최근 자동차 고속 네트워크 통신을 둘러싼 공방이 벌어지고 있다. 이 공방은 현재 자동차에서 사실상 고속 네트워크 표준으로 자리잡은 MOST(Media Oriented Systems Transport)와 상업 세계에서 IT 인프라용 표준인 이더넷 간에 제기됐다. 그러나 한 가지 전송 타입에 모든 것을 억지로 끼워 맞추기보다는 기술들을 결합하는 것이 실제로 더 나은 솔루션이 될 수 있다.

자동차는 서로 통신할 수 있는 서브시스템으로 구성돼 있지만, 이 서브시스템들이 사용하는 데이터 전송 요구사항은 상이하다. 예를 들면, 창문을 내리고 올리는 간단한 버튼에 요구되는 데이터 통신 요건은 매우 낮으며 비용에 극히 민감하다. 따라서 많은 자동차 통신용으로 한 가닥의 도선을 사용하는 LIN(Local Interconnect Network)이라고 하는 저렴한 시리얼 버스를 사용한다. CAN은 LIN보다 복잡하고, 다양한 차량용 마이크로컨트롤러에 구현하기 쉽다. 따라서 많은 진단 기능들과 바디 및 엔진 제어 통신에는 CAN을 사용한다. CAN은 메시지 기반 전송 프로토콜을 사용하며 비교적 적은 양의 정보 송신에 최적화 돼 있다.

그러나, 전송해야 할 데이터 양이 늘어남에 따라 더 빠르고 복잡한 네트워크가 필요하게 됐다. 이러한 네트워크들은 앞서 설명한 것들보다 훨씬 더 많은 처리 능력이 요구되며, 또한 한 장소에서 다른 장소로 이동해야 할 데이터 양으로 인해 10배 이상의 대역폭을 요구한다.

지난 10년간 자동차 업계는 오디오 및 비디오 데이터 통신을 위해 MOST에 집중했다. MOST는 1차적으로 자동차 엔터테인먼트 시스템을 단순화할 의도로 고안되었지만 처음부터 다양한 장치에서의 스트리밍 데이터까지 염두에 두었다. 자동차 제조업체와 서플라이어들로 구성된 협회이자 표준화 추진 단체인 MOST코퍼레이션에 따르면, 현재 115개 자동차 모델에 MOST 네트워크가 적용됐다. 이 기술을 구현한 장치가 1억 개 이상이며 일부 고급 자동차의 경우 차량 한 대당 최대 15개의 장치가 들어있다.

한편, 자동차가 외부 세계와 연결되면서 IP (Internet Protocol) 통신이 더욱 더 중요해지고 있다. IT 세계에서 대부분의 트래픽은 IP 패킷을 중심으로 연동되는 여러 가지 프로토콜을 사용하며 많은 애플리케이션들은 이 표준을 사용해 자동차에서 입출력 정보를 처리한다.

기술들이 아무리 서로 적대적으로 묘사되든, 오직 한 가지 기술만이 압도적으로 사용돼야 하는 곳이든 간에 MOST와 이더넷은 둘 다 확실한 장점을 가지고 있으며 두 기술 간에는 많은 시너지가 존재한다. 

이더넷의 경우: 패킷 전송(Packet Transmission)  
 
