Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 1/11

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신

오늘날의 적용사례를 통해 알아보는 개발 툴의 도전과제

불과 몇 년 전까지만 하더라도 이더넷을 진단쪽 액세스 외의 차량 내 사용은 부적절하다는 의견이

지배적이었다. 하지만 이더넷 기술을 시스템 네트워크로 활용한 카메라 기반의 운전자 보조

시스템이 머지않아 첫 번째 적용 사례로 등장할 예정이다. IP(인터넷 프로토콜)와 이더넷은 자동차

산업에서 새로운 네트워크 기술이기 때문에 낯선 문제들이 자동차 OEM 과 공급업체, 그리고 관련

개발 툴 업체들 앞에 놓이게 되었다. 그래도 너무 걱정할 것은 없다. 이미 많은 문제들이 해결

가능하기 때문에…

1991 년 CAN 버스가 메르세데스 S-클래스 차량에 처음 적용된 이후, LIN, MOST, FlexRay 버스

시스템도 자동차에 순차적으로 자리를 잡게 되었다. CAN 은 오늘날에도 파워트레인에서부터 바디에

이르기까지 모든 자동차 분야에서 자동차 네트워크 아키텍처로써 꾸준히 사용되고 있다. LIN 버스는

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 2/11

간단하면서도 경제적인 방식으로 인해 안전성을 고려해야 하는 운전 영역이 아닌 편의 영역 내 신호

데이터를 교환하는데 적합하다. FlexRay 와 MOST 버스는 실시간 요구사항이 많고 더 넓은 대역폭이

필요한 경우에 CAN 을 대체해 사용된다. 다만, 고가이기 때문에 경제성을 고려해야 한다. 오늘날의

차량에서는 위에 언급된 버스 시스템들을 쉽게 찾을 수 있는데, 각각의 시스템은 게이트웨이 장치를

통해 분리되고 또 연결된다.

이더넷 사용에 대한 동기부여

이더넷은 사무실 내 통신, 산업공학(OVDA 표준, 이더넷/IP, ProfiNet) 및 우주항공산업(AFDX®)에서

오랜 시간 표준 기술로 자리잡아 왔다. 차량 내에서는 진단쪽 액세스와 관련해 이미 그 성능을

입증하였다. 그리고 최근들어 차량 내 다른 영역에서 이더넷을 사용하는 것에 대한 논의가 늘어가는

추세인데, 이는 이더넷이 가진 유연성과 넓은 대역폭 확장성이 주는 장점 때문이다. 그러나 모터

차량에 적합한 와이어링 기술의 부재로 여전히 경제성이 떨어졌다.

현재 자동차 내 이더넷 사용을 가장 많이 이끌어가는 영역은 카메라 기반의 운전자 보조 시스템이다.

아직까지는 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)란 기술이 차량 내 카메라 애플리케이션에서

사용된다. 여기에는 전자파 적합성을 확실히 보증하는 쉴드(Shield) 케이블이 일반적으로 사용되지만,

차량 내에서 사용하기에는 비싸고 실용성도 매우 떨어진다. 최근에는 CAN 과 유사한 방식으로

2 개의 와이어 케이블을 비차폐 꼬임쌍선(unshielded twisted pair)으로 사용했을 경우 100Mbit/s 의

전이중(Full-duplex) 전송 속도를 지닌 물리층을 가질 수 있다고 하는데, 다양한 발행물에서 이를

차량 내 적합한 것으로 주장하고 있다[1], [2], [3].

IP 개발 툴로부터의 요구사항

먼저 이전 버스 시스템들이 요구했던 개발 툴에 대한 요구사항들은 여전히 여기에서도 적용된다.

시뮬레이션 기능으로 프로토콜에 대한 상세한 분석은 물론, 스크립트 기반의 테스트로 확장

가능해야 하며, 테스트 보고서 또한 자동으로 생성될 수 있어야 한다. 또한 시장에서 검증된

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 3/11

멀티버스 기능이 이더넷과 IP 로도 확장되어 각기 다른 버스 시스템에서 발생하는 이벤트 간의 종속

관계를 편리하게 연구할 수 있기를 사용자들은 기대하고 있다. 현재는 LIN 과 CAN 간의 상관 관계에

관심을 갖고 있지만 미래에는 CAN 과 IP 간의 상관 관계에 관심을 가지게 될 것이다.

