차량 네트워크 / 차량용 이더넷 Automative Ethernet

출처 : https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6513795 

https://www.star-cooperation.com/assets/uploads/dateien/media-center/veroeffentlichungen/whitepaper-automotive-ethernet-en-star-cooperation.pdf

Automotive Ethernet: In-vehicle networking and smart mobility

https://koreascience.kr/article/JAKO201505555994290.pdf

1. 서론

전기 차량 및 인공지능 차량이 발전하면서 사용자들은 집에서 사용하는 인터넷 속도와 같은걸 차량에도 기대하게 된다.

현재 사용되고 있는 CAN, FlexRay, LIN 등은 대량의 데이터를 처리하기엔 대역폭이나 크기가 ADAS(Advanced Driver Assistance System)에 적합하지 않다.

미래엔 다음과 같이 도메인 기반의 계층적 구조로 ECU들이 동작하는 것이 바람직하다. 

이런 전체적인 접근을 위한 전제조건을 만족하는 이더넷은 더 넓은 대역폭을 요구하는 도메인 내에서 다양한 도메인들이 연결되는 백본 버스로 차량 네트워크로 적합하다. 즉, Fig 1의 전제 조건을 만족시키는 하나의 넓은 대역폭은  여러개의 도메인을 수용할 수 있고 이것이 차량 네트워크로 사용하기 적합한 백본 버스이다.

 

 

이더넷을 사용함으로 전자파 호환성이나 기온 등 악조건을 견딜 수 있고, 여러 종류의 데이터를 전송할 수 있다.

 

5. 요약

이더넷과 IP 기반의 라우팅은 전기 차에게 중요한 기술이다.

이더넷을 차량의 백본으로 사용하면 비용 절감, 대용량 데이터 전송 기술 등의 장점이 명확하다. 또한 V2V, V2I, V2X 등 다양한 정보의 교환에 있어서도 용이하다. 

 

2. 차량용 이더넷의 발전

2.1 1세대

차량의 전기/전자적인 작동 상태를 확인하고 제어하기 위한 진단 규격인 OBD와 ECU의 플래시 메모리를 업데이트하기 위해 CAT 5 등의 이더넷 케이블이 사용되었고 시간과 비용을 절약하기 위해 ISO13400 등을 이용했다.

 

2.2 2세대

2세대에서는 서라운드 뷰 앱이나 카메라 등을 위한 이더넷이 사용되었따. 미래엔 단/장범위 레이더에 대한 센서 데이터를 제공하는 더 많은 카메라가 탑재될 것이다. 그리고 물체를 인식하기 위해서도 많은 양의 데이터가 사용 될 것이다.

 

2.3 3세대

2세대에선 특정 앱 도메인(카메라, 레이더 등)에만 집중했지만, 3세대에선 차량 네트워크의 백본에 대해 소개한다.

Fig 2는 어떻게 네트워크 관리가 어떻게 정리되는지에 관한 예시를 보여준다.

이 아키텍쳐에서는  10MbPs, 100MbPs, 1GbPs 등을 프로토콜 레이어의 변화 없이도 소통할 수 있다.

IP Based 라우팅은 하위 계층의 지원이 필요 없기 때문에 차량의 통합적인 네트워킹이 가능하다.

이렇게 사용자는 집에서 인터넷을 사용하는 느낌을 받을 수 있다.

 

Audio Video Bridging이나 TTEthernet 등은 다른 네트워크보다 안정적인 QoS를 제공해야한다. 미래의 연구에선 다른 데이터의 공존을 확실하게 해야한다. 또한 데이터의 암호화도 보장되어야 한다.

 

 

자동차 네트워크 구조의 변화

각각의 ECU가 각각의 노드로 게이트웨이와 연결되어 CAN, FlexRay 등으로 동작하는 구조였다. 

하지만 새로운 장비들이 계속 탑재되고 ECU 들이 늘어남에 따라 무게도 증가하고 장비를 추가하고 제거하는 것이 어려웠다.