이더넷은 컴퓨팅 시스템들이 멀리 떨어져 있고 이들 시스템 간에 안정적인 연결이 없을 때, 이를 연결할 목적으로 1970년대에 개발됐다. 장거리에 걸쳐, 그리고 위치들 간의 연결이 바뀌면 변경되는 경로로 패킷 정보를 전송할 수 있는 간단한 물리 계층이 필요했다. 각 패킷은 주소 지정과 제어 정보로 캡슐화함으로써 언제든지 네트워크에 연결하고 분리할 수 있는 컴퓨터 시스템에 대해서 마음대로 경로를 변경할 수 있다. 이것은 봉투에 편지를 넣어 다른 나라에 있는 수신자에게 보내는 것과 유사하다. 정확한 경로는 바뀔 수 있지만, 중요한 것은 언제 그 편지가 그 곳에 도착할지 정확한 시간은 예측할 수 없고 전송할 때마다 도착 시간이 바뀐다 하더라도 그 정보는 목적지에 도착한다는 것이다. 차량 외부와 교환된 모든 정보는 진단 인터페이스를 통해서든, 또는 셀룰러 모뎀을 통해서든 데이터가 A지점에서 B지점으로 이동하는 방법을 제어하기 위해 설계된 다른 정보와 함께 출발지(source) 주소와 도착지(destination) 주소를 포함하고 있는 개별 패킷에 끼워 넣어진다. 이런 전송 유형은 전자메일, 웹 브라우징 등과 같이 시간이 중요하지 않거나 시간에 민감하지 않은 데이터 이동 등에서 매우 유용하다. 또한 이더넷이 널리 사용됨으로써 IEEE 802.3 전기 물리 계층이든 또는 무선 LAN이나 셀룰러 통신이든 이런 통신 유형의 초석인 IP 패킷을 사용하는 다양한 애플리케이션이 생겨났다. 따라서 자동차에 이더넷 기반 미디어가 있다면, 자동차 전용이 아닌 이들 애플리케이션을 약간의 변경으로 쉽게 사용할 수 있다.

이더넷의 기본적인 구조는 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect) 기술에 기반을 두고 있다. 이것은 모든 참여자들이 전송 매체가 사용되고 있는지 여부를 알고 있으며, 사용 중이 아닌 경우에는 전송을 시도한다는 것을 의미한다. 만약 여러 송신기가 전송을 시작하는 경우 충돌이 일어나고 감지된다. 그러면 모든 송신기는 전송을 철회하고 임의의 시간 동안 대기한 후 다시 전송을 시도한다.

이 기술의 문제는 충돌이 언제 일어날지 예측이 불가능하다는 것이며, 더 많은 장치가 연결됨에 따라 대기하고 다시 전송하는데 더 많은 시간과 대역폭이 낭비된다는 것이다. 이 시스템은 비-결정적이며 대기 시간에 다양한 편차가 있을 수 있다. 사실 몇몇 연구에서는 고 부하(heavily loaded) 네트워크에서 대역폭 활용도가 50% 미만이 될 수 있으며, 나머지 시간은 물리 매체를 중재하고 점유하는데 사용된다는 것을 보여준다. 서로 경쟁하는 노드는 같은 충돌 도메인(collision domain)에 있다고 한다. 이 문제는 엄격한 실시간을 요구하지 않는 데이터에 대해서는 문제가 되지 않는다. 그러나 오디오와 비디오, 그리고 어떤 애플리케이션이든 연속으로 흐르는 데이터 스트림이 절대로 방해 받아서는 안 되는 경우, 또는 TV광고료를 책정하기 위해 제어 메시지가 사전에 정해진 타임프레임 내에 "반드시 도달"해야 하는 경우에는 문제가 된다. 버퍼링이 도움이 될 수 있지만 지연을 초래하게 된다. 이것은 시간 지연이 안전에 문제가 되는 카메라나 운전자 보조 기능과 같은 애플리케이션에서는 허용될 수 없다.

스위치는 여러 패킷의 출발지와 도착지의 위치를 계속 추적한다. 스위치는 그것을 통해 트래픽이 흐르는 것으로 네트워크를 학습한다. 스위치는 충돌 도메인을 분리하고 이더넷의 기본 CSMA/CD 기술에 존재하는 많은 병목현상을 제거하는 효과가 있다. 트래픽은 포트로 보내지고 경로를 통해 목적지까지 도달하며 다른 장치들은 이것을 알지 못한다. 