전과 마찬가지로 프로토콜 분석 시에는 관련 애플리케이션 신호를 심볼(symbol)로써 손쉽게

액세스할 수 있어야 하며, 더 나아가 이를 논리적으로 또는 그래픽 방식으로 처리할 수 있어야 한다.

하지만 여기에는 버스의 물리학적 부분과 광범위한 IP 프로토콜들로 인해 새로운 요구사항들이

생긴다. 본 기사는 현재의 카메라 예와 차량 내 IP 및 이더넷의 네 가지 다른 적용 사례를 토대로

작성되었으며, 이러한 측정 작업이 제품 개발 부서 내 시스템 관리자의 관점에서 어떻게 활용되는지,

그리고 개발 툴에는 어떠한 특정 요구사항들이 결과적으로 요구되는지를 보여준다.

1. 카메라 – 이더넷을 시스템 네트워크로 사용

BMW 의 카메라 기반 운전자 보조 시스템은 IP 와 이더넷을 차량 내 시스템 네트워크로써 활용한

최초의 양산 구현일 것이다[1]. OEM 과 공급업체는 현재의 LVDS 기술에 비해 무게와 비용을

절감하기 위해 새로운 BroadR-Reach 물리층을 사용할 예정이다[1], [4], [5]. BroadR-Reach 는 여러

다른 제조업체들에 의해 라이센스화될 것이다.

그림 1 은 카메라 시스템 네트워크의 예를 잠재적인 측정 지점들과 함께 보여준다. 그림에서는 두

개의 스위치로 나뉘어 있지만 하나의 스위치에 모든 카메라를 직접 연결할 수도 있다. 차량에서

지금까지 사용해 왔던 버스 시스템들과 마찬가지로 네트워크의 다양한 지점에서 시간을 동기화한

상태로 데이터 트래픽을 관찰, 분석 및 비교해야 한다. 따라서 측정 하드웨어는 먼저 현재 버스의

물리학적 부분(예: BroadR-Reach)을 지원하면서 미래의 물리층도 받아들일 수 있어야 한다. 이를

위한 이상적인 해결 방법은 티커플러(Tee-coupler)를 통한 멀티 채널의 사용인데, 이는 모니터링

중에 시스템 네트워크를 거의 방해하지 않기 때문이다. 티커플러는 시스템의 기능 검증을 위해

오류들을 주입할 수도 있어야 한다. 또한 분석 작업 외에 잔여 버스 시뮬레이션이라고 하는 네트워크

전체에 대한 시뮬레이션도 요구된다. 측정 하드웨어는 이러한 것들은 확실히 해결할 수 있어야 한다.

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 4/11

그림 1: 카메라 기반의 운전자 보조 시스템을 신뢰성 있게 분석하려면 이더넷 네트워크의 여러 지점에서 데이터 트래픽을

모니터링해야 한다. 시간 오프셋이 최소화된, 그리고 공통된 시간축을 사용하는 “티커플러”가 여기에 이상적이다.

카메라 애플리케이션에는 시간 동기화 및 서비스 품질(QoS)과 관련한 높은 요구사항이 존재한다.

이러한 요구사항은 AVB(Audio Video Bridging) 표준의 프로토콜 확장을 통해 다뤄져야 한다[7]. 이제

제조업체들 간에 비트 전송층(OSI Layer 1)에 대한 합의는 이루어졌기에 비용 및 테스트 상의 이유로

더 높은 계층에서의 표준화도 추진하고 있다.

만약 카메라 애플리케이션에 다른 프로토콜이 사용되는 경우 다양하고 복잡한 페이로드(Payload)

영역에서의 신호를 애플리케이션에 맞게 보고 조작할 수 있는 측정 소프트웨어가 필요하다. 표 1 의

“Audio/Video” 열과 “Control Communication” 열에는 AVB 에서 사용되는 프로토콜들이 나와 있다.

또한 대역폭 제한을 위한 프로토콜과 다른 네트워크 관리 프로토콜도 있다 (표 1 의 오른쪽 네 개 열).

표에 나와 있는 프로토콜들은 다음의 적용 사례들을 토대로 추가되었다.

