가 될 보이스오버 IP, 비디오/오디오 커뮤니케이션, 실시간 데이터 스트리밍, 그리고 다수의 다른 기능들을 가능하게 하는 폭 넓게 확립된 프로토콜을 지원한다.

핵심정보: 이더넷의 40년 역사동안 이 기술이 이토록 성공적일 수 있었던 이유는 바로 상위계층 프로토콜과

소프트웨어와의 하위호환성을 유지하면서도 변화, 진화, 계속해서 증가하는 대역폭을 지원할 수 있는 능력을 갖췄기 때문이다. 이더넷 기술이 자동차회사에 제공할 수 있는 핵심장점들은 이 기능성의 기반을 활성화할 수 있는 능력을 갖춤과 동시에 미래에 더 굉장한 퍼포먼스를 불러오는 상위호환성을 가능하게 하는 것이다.

향후 몇 년 이내 차량용 이더넷 속도가 1 Gb/s를 도달하면 미래의 자동차들은 현재의 네트워크로는 불가능한 여러 기능들 작동의 기반이 될 플랫폼을 갖추게 될 것이다. 예시는 다음과 같다:

• 운전자의 차선이탈 또는 발생 가능한 충돌을 경고하기 위한 저비용 및 더 잘 통합된 레이더 및 비디오 시스템

• 악천후 상황에서 차량의 정지마찰력 감소를 방지하기 위한 더 빠르고 개선된 안전성 제어시스템

• 운전자를 모니터하고 시스템이 운전자가 조는 것을 감지했을 때 경고를 내보내는 비디오 시스템

• 사람의 개입 없이 주행 중에 충전이 되는 중앙제어장치에 실시간 비디오 정보를 제공하는 서라운드 카메라

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1973 / 2.94Mb/sInvention of Ethernet

Time

Ban

dwid

th

1983 / 10Mb/s (10base5)First IEEE 802.3 Standard 1990 / 10Mb/s (UTP)

Unshielded Twisted Pair

1995 / 100Mb/s (UTP)Fast Ethernet

1998 / 1000Mb/sUnshielded Twisted Pair

Cable (UTP)

2002 / 10Gb/sUnshielded Twisted Pair

Cable (UTP)

2010 / 100Gb/sUnshielded Twisted Pair

Cable (UTP)

2013 / 100Mb/sBroadR-Reach Production

Vehicle

1997 / 2Mb/sLook mom no wires!!

2009 / 300Mb/s802.11n

2002 / 54Mb/s802.11g

2013 / 7Gb/s802.11ac

201? / 1Gb/sRTPGE Planned

2010 / 29Mb/s802.11p

그림 1-4: 이더넷이 성공적일 수 있었던 이유는 이더넷을 사용하는 기술들이 크게 변화할 필요 없이 이더넷이 변화, 진화, 계속해서 증가하는 대역폭을 지원할 수 있는 능력을 갖추고 있는데 있다. 이는 다른 자동차 네트워크 기준에 비해 이더넷이 가지는 큰 장점이다.

1.6 양방향, 패킷교환방식, 주소기반의 네트워킹 현대 이더넷이 자동차 세계에 가져다 주는 이점들의 많은 부분은 직접적으로 이더넷의 뛰어난 기술적 특성들에서 비롯된다. 이 특성들이 이 책이 다루는 대부분의 주요 주제이며 따라서 다음 장들에서 자세하게 설명될 것이다. 하지만 우리는 독자들로 하여금 이더넷이 차량 애플리케이션에 대해 현재 엄청난 관심을 받고 있는 이유를 잘 이해하기 위해서는 이더넷의 특성들 중 일부를 먼저 요약하는 것이 유용할 것이라 생각했다.