추가적인 하드웨어와 버퍼링이 절충안으로 필요하며 결정론은 엄격한 실시간 기능보다 단지 통계적인 것이다. 스위치들은 이 네트워크를 사용하는 각 장치에 있는 기본적인 네트워크 인터페이스에 추가된다. 이러한 스위치들은 중앙집중화 할 수도 있고 혹은 3포트 스위치를 각 장치에 추가해 전체가 데이지체인 방식으로 연결될 수 있다. 그러나 다른 장치들과의 충돌을 피하려면 모든 네트워크 인터페이스들은 스위치에 연결돼야 한다. 따라서 실제 이더넷 트랜시버에 하드웨어와 비용이 추가된다. 장치들이 네트워크 없이 물리적 매체를 공유하는 경우, 장치들은 CSMA/CD 메커니즘으로 돌아간다. 또한 자동차에 사용되는 스위치들은 오디오와 비디오를 연결하는 하드웨어 기능을 포함시킬 필요가 있기 때문에, 사무실에서 사용하는 일반 스위치보다 더 특별해야 한다. 이더넷 AVB에는 클록을 분배하고 전송되는 각 패킷에 타임스탬프를 제공하고, 대역폭 예약 및 패킷 우선순위에 메커니즘을 제공하기 위해 하드웨어가 추가된다.

요약하면, 이더넷은 널리 사용되고 있으며 차량에서 송수신하는 거의 모든 데이터는 결국 어떤 유형의 이더넷으로 가게 될 것이라는 것이다.

MOST의 경우: 스트림 전송(Stream Transmission)

장거리로, 불확실하고 바뀌는 경로를 통해 패킷을 전송하는 경우에는 IP 패킷에서 사용되는 주소 지정 정보가 필요하지만, 이것은 상당한 오버헤드를 초래한다. A/V소스와 렌더러 간에 A/V 스트림을 송신한다는 것은 상당한 양의 데이터가 오랫동안 흐를 것이라는 것을 의미한다. 데이터는 고정된 소스에서 하나 이상의 고정된 렌더러로 흐를 것이다. 주소 지정 정보를 추가하고 데이터를 여러 패킷으로 분할하고 나면 이들 패킷들이 어떤 장치를 통해 경로를 따라 흐를 때마다 검사를 해야 하는데, 결과적으로 대역폭의 낭비가 많아진다. 이로 인해 패킷들이 항상 정확한 지연과 결정론적인 시스템을 통해 이동하지 않을 수 있기 때문에 정보 처리가 복잡해진다. 또 패킷들이 풀려서 데이터가 연속 스트림으로 들어와야 여러 종류의 오디오와 비디오 디코더가 데이터를 처리할 수 있다. 이러한 전송의 경우, MOST의 스트리밍 및 등시성 채널이 갖는 이점이 두드러진다. 제어 채널은 데이터가 프레임 내에 삽입돼야 할 위치와 렌더러가 필요한 데이터를 수집하는 위치를 설정하는데 사용된다. 이 설정이 완료되면, 실제 오디오/비디오 데이터만이 전송되며 주소 지정이나 타이밍 정보로 인한 오버헤드가 없다.



그림 1은 전형적인 이더넷 프레임의 구조이다. 각각의 단일 패킷 정보에는 총 210비트 상당의 다양한 정보(프리앰블, 시작 프레임 구분자, 목적지 및 출발지 주소 등)가 있다. 여기에는 AVB(Audio/Video Bridging)와 같은 프로토콜이 필요로 하는 비트는 들어있지 않다. CD 품질의 오디오 샘플이 단지 32비트라는 것을 고려하면 엄청난 오버헤드 양이다. 물론, 여러 오디오 샘플들을 더 큰 데이터 페이로드에 결합할 수는 있지만 패킷이 커질수록 패킷이 손실되면 오디오 드롭이 더욱 안 좋아진다. 또 소프트웨어를 기반으로 에러를 검출, 정정 및 재전송을 하려면 버퍼가 더욱 커져야 한다. 정보를 버퍼링해야 할 때는 지연이 문제된다. 이것은 운전자 보조 애플리케이션에 있어서 매우 중요하다. 이더넷에서 가장 작은 페이로드를 사용하더라도(46바이트 또는 368비트), 210비트의 관리 정보는 각 프레임에서 전송되는 비트 수의 36% 이상을 차지한다. 단일 오디오 샘플은 최소의 페이로드 이더넷 프레임에서 전송되는 비트의 약 5%에 불과하다. 비트의 약 95%는 오버헤드이다.



