자동차안에서의 IP 와이더넷통신 오늘날의적용사례를통해알아보는개발툴의도전과제 불과몇년전까지만하더라도이더넷을진단쪽액세스외의차량내사용은부적절하다는의견이지배적이었다. 하지만이더넷기술을시스템네트워크로활용한카메라기반의운전자보조시스템이머지않아첫번째적용사례로등장할예정이다. IP( 인터넷프로토콜 ) 와이더넷은자동차산업에서새로운네트워크기술이기때문에낯선문제들이자동차 OEM 과공급업체, 그리고관련개발툴업체들앞에놓이게되었다. 그래도너무걱정할것은없다. 이미많은문제들이해결가능하기때문에 1991 년 CAN 버스가메르세데스 S- 클래스차량에처음적용된이후, LIN, MOST, FlexRay 버스 시스템도자동차에순차적으로자리를잡게되었다. CAN 은오늘날에도파워트레인에서부터바디에 이르기까지모든자동차분야에서자동차네트워크아키텍처로써꾸준히사용되고있다. LIN 버스는 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 1/11
간단하면서도경제적인방식으로인해안전성을고려해야하는운전영역이아닌편의영역내신호데이터를교환하는데적합하다. FlexRay 와 MOST 버스는실시간요구사항이많고더넓은대역폭이필요한경우에 CAN 을대체해사용된다. 다만, 고가이기때문에경제성을고려해야한다. 오늘날의차량에서는위에언급된버스시스템들을쉽게찾을수있는데, 각각의시스템은게이트웨이장치를통해분리되고또연결된다. 이더넷사용에대한동기부여 이더넷은사무실내통신, 산업공학 (OVDA 표준, 이더넷 /IP, ProfiNet) 및우주항공산업 (AFDX ) 에서오랜시간표준기술로자리잡아왔다. 차량내에서는진단쪽액세스와관련해이미그성능을입증하였다. 그리고최근들어차량내다른영역에서이더넷을사용하는것에대한논의가늘어가는추세인데, 이는이더넷이가진유연성과넓은대역폭확장성이주는장점때문이다. 그러나모터차량에적합한와이어링기술의부재로여전히경제성이떨어졌다. 현재자동차내이더넷사용을가장많이이끌어가는영역은카메라기반의운전자보조시스템이다. 아직까지는 LVDS(Low Voltage Differential Signaling) 란기술이차량내카메라애플리케이션에서사용된다. 여기에는전자파적합성을확실히보증하는쉴드 (Shield) 케이블이일반적으로사용되지만, 차량내에서사용하기에는비싸고실용성도매우떨어진다. 최근에는 CAN 과유사한방식으로 2 개의와이어케이블을비차폐꼬임쌍선 (unshielded twisted pair) 으로사용했을경우 100Mbit/s 의전이중 (Full-duplex) 전송속도를지닌물리층을가질수있다고하는데, 다양한발행물에서이를차량내적합한것으로주장하고있다 [1], [2], [3]. IP 개발툴로부터의요구사항 먼저이전버스시스템들이요구했던개발툴에대한요구사항들은여전히여기에서도적용된다. 시뮬레이션기능으로프로토콜에대한상세한분석은물론, 스크립트기반의테스트로확장 가능해야하며, 테스트보고서또한자동으로생성될수있어야한다. 또한시장에서검증된 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 2/11
멀티버스기능이이더넷과 IP 로도확장되어각기다른버스시스템에서발생하는이벤트간의종속 관계를편리하게연구할수있기를사용자들은기대하고있다. 현재는 LIN 과 CAN 간의상관관계에 관심을갖고있지만미래에는 CAN 과 IP 간의상관관계에관심을가지게될것이다. 전과마찬가지로프로토콜분석시에는관련애플리케이션신호를심볼 (symbol) 로써손쉽게액세스할수있어야하며, 더나아가이를논리적으로또는그래픽방식으로처리할수있어야한다. 하지만여기에는버스의물리학적부분과광범위한 IP 프로토콜들로인해새로운요구사항들이생긴다. 본기사는현재의카메라예와차량내 IP 및이더넷의네가지다른적용사례를토대로작성되었으며, 이러한측정작업이제품개발부서내시스템관리자의관점에서어떻게활용되는지, 그리고개발툴에는어떠한특정요구사항들이결과적으로요구되는지를보여준다. 1. 카메라 이더넷을시스템네트워크로사용 BMW 의카메라기반운전자보조시스템은 IP 와이더넷을차량내시스템네트워크로써활용한최초의양산구현일것이다 [1]. OEM 과공급업체는현재의 LVDS 기술에비해무게와비용을절감하기위해새로운 BroadR-Reach 물리층을사용할예정이다 [1], [4], [5]. BroadR-Reach 는여러다른제조업체들에의해라이센스화될것이다. 