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 5/11

표 1: OSI 레퍼런스 모델(행)에 관리 기능(열)을 포함한 자동차 애플리케이션용 IP 프로토콜. 새로운 프로토콜(빨간색)과

사무실용 통신으로 알려진 프로토콜(회색)이 모두 사용된다. ([7] 및 벡터 기준 참조)

2. 진단 액세스

“DoIP(Diagnostics over IP)” 기술을 사용하면 고성능 이더넷 액세스를 통해 여러 버스 시스템에

연결된 각기 다른 ECU 들을 한 곳에서 플래시할 수 있다(그림 2). OEM 의 시스템 개발 부서에서는 이

서비스를 반드시 검증해야 한다. ECU 는 게이트웨이로 사용되기 때문에 진단 데이터의 전송에 대한

분석이 연결된 여러 버스 시스템은 물론 IP 측면에서도 이루어져야 한다. 관련된 프로토콜은 표 1 에

보여지는 것과 같이 ISO 13400 과 IPv4/IPv6 이다.

3. 전기차 충전소 – 스마트 충전

스마트 충전은 단순하게 가정의 전기 콘센트에 플러그를 연결하는 것 이상을 의미한다. 충전할

전기차는 충전소를 통해 전기 그리드에 연결된다. 충전 프로세스는 그냥 시작되는 것이 아니며, 먼저

충전의 필요성을 통신을 통해 알린다. 개별적인 충전 프로세스들을 잠시 지연시킴으로써 그리드에

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 6/11

과부하가 발생하는 것을 막을 수 있다. 또한 연결된 차량은 저장매체로 사용될 수 있으며, 전기

공급업체의 과금 업무는 자동화될 수 있다.

그림 2: 게이트웨이에서 DoIP 를 검증할 때는 데이터 트래픽을 게이트웨이의 왼쪽에 있는 DoIP 쪽과 게이트웨이의

오른쪽에 있는 연결된 버스 시스템 쪽 모두에 나타내는 것이 중요하다. 모든 네트워크의 모든 메시지가 공통된 시간을

기준으로 전송되는 것이 이상적이다.

이러한 모든 과정은 차량과 충전소 간의 IP 기반 프로토콜 상의 이더넷 통신을 통해 이루어지는데,

이는 ISO 15118 에 정의된 표준을 따른 것이다. 여기서 충전소는 그리드 및 차량과 통신한다. 자동차

OEM 의 시스템 관리자에게 차량과 충전소 간의 통신은 매우 중요하다. 충전 프로세스를 안전하게

지키기 위해서는 프로토콜에 대한 세부적인 분석과 검증이 절대 필요하다. 개발 툴 역시 이러한

프로토콜을 지원해야만 한다 (표 1, “Smart Grid” 열 참조).

4. 칼리브레이션, 디버깅, 플래싱

오랜 세월 동안 개발 쪽에서는 이더넷을 XCP 측정 및 보정 프로토콜과 함께 ECU 의 칼리브레이션,

디버깅 및 플래싱을 위해 사용해 왔다. 하지만 양산차에서는 비용상의 이유로 인해 이더넷 액세스가

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 7/11

금지되어 있다. 따라서 현재는 기존의 작업 프로토콜(예: CAN 의 XCP 또는 CCP)을 사용해 보정 및

재프로그래밍 작업을 수행하고 있다. 그러나 이더넷이 차량 내에 자리잡게 되면 이더넷의 XCP 를

이용한 측정 및 보정이 특유의 높은 측정 데이터 속도 덕분에 양산차에서 매우 매력적인 선택으로

떠오르게 될 것이다.

5. Car2x 와 WLAN

Car2x 는 차량과 인프라 간의 외부 통신으로 간주된다. 적용 범위는 편의 기능에서 트래픽 흐름

최적화 및 엄격한 트래픽 안전(운전자 보조 시스템)에 이르기까지 다양하다. 이 기술은 이미 생산

이전 개발 단계에까지 사용되고 있으며 표준화도 상당히 높은 수준에 올라와 있다. 또한 IP 를

기반으로 하며 IEEE 802.11p 표준이 물리층으로 사용된다.

시스템 관리자 입장에서 보면 Car2x 애플리케이션의 측정 기술에 대한 관심은 개별 차량의 경계를

뛰어넘어 주변 환경의 수많은 다른 차량 및 RSU(Roadside Unit)까지 확장된다. 여기서 평가해야 할

ECU 는 차량 내 버스 시스템들과의 통신뿐만 아니라 무선 인터페이스를 이용한 다른 트래픽

관계자들과의 통신까지도 담당한다. 따라서 개발 툴에서도 이러한 IP 기반 표준을 지원해야 한다.

또한 고주파 범위(예. 5GHz 대역의 WLAN)에서는 다른 요구사항들도 발생한다.