 

위와 같이 이더넷이 부분적으로 적용되는 도메인 게이트웨이를 설치해 부분적으로 관리할 수 있도록 했다.

 

또는 차량 내 전체 시스템을 이더넷 기반의 백본망으로 구성하는 단계로 발전할 수 있다.

 

 

Automotive Ethernet이란?

 

Automative Ethernet은 physical layer를 자동차에 장착한 Ethernet 형태이다. 케이블 비용은 자동차 전자파 호환성과 자동차 조건을 만족시키는 시스템을 제공하는 정교한 physical layer 트랜스시버를 사용해 절감한다.

그리고 전통적인 자동차 네트워크 기술보다 빠른 전송속도를 제공하고 다른 산업체에서 사용하던 IP 소프트웨어의 재사용이 가능하다. 

차량용 이더넷은 기존의 IVN(In-Vehicle Network)보다 성능이 좋으면서 미래에 더 많이 사용할 것을 대비해 비용도 절감하기 위해 다른 산업체에서 사용하던 이더넷을 가져와 사용한 방법이다.

 

Automotive Ethernet VS Ethernet

 

이더넷 자체는 기온이나 마찰이나 전자파 호환성과 같은 방해요소에 있어서 민감하기 때문에 자동차에 사용하기 부적합하다.

이더넷은 데이터 전송과 수신을 위한 이중꼬임케이블을 사용하지만 차량용 이더넷은 단일꼬임케이블을 사용한다. 하나로 데이터 송수신이 동시에 가능하다.  또한 케이블의 길이도 이더넷에 비해 짧다. 그리고 최소의 전송폭에서 최대량의 데이터를 전송할 때 사용하는 인코딩 방법도 다르다. 

 

 

 

Automotive OSI 7계층

 

automotive의 OSI layer는 ethernet의 layer와 똑같이 7계층이고 DoD layer도 똑같다.

 

Layer 1. Network layer

network layer는 physical과 data link가 합쳐진 layer다. physical의 케이블과 network의 네트워크 토플로지에 대해 설명한다.

 

100 Base TX

 - physical layer 표준

 - 진단 인터페이스에서 사용됨

 - 쉴드 케이블 

- 100Mbps 속도

- Full duplex

 

100 Base T1

- TX와 다르게 automotive에서만 사용한 케이블

- ADAS ECU의 네트워킹에 사용함.

- unshielded cable

- 100Mbps

- Full duplex

 

1000 Base T1

- 개발 단계

- ADAS ECU와 infotainment system에서 사용

- 1000 Mbps

- Full duplex

 

automotive 스위치는 ethernet을 사용하는 컨트롤러를 다른 컨트롤러와 연결하기 위해 사용한다. 

스위치는 여러 연결 인터페이스를 사용해 포워딩을 할 때  사용한다. 이 때 포워딩은 어디로 전달될지 정해진 인터페이스로만 전달 된다.

반면 허브는 똑같이 연결 인터페이스를 사용해 연결을 하지만 모든 프래픽을 연결된 모든 인터페이스에 전달한다. 따라서 불필요하게 높은 트래픽 양을 생성한다. 

라우터는 VLAN에서 다른 VLAN으로 전달하는 역할을 한다. 

 

스타 토플로지

스타 토플로지는 스위치를 추가해서 네트워크를 확장할 수 있다.

 

이더넷 패킷 프레임워크

도착지와 출발지의 MAC 주소를 6바이트를 사용해 표현한다.

 

VLAN Tag : 네트워크 구분을 위해 태그를 이용해 서브네트워크를 표시한다.

Type : 다음 layer에서 사용하는 프로토콜의 타입을 정의한다. IP가 다음 프로토콜로 추가되면, IPv4로 0x0800, IPv6로 0x866D가 쓰인다.

Data : 다음 layer의 데이터가 표시된다.

 

Layer 2. Internet Layer

인터넷 layer는 전송 매체에 상관없이 네트워크 참자를 다루는 역할을 한다. 주로 IP가 사용되고, IPv4와 IPv6가 있다. 

