자동차 Ethernet

728x90

Automotive Ethernet이란

자동차에는 엔진, 변속기, 제동 장치, 조향 장치, 각종 센서 및 액추에이터를 제어하기 위한 수많은 ECU(Electronic Control Unit)가 탑재되어 있다.

각 ECU는 서로 데이터를 주고받으며 차량의 다양한 기능을 수행한다. 이러한 ECU 간 통신을 위해 기존 자동차에서는 CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network) 등의 통신 기술을 주로 사용해 왔다.

하지만 최근 자동차 산업은 ADAS(Advanced Driver Assistance Systems), 자율주행, 인포테인먼트, 전동화 기술의 발전으로 인해 ECU 간 데이터 교환량이 지속적으로 증가하고 있다.

이에 따라 기존 CAN 및 LIN 통신만으로는 증가하는 데이터 전송 요구사항을 충족하기 어려운 영역이 발생하고 있으며, 이를 해결하기 위한 기술로 Automotive Ethernet이 확대되고 있다.

Automotive Ethernet은 기존 Ethernet 기술을 자동차 환경에 적용한 통신 기술이다.

일반적인 Ethernet과 달리 차량의 제한된 공간, 배선 무게, 전자파 적합성(EMC), 온도 및 진동 환경 등을 고려하여 개발되었다.

구분 통신 속도 주요 특징

10BASE-T1S	10Mbps	Multidrop 지원
100BASE-T1	100Mbps	Single Pair Ethernet
1000BASE-T1	1Gbps	고속 Ethernet 통신

이 세 가지 기술은 Single Pair Ethernet(SPE) 계열의 대표적인 기술로, 하나의 차동 꼬임선 페어를 사용한다.

다만 각 기술은 통신 속도와 물리 계층 특성이 다르며, ECU의 데이터 전송 요구사항에 따라 적절하게 선택된다.

Automotive Ethernet의 종류

10BASE-T1S

10BASE-T1S는 10Mbps의 통신 속도를 지원하는 자동차 Ethernet 기술이다.

가장 큰 특징은 Multidrop 네트워크 구성을 지원한다는 점이다.

기존 Ethernet은 일반적으로 두 장치 간 Point-to-Point 연결을 기반으로 한다. 반면 10BASE-T1S는 여러 노드가 하나의 공통 통신선을 공유할 수 있다.

이를 통해 기존 CAN 네트워크와 유사한 Bus 형태의 물리적 네트워크를 구성할 수 있다.

통신 속도: 10Mbps
통신 매체: Single Twisted Pair
네트워크 구성: Point-to-Point 및 Multidrop
Multidrop 통신: Half-Duplex
주요 기술: PLCA

특히 PLCA(Physical Layer Collision Avoidance)를 활용하면 여러 노드가 동일한 통신선을 사용하는 환경에서 각 노드의 송신 기회를 관리할 수 있다.

100BASE-T1

100BASE-T1은 100Mbps의 통신 속도를 지원하는 자동차 Ethernet 기술이다.

10BASE-T1S보다 높은 대역폭을 제공하며, ECU 간 데이터 통신이나 다양한 차량용 Ethernet 네트워크에 활용된다.

주요 특징은 다음과 같다.

통신 속도: 100Mbps
통신 매체: Single Twisted Pair
네트워크 구성: Point-to-Point
통신 방식: Full-Duplex

일반적으로 Ethernet Switch를 통해 여러 ECU를 연결하는 네트워크를 구성할 수 있다.

1000BASE-T1

1000BASE-T1은 1Gbps의 통신 속도를 지원하는 자동차 Ethernet 기술이다.

고해상도 카메라, ADAS, 자율주행 시스템 등 대용량 데이터 전송이 필요한 분야에서 활용할 수 있다.

주요 특징은 다음과 같다.

통신 속도: 1Gbps
통신 매체: Single Twisted Pair
네트워크 구성: Point-to-Point
통신 방식: Full-Duplex

100BASE-T1과 비교했을 때 더 높은 데이터 전송 대역폭을 제공하므로 차량 내부의 고속 Ethernet Backbone 구성에 적합하다.

기술별 비교

구분 10BASE-T1S 100BASE-T1 1000BASE-T1

속도	10Mbps	100Mbps	1Gbps
케이블	1 Pair	1 Pair	1 Pair
주요 구성	P2P / Multidrop	P2P	P2P
Duplex	구성에 따라 다름	Full	Full
주요 특징	PLCA 지원	고속 ECU 통신	대용량 데이터 통신

세 기술의 가장 큰 차이점은 통신 속도뿐만 아니라 네트워크 구성 방식이다.