1.6.1 양방향 운영“양방(duplex)”의 개념은 5장에서 완전하게 설명될 것이며, 이는 네트워킹에 관한 유용한 전반적 배경지식을 제공한다. 하지만 아주 간결하게 말해서, 양방향 운영은 두 개의 연결된 장치가 전송 및 수신을 동시에 할 수 있음을 의미한다. 이러한 기능은 전통적 공유 네트워크와 비교했을 때 세가지 관련 장점들을 제공한다. 첫 번째, 양방향 운영은 장치가 차례를 기다리지 않고 동시 전송 및 수신을 할 수 있음을 의미한다.

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두 번째, 이는 더 큰 전체 대역폭을 의미한다. 100 Mb/s BroadR-Reach를 예로 들면 우리는 데이터를 전송하고 수신하는 경우를 고려할 때 이론적으로 최대 200 Mb/s의 전체 처리량을 가질 수 있다. (실제로 양방향에서의 링크 완전포화는 자주 생기지 않지만, 만약 한 번에 한 장치만 송신할 수 있다면 우리는 자주 100 Mb/s 제한을 넘게 될 것이다.) 그리고 세 번째, 양방향 운영은 다른 쌍의 장치들과 AVB처럼 선진화된 기능들 사이의 동시 통신을 위한 길을 열어준다.

1.6.2 패킷 교환방식패킷 교환은 패킷 또는 다른 이름으로도 불리는 작은 메시지로 커뮤니케이션의 단위를 쪼갠다; 이더넷의 경우 프레임을 가장 보편적으로 사용한다. 이 메시지들은 네트워크를 통해 블록 단위로 전송될 수 있으며, 네트워크가 다양한 장치들로부터의 트랜스미션을 믹싱하면서 동시에 네트워크를 통해 그 트랜스미션을 전송하는, 다수의 데이터 교환이 동시에 일어날 수 있게 한다. 현대적 스위치는 다수의 송신자가 보낸 프레임의 처리를 위한 전기회로망을 지니며, 이 프레임을 각각 적합한 수신자에게 보낸다; 이는 단지 다양한 교환뿐만 아니라 많은 경우, 다수의 동시 교환 역시 가능하게 한다.

더 구체적인 설명을 위해 그림 1.5에 보이는 단순 교환 BroadR-Reach 네트워크를 살펴보자. 여기서 헤드유닛(Head Unit)과 스피커(Speaker)사이의 메시지는 양 방향으로 각각 100 Mb/s의 속도로 전송될 수 있으며 이는 디스플레이와 콘솔 사이의 메시지 전송에서도 같으며, 또한 동시에 일어날 수 있다. 따라서, BroadR-Reach의 속도가 100 Mb/s로 정해져 있다 하더라도, 만일 이 모든 장치가 전속력으로 전송을 한다면, 전체 (이론적) 처리량은 400 Mb/s가 되는 것이다!

Head UnitRadio/DVD/NAV

Display Console Speaker

Integrated Unit

Port 0

Port 1 Port 2 Port 3

SWITCH100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

그림 1-5: BroadR-Reach와 같은 패킷 교환방식의 양방향 네트워크는 구체적으로 명기된 기본 속도보다 훨씬 더 높은 전체 처리량의 지원이 가능하다. 이 도표는 BroadR-Reach 네트워크가 400 Mb/s 전체 대역폭을 지원하는 것을 보여준다.

1.6.3 주소기반 메시징모든 이더넷 메시지는 출처주소와 수신지 주소가 있다. 수신지 주소는 스위치가 지정하고자 하는 수신인으로 메시지를 보내기 위해 이용된다; 출처주소는 수신지에 의해 읽힐 수 있으며 어떤 필요한 대응을 위해서라도 이용 가능하다.

