정의
차량용 버스 시스템은 차량 안의 전자 제어 유닛(ECU)들이 공유 매체 위에서 통신하는 데 쓰는 직렬 네트워크들을 가리킨다. 차량에 실린 기능들이 저마다 다른 성능·안전 요구를 갖기 때문에 하나가 아니라 여러 계열이 함께 쓰인다.
한 대의 차 안에 왜 서로 다른 버스가 여럿 들어 있는지는 차량 버스 네트워킹만으로는 설명되지 않는다. 답은 요구의 이질성에 있다. 창문 모터를 여는 신호와 엔진 제어 신호는 요구하는 응답 시간도, 오류를 놓쳤을 때의 결과도 다르고, 그래서 같은 품질의 통신에 같은 돈을 쓸 이유가 없다.
적용 영역
차량의 임베디드 시스템은 기능별 영역으로 나뉜다. 엔진과 변속기를 제어하는 파워트레인, 서스펜션·조향·제동을 제어하는 섀시는 실시간 제어와 안전에 직결되고, 바디는 대개 편의 기능을 담당한다. 텔레매틱스·멀티미디어·인간 기계 인터페이스(HMI) 영역이 그 뒤를 잇는다. 영역마다 통신 시스템에 기대하는 서비스 품질 — 응답 시간, 지터, 대역폭, 전송 오류를 견디기 위한 이중화 채널, 오류 검출 능력 — 이 다르다.
바디 영역이 특히 뚜렷한 예다. 이 영역에는 작은 정보를 자주 주고받는 기능이 많은데, 모든 노드가 CAN이 주는 만큼의 대역폭을 필요로 하지는 않는다. 그래서 LIN 같은 저비용 네트워크가 따로 설계됐고, 저비용 네트워크로 묶인 메카트로닉 서브시스템들을 CAN 백본으로 잇는 계층적 구조가 자리 잡았다.
SAE 네트워크 클래스
SAE는 차량 네트워크를 실시간성과 신뢰성 요구가 커지는 순서로 분류한다. 클래스 A는 10 kbit/s 미만으로 낮은 비용의 기술로 단순한 제어 데이터를 나르며 주로 바디 영역에 들어가고, LIN이 대표 사례다. 클래스 B는 10 kbit/s에서 125 kbit/s 사이에서 ECU 사이의 정보 공유를 맡아 센서 수를 줄이는 데 쓰이며 J1850과 저속 CAN이 여기 속한다. 고속 실시간 통신이 필요한 응용은 125 kbit/s에서 1 Mbit/s의 클래스 C를 쓰고, 고속 CAN이 파워트레인과 섀시 영역에서 그 자리를 채운다.
| 클래스 | 전송률 | 대표 네트워크 |
|---|---|---|
| A | 10 kbit/s 미만 | LIN |
| B | 10 kbit/s 이상 125 kbit/s 이하 | J1850, 저속 CAN |
| C | 125 kbit/s 이상 1 Mbit/s 이하 | 고속 CAN |
| D | 1 Mbit/s 초과 | MOST, FlexRay |
클래스 D의 지위
클래스 D는 다른 셋과 달리 정식으로 정의된 클래스가 아니다. 1 Mbit/s를 넘는 네트워크를 통상 그렇게 부를 뿐이다. 멀티미디어 데이터를 나르는 MOST와, 예측 가능성과 결함 허용이 필요한 x-by-wire용 FlexRay가 함께 이 이름 아래 놓이는 것도 그래서다.
버스 시스템 비교
각 계열의 전송률 상한과 매체는 다음과 같이 갈린다.
| 버스 시스템 | 정식 명칭 | 최대 전송률 | 매체 |
|---|---|---|---|
| LIN | Local Interconnect Network | 20 kbit/s | 단선(송수신기마다 접지 기준 한 가닥) |
| CAN | Controller Area Network | 1 Mbit/s | 꼬임쌍선 |
| CAN FD | flexible data rate | 데이터 구간 5 Mbit/s(응용에 따라) | 꼬임쌍선 |
| FlexRay | FlexRay communications system | 10 Mbit/s | 두 가닥 |
| MOST | Media Oriented Systems Transport | 150 Mbit/s(MOST150) | 광섬유(POF) 또는 꼬임쌍선 |
LIN의 전기 물리 계층은 20 kbit/s까지의 저비용 네트워크를 겨냥해 설계됐고, 매체는 송신기와 수신기마다 접지를 기준으로 삼는 한 가닥의 선이다.[2] CAN 고속 전송은 1992년 이래로 최대 1 Mbit/s의 트랜시버를 쓰며[3], 매체는 구리 꼬임쌍선이다. FlexRay의 전기 물리 계층은 최대 10 Mbit/s의 시간 구동 네트워크를 위해 설계됐으며, 두 가닥의 선 사이에 차동 전압을 걸어 신호를 만든다(차동 전송).[4] MOST는 1세대 MOST25가 25 Mbit/s, 2세대 MOST50이 50 Mbit/s, 3세대 MOST150이 150 Mbit/s의 대역폭을 제공한다.[5] CAN FD의 FD는 flexible data rate이며, 데이터 필드는 8바이트에 묶이지 않고 64바이트까지 늘어난다. 데이터 구간 비트율에 표준이 정한 절대 상한은 없고 트랜시버 특성이 그 한계를 정한다.[6]
CAN의 두 갈래는 매체 사양이 갈린다. 고속 전송은 ISO 11898-2[7]가, 저속·고장 허용 전송은 ISO 11898-3[8]가 규정한다.
클래스 체계 이후
SAE 클래스 체계가 정리된 뒤에 등장한 두 가지가 이 지형을 다시 흔들었다.
CAN FD는 중재 구간의 비트율은 그대로 두고 데이터 구간에서만 비트율을 올리는 방식으로, 응용에 따라 데이터 구간에서 5 Mbit/s까지 낼 수 있고 한 프레임의 페이로드가 64바이트까지 늘어난다.[9] 1 Mbit/s의 고전 CAN과 10 Mbit/s의 FlexRay 사이에 벌어져 있던 간극을 메우는 자리이며, FlexRay로 옮기는 것보다 이행 비용이 작다는 것이 채택 근거가 된다. CAN FD는 고전 CAN과 나란히 ISO 11898-1[10]에 국제 표준으로 실려 있다.[6]
자동차용 이더넷은 반대쪽 끝에서 들어왔다. IEEE 802.3bw 표준(100BASE-T1)은 차폐하지 않은 한 쌍의 꼬임쌍선 위에서 100 Mbit/s를 내면서 전자기 방해와 케이블 무게·비용을 줄이는 것을 목표로, 자동차 회사와 반도체 업체가 함께 만든 물리 계층이다.[11] 인포테인먼트·운전자 보조 시스템·파워트레인·바디 전자장치가 실시간으로 주고받는 데이터가 늘면서 생긴 대역폭 요구가 그 배경이며, MOST나 FlexRay 같은 기존 프로토콜의 자리를 대체할 가능성도 함께 거론된다.
버스를 고르는 일은 대역폭 수치만으로 끝나지 않는다. 어느 방식으로 버스 접근을 조정하느냐(버스 접근 방식)와, 그 위에 어떤 상위 계층 프로토콜을 얹을 수 있느냐가 함께 걸린다.