애플리케이션 및 측정 툴을 위한 새롭고 다양한 프로토콜

표 1 에는 다양한 애플리케이션 관련 전송층과 프로토콜이 예로 나와 있다. 개발 툴은 현재까지

발생한 사례를 기준으로 이러한 전송층과 프로토콜을 지원해야 한다. 여기에는 사무실용 IP

통신에서 사용되는 일부 프로토콜들이 들어있지만 많은 항목들도 생략되어 있고 새로운 항목들도

추가되어 있다. 표에는 사무실용 통신 환경으로부터 자동차용에 맞게 조정 가능한 프로토콜들이

밝은 회색으로 표시되어 있다. 새로운 자동차 애플리케이션으로 인해 추가된 항목들은 빨간색으로

표시되어 있다.

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 8/11

측정 시스템에서는 모든 관련 프로토콜들을 확인하고 모든 네트워크 이벤트들을 올바른 순서에

따라 배치한다. 여기에서는 모든 버스 영역들을 공통된 시간 기준 아래 충분히 정밀하게 나타내는

것이 중요하다.

IP 생성 프로젝트의 검증

위 적용 사례들에서 볼 수 있듯이 시간적 분석이나 인과관계를 찾는 것이 여러 버스 시스템으로

확장되어 진행되기 때문에 사무실 통신용 표준 이더넷 툴을 자동차용 버스 애플리케이션에

활용하기가 어렵거나 불가능하다. 사무실에서 사용되는 이더넷은 자동차에서 사용되는 이더넷과는

다르다. 인터넷 프로토콜 또한 마찬가지이다. 물리층의 요구사항들이 다른 만큼 영역별 유형 및

복잡도도 다르다.

개발 툴 안에서 프로토콜의 신호 구조를 표현하고 임베디드 코드를 생성하려면 적절한 엔지니어링

포맷의 선택이 중요하다. DBC 포맷은 CAN 에 일반적으로 사용되는 엔지니어링 포맷이며, FIBEX 는

FlexRay 에서 일반적으로 사용된다. 하지만 DBC 포맷은 새로운 이더넷 및 IP 기반 시스템 네트워크의

데이터베이스 포맷으로는 적합하지 않다. 툴 공급업체의 관점에서는 OEM 들이 공통된 엔지니어링

포맷에 합의하는 것이 도움이 될 것이다. 적합한 후보 포맷으로는 FIBEX 4.0 및 AUTOSAR 시스템

설명 포맷이 있다. 포맷이 선택된 이후에는 다른 산업 분야에서의 경험을 통해 알 수 있듯이

머지않은 시일내에 툴 제조업체들을 통해 분석 및 코드 생성에 적합한 개발 툴들이 제공될 것이다.

차량 네트워크에 대한 전망

차량 내 CAN 의 사용 추세는 앞으로 10 년을 훨씬 넘어 계속 이어질 것으로 예상되며, 여기에 거론된

다른 모든 버스 시스템도 최소한 10 년은 사용될 것이다. 하지만 대역폭, 유연성 및 경제성과 관련된

요구사항이 늘어남에 따라 IP 와 이더넷의 적용이 갈수록 늘어날 전망이다. 또한 게이트웨이를 통한

IP 와 여러 버스 시스템과 네트워크 연결은 오늘날의 다른 버스 시스템에서 이미 볼 수 있는 것처럼

곧 등장할 것이다. 이더넷과 IP 는 간단하게 그냥 추가될 것이다. 카메라에서 적용된 사례와

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 9/11

마찬가지로 앞으로 일어날 IP 적용에서도 새로운 문제들이 모든 프로토콜 단계에서 발생되겠지만

적절한 개발 툴을 통해 해결될 것이다.

IP 개발 툴에 대한 전망

자동차 분야에서는 IP 통신을 고려한 개발 툴이 계속적으로 권장될 것이다. 이러한 툴은 모든

프로토콜 레벨을 지원해야 하면서도, 또 한편으로는 일반적인 업계 툴 환경을 갖추고 있어야 한다.

공급업체들은 특히 OEM 의 제품 개발 프로젝트를 검증하기에 적합한 개발 툴을 제공해 달라는

요청을 받는다. 당연히 여기에는 지원 및 툴 제조업체로부터 제품 도입을 위한 도움도 포함된다.

그림 3: CANoe.IP 는 IP 또는 이더넷을 통해 통신하는 임베디드 시스템의 개발 및 시뮬레이션, 테스트를 지원한다.