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스위치의 메시지 처리 기능은 자동차 세계의 게이트웨이와 비교될 수도 있지만 이 사이에는 한가지 큰 차이점이 있다. 게이트웨이는 네트워크 접속형태가 변경되면 이에 따라서 반드시 변해야만 하는 ECU내 소프트웨어의 지원을 받는다. 하지만 스위치들은 최초 구성 이후 네트워크 배열의 변화와 상관없이 자동적으로 이더넷 메시지를 의도한 수신인으로 보내기 위해 함께 연결될 수 있기에 더 “투명한(transparent)” 방식으로 기능한다. 이는 추가 장치가 장착됐을 때 네트워크에 스위치를 더 첨가하는 것을 손쉽게 만들고, 이러한 용이성이 다양한 사이즈의 네트워크 생성을 가능하게 한다.

이처럼 스위치의 유연하고 강력한 행위가 왜 많은 제조업자들이 비록 특정 하위시스템에서는 다른 네트워킹 기술들이 사용될지라도 이더넷을 차량의 기간망으로 시행하고자 하는지를 설명해주는 큰 이유이다.

그림 1-6: 교환 네트워크에서는 네트워크의 요구가 증가함에 따라 스위치를 추가하기가 쉽다. 이 스위치들은 어떤 장치라도 다른 장치에 데이터를 자동적으로 보낼 수 있게 서로 소통할 것이며 또한 ECU사이의 다수의 독립적 데이터 교환도 처리할 수 있다.

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그림 1-7: 이더넷의 내재된 특성들이 이더넷으로 하여금 다수의 도메인을 연결하는 차량 내부 기간망의 좋은 후보가 되게 해준다.

1.7 전기 절연이더넷 네트워크의 필수 특성 중 하나는 물리적 계층 시행의 전기 절연 필요조건인데, 이는 IEEE 802.3 표준에 기술되어 있고, 표준 IEC 60950-1:2001, 정보기술기기 - 안전성(Information Technology Equipment - Safety)의 구체적 사항에 기반한다. 이러한 절연 요구사항은 구체적 이더넷 속도와 케이블링 인터페이스에 따라 변하지만, 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet)과 같은 새로운 종류의 경우, 이더넷 콘트롤러와 케이블 사이의 인터페이스는 다음 세가지 전기적 시험 중 적어도 하나를 통과해야 한다:

1. 60초간 50 Hz에서 60Hz 사이에 1500 Vrms

2. 60초간 2250 Vdc

3. 최소 1초 이상의 간격이 적용됐을 때, 10번의 2400V 전압 교번 극성(alternating polarity)

이러한 제한은 이더넷 시행이 엄격한 전기적 환경에 대해 굉장한 탄력성을 가지게 하며, 또한 이더넷이 장거리, 고속 트랜스미션 및 공장 자동화에 있어 엄청난 인기를 끌게 된 이유들 중 하나를 설명해준다. 브로드콤의 BroadR-Reach 기술은 그만의 독자적 절연 요구사항이 있으며 이는 자동차전장협회(Automotive Electronics Council)의 AEC-Q100 내역의 지배를 받는다.

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비교 대상으로, CAN의 경우 ISO 11898-2 사항은 능동형 통신(active communication) 중 오직 직류 동상 전압 방해(DC common mode Voltage disturbance) 의 4.5V만 허용한다. 절연의 5,000 V를 제공하는 CAN 트랜시버도 있기 때문에, 공식적 표준을 훨씬 넘어서는 특정 시행도 있을 수 있다. 하지만, 이더넷의 그 어떤 시행도 굉장히 높은 수준의 내재적 절연을 제공한다는 것이 이더넷의 주목할만한 이점이다.

100 Mbps Symmetrical Operation Using StandardEthernet PHY Components

100 Mbps RX

100 Mbps TX

PHY

Standard IEEE 802.3100Mbps MAC Interface

100 Mbps

Full Duplex 100 Mbps Single-Pair Operation Achieved

Only Change is to Wire-side,MAC-side Remains the Same

Standard IEEE 802.3100Mbps MAC Interface

100 Mbps TX

100 Mbps RX

MACPHYMAC

100 Mbps

그림 1-8: 브로드콤의 BroadR-Reach 기술은 단일 쌍 연선을 통해 100 Mb/s 양방향 트랜스포머 또는 용량결합(capacitive-coupled) 트랜스미션을 제공한다. 이 물리적 계층 실행 위의 모든 것들이 널리 사용되고 있는 다른 이더넷 실행에 공통적으로 적용된다.