그림 1 은카메라시스템네트워크의예를잠재적인측정지점들과함께보여준다. 그림에서는두개의스위치로나뉘어있지만하나의스위치에모든카메라를직접연결할수도있다. 차량에서지금까지사용해왔던버스시스템들과마찬가지로네트워크의다양한지점에서시간을동기화한상태로데이터트래픽을관찰, 분석및비교해야한다. 따라서측정하드웨어는먼저현재버스의물리학적부분 ( 예 : BroadR-Reach) 을지원하면서미래의물리층도받아들일수있어야한다. 이를위한이상적인해결방법은티커플러 (Tee-coupler) 를통한멀티채널의사용인데, 이는모니터링중에시스템네트워크를거의방해하지않기때문이다. 티커플러는시스템의기능검증을위해오류들을주입할수도있어야한다. 또한분석작업외에잔여버스시뮬레이션이라고하는네트워크전체에대한시뮬레이션도요구된다. 측정하드웨어는이러한것들은확실히해결할수있어야한다. 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 3/11
그림 1: 카메라기반의운전자보조시스템을신뢰성있게분석하려면이더넷네트워크의여러지점에서데이터트래픽을 모니터링해야한다. 시간오프셋이최소화된, 그리고공통된시간축을사용하는 티커플러 가여기에이상적이다. 카메라애플리케이션에는시간동기화및서비스품질 (QoS) 과관련한높은요구사항이존재한다. 이러한요구사항은 AVB(Audio Video Bridging) 표준의프로토콜확장을통해다뤄져야한다 [7]. 이제제조업체들간에비트전송층 (OSI Layer 1) 에대한합의는이루어졌기에비용및테스트상의이유로더높은계층에서의표준화도추진하고있다. 만약카메라애플리케이션에다른프로토콜이사용되는경우다양하고복잡한페이로드 (Payload) 영역에서의신호를애플리케이션에맞게보고조작할수있는측정소프트웨어가필요하다. 표 1 의 Audio/Video 열과 Control Communication 열에는 AVB 에서사용되는프로토콜들이나와있다. 또한대역폭제한을위한프로토콜과다른네트워크관리프로토콜도있다 ( 표 1 의오른쪽네개열 ). 표에나와있는프로토콜들은다음의적용사례들을토대로추가되었다. 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 4/11
표 1: OSI 레퍼런스모델 ( 행 ) 에관리기능 ( 열 ) 을포함한자동차애플리케이션용 IP 프로토콜. 새로운프로토콜 ( 빨간색 ) 과 사무실용통신으로알려진프로토콜 ( 회색 ) 이모두사용된다. ([7] 및벡터기준참조 ) 2. 진단액세스 DoIP(Diagnostics over IP) 기술을사용하면고성능이더넷액세스를통해여러버스시스템에연결된각기다른 ECU 들을한곳에서플래시할수있다 ( 그림 2). OEM 의시스템개발부서에서는이서비스를반드시검증해야한다. ECU 는게이트웨이로사용되기때문에진단데이터의전송에대한분석이연결된여러버스시스템은물론 IP 측면에서도이루어져야한다. 관련된프로토콜은표 1 에보여지는것과같이 ISO 13400 과 IPv4/IPv6 이다. 3. 전기차충전소 스마트충전 스마트충전은단순하게가정의전기콘센트에플러그를연결하는것이상을의미한다. 충전할 전기차는충전소를통해전기그리드에연결된다. 충전프로세스는그냥시작되는것이아니며, 먼저 충전의필요성을통신을통해알린다. 개별적인충전프로세스들을잠시지연시킴으로써그리드에 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 5/11