특히 10BASE-T1S는 Multidrop 구조를 지원한다는 점에서 100BASE-T1 및 1000BASE-T1과 차별화된다.

10BASE-T1S의 기본 개념

10BASE-T1S는 IEEE 802.3cg-2019 표준에 정의된 Ethernet 기술이다.

구분 의미

10	10Mbps
BASE	Baseband
T1	하나의 차동 페어 사용
S	Short Reach

즉, 하나의 차동 꼬임선 페어를 이용하여 10Mbps Ethernet 통신을 수행하는 단거리 통신 기술이다.

10BASE-T1S는 기존 Ethernet의 데이터 프레임 구조를 활용하면서 자동차 환경에 적합한 물리 계층을 제공한다.

여기서 중요한 점은 10BASE-T1S가 Ethernet의 모든 계층을 의미하는 것은 아니라는 것이다.

10BASE-T1S는 기본적으로 물리 계층(PHY)에 해당하는 기술이며, 실제 통신을 수행하기 위해서는

MAC(Media Access Control) 및 상위 프로토콜 계층이 함께 구성되어야 한다.

10BASE-T1S의 네트워크 구조

10BASE-T1S의 주요 특징 중 하나는 Point-to-Point와 Multidrop 구성을 모두 지원한다는 점이다.

Point-to-Point

Point-to-Point는 두 개의 장치가 하나의 통신선으로 직접 연결되는 구조다.

예를 들어 MCU가 탑재된 ECU와 외부 Ethernet PHY가 직접 연결되는 형태를 생각할 수 있다.

이 구조는 두 장치 사이의 통신 경로가 명확하다는 장점이 있다.

Multidrop

Multidrop은 여러 장치가 하나의 공통 통신선을 공유하는 구조다.

예를 들어 하나의 통신선에 Sensor A, Sensor B, Sensor C 및 Actuator가 연결될 수 있다.

이러한 구조는 기존 CAN Bus와 물리적으로 유사한 형태를 가진다.

Multidrop 구조의 장점은 다음과 같다.

하나의 통신선을 여러 ECU가 공유할 수 있다.
개별 장치마다 별도의 통신선을 구성할 필요가 줄어든다.
차량 내부 배선 복잡도를 줄일 수 있다.
Ethernet 기반 통신 구조를 저속 제어 네트워크까지 확장할 수 있다.

다만 모든 노드가 동일한 통신 매체를 공유하기 때문에 여러 노드가 동시에 데이터를 전송하지 않도록 관리하는 기술이 필요하다.

이를 위해 사용되는 기술이 바로 PLCA다.

10BASE-T1S의 PHY와 MAC 구조

10BASE-T1S의 통신 구조를 이해하기 위해서는 PHY와 MAC의 역할을 구분해야 한다.

PHY(Physical Layer)

PHY는 디지털 데이터를 실제 물리적인 통신 신호로 변환하고 수신 신호를 다시 디지털 데이터로 복원하는 역할을 한다.

주요 기능은 다음과 같다.

물리적인 신호 송수신
차동 신호 처리
데이터 인코딩 및 디코딩
통신 매체 연결
Link 상태 관리

PHY 내부는 일반적으로 다음과 같은 기능 블록으로 구분할 수 있다.

PCS(Physical Coding Sublayer)
PMA(Physical Medium Attachment)
PMD(Physical Medium Dependent)

각 계층은 데이터 인코딩, 직렬화 및 물리적 신호 송수신과 관련된 기능을 수행한다.

MAC(Media Access Control)

MAC은 Ethernet 데이터 프레임의 송수신과 통신 매체 접근을 관리하는 계층이다.

주요 기능은 다음과 같다.

Ethernet Frame 생성 및 수신
Source 및 Destination MAC Address 처리
Ethernet Frame 송수신 제어
데이터 프레임 처리

일반적인 Ethernet 시스템에서는 MCU 내부 또는 외부에 MAC이 존재하고, 외부 PHY와 연결하여 통신한다.

MAC-PHY 구조

10BASE-T1S에서는 MAC과 PHY 기능을 하나의 장치에 통합한 MAC-PHY 구조도 사용할 수 있다.

대표적인 제품으로 Microchip의 LAN8650 계열이 있다.