1.8 이더넷 전원장치(Power over Ethernet, PoE)와 데이터라인 전원장치(Power over Data Lines, PoDL)

전통적으로, 연결된 전기 장치들은 항상 두 개의 연결부를 요구했다: 하나는 그들을 네트워크에 연결하기 위함이고 또 다른 하나는 전원을 제공하기 위함이다. 이는 사무실과 같은 정통적 네트워킹 환경과 자동차 네트워크 모두의 경우에 해당한다. 사무실에서, 분리된 전원 및 데이터라인을 제공해야 하는 필요는 그다지 큰 일이 아니다; 어쨌든, 벽면 모든 곳에 콘센트가 있기 때문이다. 하지만, 빌딩에서도, 같은 케이블을 통해 전원과 데이터를 전송할 수 있는 것이 이로울 수 있는 상황도 있다.

이러한 요구를 충족하기 위해, 이더넷 엔지니어들은 데이터를 나르는 이더넷 케이블에서 같이 직류 전원을 나를 수 있도록 하기 위한 기발한 방법을 고안했다. 이 기술이 이더넷 전원장치(Power over Ethernet, PoE)라고 불리는데, 이는 2003년, 15.4W의 전원을 표준 이더넷 케이블을 통해 제공할 수 있는 방법을 기술한다. 이는 2009년에 25.5W로 늘어났으며, 이렇게 개선된 기술은 종종 PoE Plus 또는 PoE+라 불린다. 적절한 장비와 함께, 이 기술은 감시카메라 또는 무선 접근점(access point)과 같은 장치들이 벽면 콘센트와 떨어져 있어도 전통적 네트워크에 연결될 수 있도록 한다.

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이렇게 전원과 데이터를 한 케이블에서 합칠 수 있는 능력은 자동차의 경우 특히 더 매력적으로 다가오는데, 이는 자동차 산업이 계속해서 무게와 비용 절감을 강조하기 때문이다. 자동차의 재료명세서에서 물품들이 줄어들기 때문에, 케이블을 줄이는 것은 비용의 즉각적 절감을 가져온다. 이는 우리가 2장에서 더 자세히 살펴볼 것처럼, 자동차 산업의 빠듯한 이윤 폭을 고려했을 때 대단한 일이다. 동시에, 더 적은 케이블은 곧 더 가벼운 무게를 뜻하며, 이는 연료 효율성의 향상을 돕는다.

이러한 이유로, PoE는 자동차 네트워킹을 위한 완벽한 조합처럼 보일 것이다. 불행히도, AE는 1쌍 기술을 이용하는 반면, PoE는 4쌍 케이블을 사용하는 전통적 이더넷 네트워크를 위해 구성됐다. PoE는 또한 44 VDC의 전압에서 운영되는데 반해 차량 전기시스템은 12 VDC에서 작동하고, ECU의 전자장치는 5 VDC 또는 그 이하에서 작동할 수 있다.

좋은 소식은, 차량용 이더넷 애플리케이션을 위한 특정 PoE 이형을 규정하기 위한 노력이 진행 중이라는 것이다. 단일 데이터라인 전원장치 1-Pair Power over Data Lines 또는 PoDL(“poodle”이라고 발음됨)이라고 불리는 이 프로젝트는 현재 P802.3bu 태스크 그룹(task group)의 후원 아래, IEEE Poject 802 표준화 절차를 진행 중이다. 이 그룹의 목표는 ECU가 데이터를 나르는 비차폐쌍케이블에서 함께 작동할 수 있기에 충분한 전원을 제공하는 것이다. PoDL는 12 VDC 및 5 VDC 수준에서 전원제한과 전달방법을 규정할 것이라 기대된다; 5 VDC가 차량 ECU 내 전압 변환 회로에 대한 요구를 감소시키기 때문에, 잠재적으로 더 이로울 것이다.