과부하가발생하는것을막을수있다. 또한연결된차량은저장매체로사용될수있으며, 전기 공급업체의과금업무는자동화될수있다. 그림 2: 게이트웨이에서 DoIP 를검증할때는데이터트래픽을게이트웨이의왼쪽에있는 DoIP 쪽과게이트웨이의 오른쪽에있는연결된버스시스템쪽모두에나타내는것이중요하다. 모든네트워크의모든메시지가공통된시간을 기준으로전송되는것이이상적이다. 이러한모든과정은차량과충전소간의 IP 기반프로토콜상의이더넷통신을통해이루어지는데, 이는 ISO 15118 에정의된표준을따른것이다. 여기서충전소는그리드및차량과통신한다. 자동차 OEM 의시스템관리자에게차량과충전소간의통신은매우중요하다. 충전프로세스를안전하게지키기위해서는프로토콜에대한세부적인분석과검증이절대필요하다. 개발툴역시이러한프로토콜을지원해야만한다 ( 표 1, Smart Grid 열참조 ). 4. 칼리브레이션, 디버깅, 플래싱 오랜세월동안개발쪽에서는이더넷을 XCP 측정및보정프로토콜과함께 ECU 의칼리브레이션, 디버깅및플래싱을위해사용해왔다. 하지만양산차에서는비용상의이유로인해이더넷액세스가 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 6/11
금지되어있다. 따라서현재는기존의작업프로토콜 ( 예 : CAN 의 XCP 또는 CCP) 을사용해보정및재프로그래밍작업을수행하고있다. 그러나이더넷이차량내에자리잡게되면이더넷의 XCP 를이용한측정및보정이특유의높은측정데이터속도덕분에양산차에서매우매력적인선택으로떠오르게될것이다. 5. Car2x 와 WLAN Car2x 는차량과인프라간의외부통신으로간주된다. 적용범위는편의기능에서트래픽흐름최적화및엄격한트래픽안전 ( 운전자보조시스템 ) 에이르기까지다양하다. 이기술은이미생산이전개발단계에까지사용되고있으며표준화도상당히높은수준에올라와있다. 또한 IP 를기반으로하며 IEEE 802.11p 표준이물리층으로사용된다. 시스템관리자입장에서보면 Car2x 애플리케이션의측정기술에대한관심은개별차량의경계를뛰어넘어주변환경의수많은다른차량및 RSU(Roadside Unit) 까지확장된다. 여기서평가해야할 ECU 는차량내버스시스템들과의통신뿐만아니라무선인터페이스를이용한다른트래픽관계자들과의통신까지도담당한다. 따라서개발툴에서도이러한 IP 기반표준을지원해야한다. 또한고주파범위 ( 예. 5GHz 대역의 WLAN) 에서는다른요구사항들도발생한다. 애플리케이션및측정툴을위한새롭고다양한프로토콜 표 1 에는다양한애플리케이션관련전송층과프로토콜이예로나와있다. 개발툴은현재까지발생한사례를기준으로이러한전송층과프로토콜을지원해야한다. 여기에는사무실용 IP 통신에서사용되는일부프로토콜들이들어있지만많은항목들도생략되어있고새로운항목들도추가되어있다. 표에는사무실용통신환경으로부터자동차용에맞게조정가능한프로토콜들이밝은회색으로표시되어있다. 새로운자동차애플리케이션으로인해추가된항목들은빨간색으로표시되어있다. 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 7/11
측정시스템에서는모든관련프로토콜들을확인하고모든네트워크이벤트들을올바른순서에 따라배치한다. 여기에서는모든버스영역들을공통된시간기준아래충분히정밀하게나타내는 것이중요하다. IP 생성프로젝트의검증 위적용사례들에서볼수있듯이시간적분석이나인과관계를찾는것이여러버스시스템으로확장되어진행되기때문에사무실통신용표준이더넷툴을자동차용버스애플리케이션에활용하기가어렵거나불가능하다. 사무실에서사용되는이더넷은자동차에서사용되는이더넷과는다르다. 인터넷프로토콜또한마찬가지이다. 물리층의요구사항들이다른만큼영역별유형및복잡도도다르다. 개발툴안에서프로토콜의신호구조를표현하고임베디드코드를생성하려면적절한엔지니어링포맷의선택이중요하다. DBC 포맷은 CAN 에일반적으로사용되는엔지니어링포맷이며, FIBEX 는 FlexRay 에서일반적으로사용된다. 하지만 DBC 포맷은새로운이더넷및 IP 기반시스템네트워크의데이터베이스포맷으로는적합하지않다. 툴공급업체의관점에서는 OEM 들이공통된엔지니어링포맷에합의하는것이도움이될것이다. 적합한후보포맷으로는 FIBEX 4.0 및 AUTOSAR 시스템설명포맷이있다. 포맷이선택된이후에는다른산업분야에서의경험을통해알수있듯이머지않은시일내에툴제조업체들을통해분석및코드생성에적합한개발툴들이제공될것이다. 차량네트워크에대한전망 차량내 CAN 의사용추세는앞으로 10 년을훨씬넘어계속이어질것으로예상되며, 여기에거론된다른모든버스시스템도최소한 10 년은사용될것이다. 하지만대역폭, 유연성및경제성과관련된요구사항이늘어남에따라 IP 와이더넷의적용이갈수록늘어날전망이다. 또한게이트웨이를통한 IP 와여러버스시스템과네트워크연결은오늘날의다른버스시스템에서이미볼수있는것처럼곧등장할것이다. 이더넷과 IP 는간단하게그냥추가될것이다. 카메라에서적용된사례와 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 8/11