전체 MOST 네트워크는 동기식이며, 모든 참여자들은 하나의 타이밍 마스터로부터 클록을 얻는다. 따라서 버퍼링이 필요 없다. 스트리밍 채널은 단 한 번 설정되고 실제 데이터만이 전송되므로 오버헤드 추가가 없다.

MOST 네트워크에서, 각 네트워크 인터페이스는 마이크로세컨드(μs) 단위로 결정된 시간에 데이터를 통과시킨다. 애플리케이션은 데이터가 타임-스탬핑 없이도, 또 각 패킷이 어디에서 와서 어디로 가는지 알기 위해 각 패킷을 처리하지 않고도 한 장소에서 다른 장소로 이동하는 데 걸리는 시간을 정확히 안다. 애플리케이션은 데이터가 얼마나 빠르게 사용되는지를 정확히 알고 적정 시간에 데이터를 네트워크 상에 올리고 제거할 수 있다.

이더넷 네트워크는 “최선형(best effort)” 배달 방식이다. 이 네트워크는 배달을 보장하지는 않는다. 신뢰할 수 있는 데이터 연결을 설정하고 유지하기 위해서는 TCP/IP와 같은 상위 계층 프로토콜이 필요하다. 이것은, 이에 수반되는 처리 능력과 함께 네트워크에 연결하는 각 노드에서는 상당한 소프트웨어 오버헤드가 필요하다는 것을 의미한다. 심지어는 패킷 손실의 가능성이 낮은 자동차 안에서도 여전히 표준 이더넷 프로토콜을 구현하려면 완전한 처리 능력이 필요하다. 이더넷 PHY 자체는 비싸지 않겠지만, 필요한 소프트웨어 스택을 구현하기 위해서는 지원 프로세서가 필요하다. 이와 달리 MOST는 INIC의 원격 제어를 허용하기 때문에, 간단한 애플리케이션의 경우(예: 한 개의 INIC와 앰프를 통합한 ADC만을 가지고 있는 액티브 스피커), 원격 노드에서 추가 처리 능력이 필요 없다.

한편, 점점 더 많은 데이터가 이미 기본적으로 IP 통신을 사용하는 컨수머 애플리케이션 간에  패킷화되어 전송되고 있고, 이런 데이터를 동기성 또는 등시성 MOST 채널을 통해 전송하는 경우 데이터를 다른 형식으로 바꾸는 처리를 추가해야 한다. 이러한 처리의 일부는 애플리케이션이 이미 원래의 형식으로 정보를 처리하고자 할 때는 불필요하다. 만일 LTE 연결을 통해 웹을 검색하는 PC가 있다면, 데이터가 원래의 형식으로 PC에 도달하면 가장 간단할 것이다.

MOST에 대해 요약하면, MOST는 통상 인포테인먼트 시스템과 운전자 보조 시스템에서 요구하는 스트리밍 데이터를 전송하는데 매우 효율적이다.



모든 것을 조합(Puttingit all together)

최신 세대의 MOST인 MOST150은 이에 대한 모든 논쟁을 잠재웠다. 모든 데이터를 단 하나의 전송 프로토콜에 맞추려고 특정 포맷으로 변경할 필요가 없다. MOST150은 프레임 내에 전용 이더넷 채널을 가지고 있다. 이 채널은 상위의 이더넷 네트워크 관리 스택에 의해 특별한 처리 없이 표준 이더넷 패킷을 송신할 수 있으며, MOST 네트워크를 통해 이더넷 패킷을 전송한다. MOST150 INIC (Intelligent Network Interface Controllers)는 심지어 이더넷 스타일 MAC 주소가 있어서 이더넷 패킷이 정확한 위치에서 추출되고, 또한 다른 표준 이더넷 장치로 전달될 수 있다. 시스템의 중앙 스위치 허브와 하드웨어도 추가할 필요 없다. 따라서 오디오/비디오 프로그램과 같은 스트리밍 데이터는 MOST 메커니즘을 사용해 병렬로 전송할 수 있으므로 사용 가능한 대역폭을 더욱 효율적으로 사용할 수 있다.