Tx/Rx

BroadR-Reach PHY

Controlleror

Host

PoE

Cable

I2C or UART

12V or 5V

PowerSupply

Unit

Tx/Rx

BroadR-Reach PHY

그림 1-9: 데이터라인 전원장치(PoDL)는 이더넷 케이블의 같은 단일 쌍을 통해 전기전원과 데이터를 전달할 수 있는 잠재성을 가지고 있으며 이는 무게와 비용 모두를 감소시킨다. [그림 출처: 브로드콤]

1.9 높은 속도 및 가벼운 중량 차량용 이더넷이 중량을 감소 시킴과 동시에 성능의 개선을 약속하는 부분은 자동차 카메라 시스템의 네트워킹이다. 최근 자동차 내 카메라의 사용량이 대폭 증가했고 미국의 고속도로교통안전관리국 (National Highway Traffic Administration)는 2018년을 기점으로 모든 차량의 카메라 부착을 의무화할 것이다. 이 시스템 대부분의 카메라 연결은 다음 세 기술들 중 하나를 통한다: 미국의 텔레비전 표준방식 검토위원회(National Television System Committee: NTSC) 신호; 위상 반전 주사선 부호화(Phase Alternating Line: PAL) 신호; 또는 낮은 전압 차분 신호(Low-Voltage Differential Signaling: LVDS). 이 모든

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전통적 시스템은 비교적 두껍고 무거운 케이블링을 요구한다; 더 나아가 이들은 반드시 전자방해로부터 그들이 보내는 신호를 보호하기 위해 차폐와 함께 설치되어야 하는데, 이는 비용을 증가시키고 정비를 어렵게 만든다.

반대로, BroadR-Reach기술은 얇은, 비차폐 구리선으로 된 단일 연선을 쓰고, 브로드콤의 홍보에 의하면 이는 LVDS와 같은 기존 연결방식과 비교했을 때 최대 80%의 총비용 감소 및 30% 증량 감소를 가져올 것이다. 자동차 산업이 이더넷 해결책을 향해 가면서 더 많은 경쟁과 상품 다양성이 미래에는 더 큰 비용의 절감을 가져올 것이다.

그림 1-10: BroadR-Reach기술은 LVDS시스템과 비교했을 때, 비용과 연결성 측면에서 상당한 장점을 제공한다. [그림출처: 브로드콤]

1.10 제품차별화 - 이제는 더 이상 기본사항에 관한 것이 아니다.

자동차 산업 역사의 지난 30년을 반추하면, 무엇이 차량을 차별화하고 무엇이 특정 종류의 소비자가 특정 자동차에 느끼는 매력에 영향을 주는지에 관한 명백한 변화를 볼 수 있다. 1980년대에는 제품품질이 구매결정에 있어 큰 요소를 차지했지만, 지금은 새로운 차량의 최고 및 최저품질 사이의 간격이 크지 않아, 품질의 중요성은 매년 감소하고 있다. 연료 경제성은 요구사항이 많은 정부차원의 규제가 계속해서 도입될 것이라 예상되는 점을 감안하면, 가까운 미래에도 계속해서 중요한 요소가 될 것이다. 당연히 디자인과 안락함도 중요하다.