마찬가지로앞으로일어날 IP 적용에서도새로운문제들이모든프로토콜단계에서발생되겠지만 적절한개발툴을통해해결될것이다. IP 개발툴에대한전망 자동차분야에서는 IP 통신을고려한개발툴이계속적으로권장될것이다. 이러한툴은모든프로토콜레벨을지원해야하면서도, 또한편으로는일반적인업계툴환경을갖추고있어야한다. 공급업체들은특히 OEM 의제품개발프로젝트를검증하기에적합한개발툴을제공해달라는요청을받는다. 당연히여기에는지원및툴제조업체로부터제품도입을위한도움도포함된다. 그림 3: CANoe.IP 는 IP 또는이더넷을통해통신하는임베디드시스템의개발및시뮬레이션, 테스트를지원한다. 현재벡터의검증된시뮬레이션 / 테스트툴인 CANoe 는 IP 옵션을통해위에서설명된이더넷개발툴과관련한요구사항들을이미모두포함하고있다. CANoe.IP 는다양한이더넷관련기능및멀티버스기능을바탕으로개발시간을줄여주며애플리케이션을위해서는중요한리소스를보다효과적으로활용할수있도록도와준다 ( 그림 3). CANoe 는기존의 CAN, LIN, MOST, FlexRay 버스 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 9/11
시스템에서자동차네트워크개발을위한표준환경이되어왔다. 마찬가지로 IP 를위해서도똑같은개발편의성을제공하고있다. 이개발툴은확장성이매우뛰어나며, 세가지인터페이스옵션을기본적으로제공하고있다 ( 그림 4). 가장단순한 Case 1 에서는윈도우컴퓨터에사용되는모든네트워크카드를인터페이스로사용할수있다. BroadR-Reach 를사용하거나오류를주입할수있어야하는 Case 2 에서는향후에나올장비 VN56xx 제품을인터페이스로사용하면된다. 이는 IP 채널간에그리고다른버스시스템간에시간동기화기능이대폭개선된제품이다. 실시간동작이요구되는 Case 3 에서는향후 CANoe.IP 를실시간하드웨어인 VN8900 에연동해사용하게될것이다. 물론이하드웨어는 VN56xx 인터페이스와도원활하게연동된다. 그림 4: 확장가능한하드웨어인터페이스와실시간지원옵션을갖춘 CANoe.IP 독일출판물 Elektronik automotive 2012 년 4 월호기사번역판 참고문헌 : [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. 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 10/11
링크 : 벡터 IP 및이더넷솔루션 : www.vector.com/vi_ip_ethernet_solutions_en.html CANoe.IP 제품정보 : www.vector.com/vi_canoe_ip_en.html 스마트충전을위한벡터의노하우 : www.vector.com/vi_electric_vehicles_en.html AFDX 는 Airbus 의등록상표이다. 한스베르너스칼 (Hans-Werner Schaal) 슈투트가르트대학교에서통신엔지니어링을, 미국오레곤주대학교에서전기및컴퓨터엔지니어링을각각전공했다. 스칼은현재벡터인포매틱에서개방형네트워킹제품라인의비즈니스개발관리자로근무하고있다. 이전에는다양한업계의여러가지네트워크기술을위한테스트툴부문에서개발엔지니어, 프로젝트책임자및프로젝트관리자로근무했다. Vector Informatik GmbH Ingersheimer Str. 24 70499 Stuttgart Germany www.vector.com 본자료배포시최종인쇄물을당사에보내주시면감사하겠습니다. 배포와관련하여문의사항이있으시면언제든지연락주시기바랍니다 : 벡터코리아편집자연락처 : 마케팅부양희영차장서울특별시용산구한남대로 11 길 12 고뫄스빌딩 5 층 Tel. 02-807-0600 Ext.5002, Fax. 02-807-0601 E-mail: ronald.yang@vector.com 자동차안에서의 IP 와이더넷통신 11/11