이러한 구조에서는 MCU가 SPI 인터페이스를 통해 MAC-PHY 장치와 통신한다.

따라서 별도의 Ethernet MAC을 갖추지 않은 MCU에서도 적절한 하드웨어 및 소프트웨어 지원을 통해 Ethernet 통신을 구현할 수 있다.

이러한 구조는 저사양 MCU가 사용되는 센서 및 액추에이터 제어 시스템에서 활용 가능성이 있다.

PLCA란 무엇인가?

10BASE-T1S에서 가장 중요한 기술 중 하나는 PLCA(Physical Layer Collision Avoidance)다.

앞서 설명한 것처럼 Multidrop 구조에서는 여러 노드가 하나의 통신선을 공유한다.

이때 여러 노드가 동시에 데이터를 전송하면 물리적인 통신 충돌이 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위해 10BASE-T1S에서는 PLCA를 사용할 수 있다.

PLCA는 각 노드에 송신 기회를 순차적으로 부여하여 동일한 통신선에서 데이터 충돌이 발생하지 않도록 관리하는 기술이다.

PLCA의 구성 요소

① Coordinator

PLCA 네트워크에서 전체 Cycle의 시작을 관리하는 노드다.

Coordinator는 Beacon을 전송하여 새로운 PLCA Cycle의 시작을 알린다.

② Beacon

Beacon은 PLCA Cycle의 시작을 알리는 신호다.

다른 노드들은 Beacon을 수신한 후 자신의 송신 기회를 기다린다.

③ Node ID(Local ID)

각 노드에 할당되는 고유 식별 번호다.

PLCA에서는 각 노드가 자신의 Local ID에 해당하는 송신 기회를 갖는다.

일반적으로 Coordinator는 Local ID 0을 사용한다.

④ TO(Transmit Opportunity)

각 노드에 할당되는 송신 기회다.

자신의 TO가 되면 해당 노드는 데이터를 전송하거나 전송할 데이터가 없는 경우 다음 노드로 송신 기회를 넘긴다.

PLCA 동작 과정

예를 들어 다음과 같이 총 4개의 노드가 연결되어 있다고 가정하자.

Node 0: Coordinator
Node 1: Sensor A
Node 2: Sensor B
Node 3: Actuator

PLCA Cycle은 다음과 같은 순서로 진행된다.

Coordinator(Node 0)가 Beacon을 전송한다.
Node 0의 송신 기회가 발생한다.
Node 1의 송신 기회가 발생한다.
Node 2의 송신 기회가 발생한다.
Node 3의 송신 기회가 발생한다.
모든 노드의 송신 기회가 종료되면 다음 Beacon을 통해 새로운 Cycle이 시작된다.

이러한 과정을 반복하면서 각 노드는 정해진 순서에 따라 데이터를 전송한다.

여기서 중요한 점은 모든 노드가 매번 데이터를 전송해야 하는 것은 아니라는 것이다.

전송할 데이터가 없는 노드는 자신의 송신 기회를 넘길 수 있다.

PLCA의 장점

PLCA를 적용하면 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다.

여러 노드가 하나의 Bus를 공유할 수 있다.
노드 간 데이터 충돌을 방지할 수 있다.
불필요한 충돌 및 재전송을 줄일 수 있다.
각 노드의 송신 기회를 관리할 수 있다.
통신 지연 시간의 예측 가능성을 높일 수 있다.

다만 PLCA가 모든 통신 지연을 동일하게 보장하는 것은 아니다.

실제 통신 지연은 노드 수, Ethernet Frame 크기, PLCA 설정 및 네트워크 부하 등에 영향을 받는다.

CAN과 10BASE-T1S의 차이점

10BASE-T1S가 자동차에서 주목받는 이유 중 하나는 기존 CAN 네트워크와 유사한 Bus 구조를 지원하면서 Ethernet 기반 통신을 제공한다는 점이다.

하지만 두 기술은 데이터 전송 방식에서 차이가 있다.

CAN 통신 방식

CAN은 여러 노드가 하나의 Bus를 공유하며 CAN Frame을 송수신하는 방식이다.

여러 노드가 동시에 송신을 시도하면 CAN Identifier를 기반으로 Arbitration이 수행된다.

CAN에서는 Identifier의 우선순위에 따라 송신 권한이 결정되며, Arbitration 과정에서 패배한 노드는 이후 Bus가 유휴 상태가 되면 다시 송신을 시도한다.