하지만, 품질, 연료경제성, 디자인 및 안락함과 같은 요소들은 북미와 유럽과 같은 성숙 자동차시장에서는 현재 이미 기본이라고 여겨진다. 이 요소들은 시장진입의 요건으로 여겨지며 소비자들은 그 이상의 것을 기대한다. 어디에서나 모바일 장치를 사용할 수 있는 시대에, 젊은 자동차 구매자들은 소셜미디어 접속, 구글맵스(Google Maps)나 교통상황 업데트와 같이 운전관련 기능을 이용할 수 있는 능력 및 다른 사람들과 쉽게 계속해서 연결된 상태로 있을 수 있는 능력을 기대한다. 이런 특징들은

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제품 차별화를 위한 새로운 전쟁터이며 이 모든 것들은 기존의 자동차-특정 네트워크가 제공하는 것보다 더 빠른 커뮤니케이션을 요구하지만 또한 이더넷 기반 네트워크에서 이미 작동하는 프로토콜과 기술을 사용한다. 이와 같은 이유로, 차량 내 이더넷으로의 전환은 위의 특징들과 미래 정보기술을 자동차에 도입하는데 있어 중심이 되며, 따라서 자동차 구매자에게 더 어필할 수 있을 뿐만 아니라, 더 폭넓은 IT기능과 커뮤니케이션 시스템을 차량 내로 통합할 수 있다.

1.11 무선기능이더넷이 지난 세월 동안 새로운 요구사항과 가능성에 어떻게 적응할 수 있었는지를 가장 잘 보여주는 예시들 중 하나는, Wi-Fi라고 알려진 현재는 굉장히 인기 있는 무선 네트워킹 기술의 도입이다. Wi-Fi는 이더넷과 똑같지는 않다 - 이 둘은 서로 다른 근본적 기술적 세부사항을 지니며, Wi-Fi는 IEEE 802.11 표준계열에 의해 규정되는데 반해 이더넷은 802.3에 의해 규정된다. 하지만 Wi-Fi는 이더넷의 개작물로 고안되었으며 이러한 이유로 가끔 무선 이더넷(wireless Ethernet)이라고 불리기도 한다. 사실, 802.11 채택과 향상을 촉진하는 산업체 연합인 Wi-Fi Alliance는 처음에는 무선 이더넷 호환성 연합(Wireless Ethernet Compatibility Alliance: WECA)라 불렸다.

우리가 앞서 특정 이더넷 설치와 독자적으로 운영되는 고성능 기술에 관한 설명은 이더넷과 Wi-Fi에 대부분 적용된다. 인터넷에 전원을 제공하는 TCP/IP 프로토콜 슈트와 애플리케이션은 당신의 랩탑 컴퓨터가 이더넷 콘트롤러와 케이블에 연결되어있는지 또는 핫스팟을 사용하는 Wi-Fi 콘트롤러에 연결되어있는지 여부와 상관없이 비교적 같은 방식으로 작동한다. 이는 곧 이더넷의 자동차 도입이 더 높은 수준의 소프트웨어와 애플리케이션으로의 엄청난 정비의 필요 없이, 믿을 만하며 빠른 무선 커뮤니케이션의 길을 열어줌을 의미한다.

이더넷처럼, Wi-Fi도 성능의 개선과 네트워킹 세계의 변화하는 요구사항을 충족하기 위해 계속해서 강화되고 팽창 중이다. 그리고 Broadcom의 BroadR-Reach와 같이 차량 환경용 무선 접속(Wireless Access in Vehicular Environments: WAVE)라 불리는 자동차 사용을 위해 특화된 Wi-Fi 수정기술도 있는데, 이 기술은 2010년에 공표됐으며 후에 주 IEEE 802.11-2012표준에 통합된 IEEE 802.11p 상세사항에 규정되어 있다. 이와 같은 향상은 차량간 통신기술(vehicle-to-vehicle:V2V) 및 차량-인프라간 통신기술(vehicle-to-infrastructure:V21) 시스템의 새로운 가능성을 열고, 안전성, 교통정리, 응급상황 경고 및 사고방지와 같은 분야에서의 도로개선을 위한 지능형교통체계 (Intelligent Transportation Systems: ITS)를 지원한다.