IP에 대한 데이터는 이더넷 프레임워크의 Data 내에 들어간다. IP header와 IP Data로 구성되어 있다.

IP header에는 출발지 IP와 도착지 IP 정보가 들어있다.

 

LAYER 3: THE TRANSPORT LAYER

포트라고 불리는 TCP와 UDP를 사용해 이더넷 프레임은 알맞은 이더넷 노드에 도착하게 된다.

각 전송은 출발지와 도착지 포트가 적혀있다.

 

UDP는 비연결전송 프로토콜로 흐름제어가 없다. 이 말은 프레임이 확실하게 수신자에게 전달되었다는 확신없이 다음 프레임을 전달한다는 의미이다.

반대로 TCP는 연결지향 전송 프로토콜로 연결이 완료된 후 메세지가 전달된다. 이렇게 하면 송신자는 수신자가 프레임을 받았다는 확신을 받을 수 있다.

LAYER 4: THE APPLICATION LAYER

 

Frame Format

이더넷이 사용하는 프레임 포멧은 비슷하게 다양하지만, 이번엔 가장 흔하게 쓰이는 포멧으로 설명한다.

 

Preamble

패킷이 들어오고 있음을 알리는 1과0으로 구성된 7바이트, 송신자와 수신자가 동기화할 수 있도록 함.

 

SOF

1바이트 이지만 마지막이 0으로 끝날 경우 1로 바뀐다. SOF는 수신자가 프레임에 대해 다음부터 실제 이더넷 프레임이라는 것을 알려줌.

 

Destination and Source Address

6바이트 주소로 3바이트의 organization number(회사나 단체에 관한 정보)와 3바이트의 장비에 대한 정보로 구성된다.

각 프레임은 하나 이상의 출발지와 도착지에 대한 정보가 있다는 점이 CAN,LIN FlexRay와 다른 점이다.

다른 차량 네트워크와는 다르게, 프레임 전송자는 프레임 자체를 기반으로 정의되지 않는다. 

모든 노드는 모든 프레임을 받은 다음, 패킷을 사용할지 결정한다.(브로드캐스팅)

 

802.1Q

옵션 4바이트 값으로 VLAN에 관한 값이다. 프레임의 우선순위 값을 정해준다. AVB 실시간 스트리밍에서 사용함.

 

Type and Data(payload)

type은 Ethertype이라고 불리는데, 이름과는 달리 ethernet의 타입을 설명하는 부분이 아니라 Data필드 내의 데이터 타입을 설명한다.

최신의 네트워크는 계층화 원칙과 데이터 캡슐화를 위해 디자인되었다. Ethertype은 layer2(Ethernet frame)에서 인코딩된 layer 3 프로토콜 메세지를 나타낸다.

가장 유명한 ethertype은 0x800인데 이 값은 IPv4 패킷임을 의미한다. 이 패킷은 TCP나 UDP 같이 자체로 더많은 헤더나 페이로드를 가지고 있어 더 높은 레이어까지 올라갈 수 있다.

CAN과 같이 data section 뒤에 Arbitration ID와 control fields에 엔진 RPM이나 온도 등 실제 데이터를 가지고 있는 경우와는 다른 시스템이다. 

 

Frame Check Sequence(FCS)

32비트 CRC 계산 값이고 송신자에 의해 채워진다. 수신자는 값을 받은 후 똑같은 공식을 이용해 계산해 전송된 값과 비교한다. 비교 값이 맞지 않는다는 건 전송 도중에 충돌이 있었다는걸 의미한다.

프레임이 드랍된 것 뿐만 아니라 알림이날 에러 메세지도 생성되지 않았다는 의미이다.

노드나 스위치가 프레임을 드랍되었을 때 이걸 알아챌 방법이 없다. 이럴 때 VehicleSpy가 유용하다. 이 도구를 이용해 드랍된 패킷이나 잘못된 패킷에 대한 정보를 얻을 수 있다.

APPLICATION-Related Protocols

1. SOME/IP - https://watchout31337.tistory.com/431

2. AVB/TSN - https://watchout31337.tistory.com/451

3. DoIP