실제로 애플리케이션이 IP-기반 전송 만을 요구할지라도 MOST150 네트워크는 이더넷 채널에만 대역폭의 100%를 할당할 수 있다. 따라서 이미 검증된 자동차 물리 계층을 차량에서 이더넷 전송을 위해 사용할 수 있다.

MOST150을 사용하면, 단일 물리 계층을 사용해 각 기술들이 차량에 제공하는 이점들을 지원한다.

국제표준화기구(ISO)는 네트워크 통신을 위한 OSI 참조 모델을 개발했다. 이더넷의 경우, 그 모델은 그림 2와 같다:

MOST150을 통해 동일한 모델을 사용하려면, 간단히 하위 두 계층을 변경해 MOST로 대체하면 된다. 그러면 병렬로 추가적인 MOST 계층을 실행할 수 있다. 새로운 모델은 그림 3과 같다:

모든 상위 계층은 변경되지 않고 그대로다. 이더넷 통신을 위해 변경되는 것은 데이터 링크 계층과 물리 계층뿐이다. 실제 소비자 관련 애플리케이션은 전혀 변경이 필요 없다. MOST 패킷 채널은 자체 네트워크 스택이 있으므로 이더넷 스택과 병렬로, 독립적으로 실행할 수 있다.

IP 통신을 위한 많은 IT 관련 스택이 있지만, 자동차 업계는 시스템 관리 및 제어 기능과 같은 자동차 애플리케이션용으로 많은 특징이 있는 고유한 통신 스택과, CAN과 같은 자동차 네트워크에 대한 게이트웨이를 개발했다. 이러한 스택은 표준 이더넷 상에서 실행하기에는 맞지 않지만, MOST에 대해서는 사용할 수 있다. 단일 데이터 링크 계층 및 물리 계층에 이더넷과 MOST를 결합하면, 자동차 정보 및 엔터테인먼트 시스템을 관리하기 위해 더 이상 쓸데 없이 시간을 낭비할 필요가 없으므로 필요한 개발 노력을 가속화한다. 차량에 이더넷 기능을 추가할 때, 현재 설치돼 있는 전체 자동차 네트워크 관리 인프라를 활용할 수 있다. 자동차 개발 및 제조 시스템을 대상으로 한 완전한 툴 체인이 이미 존재하며 거의 변경 없이 현재 MOST 기능 세트에 이더넷 기능을 추가할 수 있다.

자동차 스택과 이더넷 스택은 둘 다 최신 MOST150 차량에서 함께 실행할 수 있다. 기술적인 관점에서, 차량이 어떤 종류의 인프라를 필요로 하는지에 대해 다툴 필요가 없다. 패킷 및 스트림 전송을 모두 수용할 수 있으며 디자이너는 자신의 문제에 대한 최적의 솔루션을 활용할 수 있다.

결론

MOST코퍼레이션을 이끌어가는 자동차 제조사들은 적용할 수 있는 다양한 네트워크 기술들을 자세히 검토했다. MOST150의 이더넷 채널은, 이미 적절히 운용되고 있는 MOST의 효율적인 동기식 메커니즘과 스트리밍 메커니즘의 장점을 활용하는 동시에 자동차 안팎에서 IP 통신을 사용할 수 있도록 개발됐다. 또한 자동차 산업에서 필요한 모든 소프트웨어 계층을 포함하고 있으며 새로운 자동차 네트워크 관리 스택이 필요 없다.

AEM_Automotive Electronics Magazine