차량간 통신은 도로 위 차량 간의 역동적 무선 데이터 교환을 가능하게 한다. 여기에는 각 차량의 속도, 방향, 장소처럼 결국 도로와 고속도로가 작동하는 방법을 변화시킬 상황정보의 전송과 수신을 포함한다. 주위에 관한 정보는 차량의 제어장치에 360도 지각능력을 줄 것이며, 이는 발생할지도 모르는 위험을 감지하고, 운전자에게 위험을 경고하며, 심지어 즉각적 시정조치도 가능하게 한다. V2V 통신은 차량이 다른 차량의 사각지대에 있을 때 발생하는 측면 충돌의 감소, 또는 뒤따르는 차의 운전자가 반응할 수 있는 속도보다 훨씬 더 빠르게 차가 브레이크를 밟았을 때 발생하는 접촉사고의 방지를 가능하게 하는 잠재성을 지닌다. 수동적 경고와 능동적 조정의 조합은 도로안전성을 극적으로 증가시킬 수 있는 잠재력을 지닌다: 미국 운수부 연구(The United States Department of Transportation Research)에 의하면, V2V기술은 도로상의 사고를 최대 76%까지 예방할 잠재성을 지닌다. (출처: http://www.its.dot.gov/research/v2v.htm)

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핵심정보: 이더넷은 전세계적으로 가장 인기 있는 유선 네트워킹 기술이며 이는 세계에서 가장 인기있는 무선

네트워킹 기술인 Wi-Fi 개발의 기초가 됐다. 이더넷의 자동차 도입은 Wi-Fi도입을 위한 길을 열어주며, 이는 차량간 통신기술(V2V) 및 차량-인프라간 통신기술(V21) 네트워킹 연결을 가능하게 할 것이다. 이것이 가져다 줄 수 있는 많은 장점들 중에서 V2V 기술은 도로 사고의 3/4 이상을 예방할 수 있는 잠재성을 지닌다.

1.12 요약이 장에서, 우리는 자동차 세계로의 신기술 도입이 가져오는 내재된 도전과제와 비용에도 불구하고 이더넷의 차량 도입에 대해 설명했다. 차량용 이더넷이 흥분되는 이유는 이 기술이 대표하는 다수의 잠재적 이점들 때문이다.

• 자동차 산업 네트워크와 그 이외의 세계가 사용하는 네트워크의 조화

• 차량내부 네트워크의 대역폭 증대

• 더 높은 수준의 프로토콜과 소프트웨어의 변화의 필요 없이 대역폭의 미래 증가를 위한 수단 제공

• 요구사항 변경에 따른 차량내부 네트워크의 변경이 더 용이함

• 자리를 잡은 하드웨어와 소프트웨어 제품의 거대한 토대 및 이를 이해하는 개발자와 공급자를 활용할 수 있는 능력

• 차량 중량과 비용의 감소

• 같은 케이블에서 전원과 데이터를 전송함으로써 전력 케이블을 제거할 수 있는 잠재성

• 활용 가능한 기능성의 더 큰 다양성과 제품차별화를 위한 더 많은 옵션

• 차량간 통신기술(V2V) 및 차량-인프라간 통신기술(V21) 애플리케이션을 가능하게 하는 무선 연결성을 위한 통로

이 모든 장점들에도 불구하고, 이더넷으로의 전환은 쉽지 않을 것이다. 특히, 이더넷이 실시간 제어장치 정보를 전송하는 하위조직에도 사용될 수 있다고 자동차 회사들을 설득하는 데에는 시간이 걸릴 것이다. 하지만, 우리는 시간이 지남에 따라 차량용 이더넷이 제공할 수 있는 것들이 도입에 따르는 투자를 할 만한 가치가 있음을 입증할 것이며, 우리 모두가 자동차 네트워킹의 세계에서 새롭고 흥분되는 시대의 탄생을 경험하게 될 것이라고 확신한다.

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전반적인 자동차 네트워킹에 관한 소개 · 4 2016 ntr ontr ystems igh eserved....

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