10BASE-T1S 통신 방식

10BASE-T1S는 Ethernet Frame을 기반으로 통신한다.

Multidrop 환경에서는 PLCA를 활용하여 각 노드에 송신 기회를 할당한다.

즉, CAN은 메시지 우선순위를 기반으로 송신 권한을 결정하는 반면, PLCA는 노드별 송신 기회를 순차적으로 관리한다.

CAN과 10BASE-T1S 비교

구분 Classical CAN CAN FD 10BASE-T1S

데이터 속도	최대 1Mbps	데이터 구간 최대 8Mbps 등	10Mbps
데이터 프레임	CAN Frame	CAN FD Frame	Ethernet Frame
데이터 크기	최대 8Byte	최대 64Byte	일반 Ethernet Frame 규격
통신 구조	Bus	Bus	P2P / Multidrop
송신 제어	Arbitration	Arbitration	PLCA 사용 가능
주소 개념	CAN Identifier	CAN Identifier	MAC Address
주요 특징	우선순위 기반 통신	확장된 데이터 전송	Ethernet 기반 통신

※ CAN FD의 데이터 속도는 실제 CAN Controller 및 네트워크 구성에 따라 달라진다. 위 수치는 일반적인 비교 예시다.

10BASE-T1S는 단순히 CAN의 속도를 높인 기술이 아니다.

Ethernet Frame 및 MAC Address 기반의 통신 구조를 자동차의 저속 네트워크 영역까지 확장한 기술이라고 이해하는 것이 적절하다.

또한 10BASE-T1S가 기존 CAN을 완전히 대체하는 것은 아니며, 시스템의 요구사항에 따라 CAN 및 CAN FD와 함께 사용될 수 있다.

10BASE-T1S 시험 및 검증

10BASE-T1S를 실제 자동차에 적용하기 위해서는 단순히 Ethernet Frame이 정상적으로 송수신되는지만 확인해서는 안 된다.

물리 계층부터 네트워크 통신 안정성까지 다양한 검증이 필요하다.

특히 자동차 SW 시험 엔지니어 관점에서는 다음과 같은 항목을 확인할 수 있다.

Physical Layer 검증

PHY가 정상적으로 동작하는지 확인하는 시험이다.

PHY Link 상태 확인
송수신 신호 품질 확인
케이블 단선 및 단락 조건 확인
EMC 및 ESD 시험
PHY 오류 상태 확인

PLCA 동작 검증

PLCA가 설정된 조건에 맞게 동작하는지 확인한다.

Coordinator 정상 동작 확인
Beacon 송수신 확인
Node ID 설정 확인
각 노드의 TO 동작 확인
PLCA Cycle 정상 반복 확인
PLCA 설정 오류에 따른 동작 확인

Ethernet 통신 검증

Ethernet Frame이 정상적으로 송수신되는지 확인한다.

Ethernet Frame 송수신
Source 및 Destination MAC Address 확인
Packet Loss 측정
Bus Load 측정
통신 지연 시간 측정
잘못된 Frame 수신 시 동작 확인

Fault Injection 검증

비정상적인 통신 환경에서 시스템이 정상적으로 대응하는지 확인한다.

특정 노드 전원 차단
통신선 단선 및 단락
노드 추가 및 제거
잘못된 PLCA 설정
Coordinator 이상 상황
통신 복구 시간 측정

실제 HIL 환경에서는 CANoe와 Ethernet 시험 장비를 활용하여 Ethernet Frame 송수신 및 통신 상태를 확인할 수 있다.

다만 PLCA 검증을 위해서는 10BASE-T1S PHY 및 PLCA를 지원하는 하드웨어가 필요하며, PHY 레지스터 또는 MAC-PHY 인터페이스를 통한 추가적인 상태 확인이 필요할 수 있다.

마무리

10BASE-T1S는 기존 Ethernet 기술을 자동차의 저속 네트워크 영역까지 확장한 Single Pair Ethernet 기술이다.

특히 하나의 차동 페어를 이용하여 여러 ECU를 연결할 수 있는 Multidrop 구조와 PLCA 기술을 통해 기존 CAN 및 LIN이 담당하던 영역에 Ethernet을 적용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

또한 10BASE-T1S뿐만 아니라 100BASE-T1과 1000BASE-T1을 함께 활용하면 차량 내부의 저속 제어 네트워크부터 고속 데이터 전송 네트워크까지 Ethernet 기반으로 구성할 수 있다.