현재 벡터의 검증된 시뮬레이션/테스트 툴인 CANoe 는 IP 옵션을 통해 위에서 설명된 이더넷 개발

툴과 관련한 요구사항들을 이미 모두 포함하고 있다. CANoe.IP 는 다양한 이더넷 관련 기능 및

멀티버스 기능을 바탕으로 개발 시간을 줄여주며 애플리케이션을 위해서는 중요한 리소스를 보다

효과적으로 활용할 수 있도록 도와준다(그림 3). CANoe 는 기존의 CAN, LIN, MOST, FlexRay 버스

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 10/11

시스템에서 자동차 네트워크 개발을 위한 표준 환경이 되어 왔다. 마찬가지로 IP 를 위해서도 똑같은

개발 편의성을 제공하고 있다. 이 개발 툴은 확장성이 매우 뛰어나며, 세 가지 인터페이스 옵션을

기본적으로 제공하고 있다(그림 4). 가장 단순한 Case 1 에서는 윈도우 컴퓨터에 사용되는 모든

네트워크 카드를 인터페이스로 사용할 수 있다. BroadR-Reach 를 사용하거나 오류를 주입할 수

있어야 하는 Case 2 에서는 향후에 나올 장비 VN56xx 제품을 인터페이스로 사용하면 된다. 이는 IP

채널 간에 그리고 다른 버스 시스템 간에 시간 동기화 기능이 대폭 개선된 제품이다. 실시간 동작이

요구되는 Case 3 에서는 향후 CANoe.IP 를 실시간 하드웨어인 VN8900 에 연동해 사용하게 될

것이다. 물론 이 하드웨어는 VN56xx 인터페이스와도 원활하게 연동된다.

그림 4: 확장 가능한 하드웨어 인터페이스와 실시간 지원 옵션을 갖춘 CANoe.IP

독일 출판물 Elektronik automotive 2012 년 4 월호 기사 번역판

참고 문헌:

[1] Bogenberger, R., BMW AG: IP & Ethernet as potential mainstream automotive technologies.

Product Day Hanser Automotive. Fellbach, 2011.

[2] Neff, A., Matheeus, K, et al.: Ethernet & IP as application vehicle bus in use scenario of

camera-based driver assistance systems [German lecture]. VDI Reports 2132, Electronics in the

motor vehicle. Baden-Baden, 2011. pp. 491-495.

[3] Streichert, T., Daimler AG: Short and Longterm Perspective of Ethernet for Vehicle-internal

Communications. 1st Ethernet & IP @ Automotive Technology Day, BMW, Munich, 2011.

[4] Nöbauer, J., Continental AG: Migration from MOST and FlexRay Based Networks to Ethernet

by Maintaining QoS. 1st Ethernet & IP @ Automotive Technology Day, BMW, Munich, 2011.

[5] Powell, S. R., Broadcom Corporation: Ethernet Physical Layer Alternatives for Automotive

Applications. 1st Ethernet & IP @ Automotive Technology Day, BMW, Munich, 2011.

Technical Article

자동차 안에서의 IP 와 이더넷 통신 11/11

링크:

벡터 IP 및 이더넷 솔루션: www.vector.com/vi_ip_ethernet_solutions_en.html

CANoe.IP 제품 정보: www.vector.com/vi_canoe_ip_en.html

스마트 충전을 위한 벡터의 노하우: www.vector.com/vi_electric_vehicles_en.html

AFDX®는 Airbus 의 등록 상표이다.

한스 베르너 스칼(Hans-Werner Schaal)

슈투트가르트 대학교에서 통신 엔지니어링을, 미국 오레곤 주 대학교에서 전기 및 컴퓨터

엔지니어링을 각각 전공했다. 스칼은 현재 벡터 인포매틱에서 개방형 네트워킹 제품 라인의

비즈니스 개발 관리자로 근무하고 있다. 이전에는 다양한 업계의 여러 가지 네트워크 기술을 위한

테스트 툴 부문에서 개발 엔지니어, 프로젝트 책임자 및 프로젝트 관리자로 근무했다.

Vector Informatik GmbH

Ingersheimer Str. 24

70499 Stuttgart

Germany

www.vector.com

본 자료 배포시 최종 인쇄물을 당사에 보내주시면 감사하겠습니다.

배포와 관련하여 문의사항이 있으시면 언제든지 연락주시기 바랍니다:

벡터코리아 편집자 연락처:

마케팅부 양희영 차장

서울특별시 용산구 한남대로 11 길 12 고뫄스빌딩 5 층

Tel. 02-807-0600 Ext.5002, Fax. 02-807-0601

E-mail: ronald.yang@vector.com