이더넷은 새로우면서도 오래되고 친숙한 네트워크 기술로 차량에도 보급되기 시작했다. 초기에는 진단 애플리케이션과 전기차의 지능형 충전용으로만 사용되었으나 이제는 차량 내 이더넷 네트워크도 구현되고 있다. 이 글에서는 이더넷의 특성과 장점을 설명하고, 이 기술을 AUTOSAR에 통합시키는 문제에 대해 논의한다. 또한 새로운 애플리케이션을 구현하는 데 사용할 수 있는 AUTOSAR 이더넷 스택의 확장에 대해서도 소개한다.

불과 몇 년 전까지만 해도 차량에서 사용하는 버스 시스템은 CAN과 LIN이 전부였다. 보다 넓은 대역폭에 대한 수요와 안전, 특히 X-by-wire 시스템에 대한 요구가 늘어남에 따라 FlexRay를 개발, 보급하게 되었다. MOST 표준도 멀티미디어 분야의 첨단 애플리케이션으로 확립되었다. CAN과 달리, FlexRay와 MOST는 복잡하고 고가의 버스 시스템이다. 이 때문에, 그리고 이런 버스 시스템을 이용하는 서비스센터 네트워크가 부족하기 때문에 CAN은 여전히 차량 진단을 위한 외부 접속용으로 사용되고 있다. 그러나 CAN의 제한된 대역폭과 늘어난 데이터양 때문에 ECU를 프로그래밍하는데 소요되는 시간이 크게 늘어나게 되었다. 몇 년 전, 이러한 문제를 해결하기 위해  인터넷 프로토콜(IP) 기반의 진단 통신(DoIP)이 개발됐다. 이 프로토콜은 차량 내 네트워크에 이더넷을 이용한 최초의 시도였으며 ISO 13400으로 표준화되었다.
이더넷은 대역폭이 넓다는 장점 때문에 주로 사무실이나 인터넷 접속용으로 사용되고 있다. 이 기술을 이용하면 기존의 서비스센터 네트워크에 DoIP 기반의 진단 테스터를 쉽게 통합할 수 있다. DoIP는 차량에서 이더넷을 사용할 수 있도록 기반을 닦은 셈이다. 조만간 전기차가 부각이 되면, 관심의 초점은 이더넷을 이용한 차량 충전 기술에 쏠리게 될 것이다. 충전 과정에서 전기차나 하이브리드 카는 충전소와 교신을 해야 한다. 즉, 충전 형태(AC/DC)나 충전 일시, 충전 시간, 요금 및 지불방법 등의 정보를 교환하기 위해 TCP/IPv6과 전용 SCC(Smart Charge Communication) 프로토콜을 이용하게 될 것이다.
표준형 이더넷 차폐 케이블은 배선 비용이 비싸 차량 내 네트워크에 널리 이용하기 어렵다. 그러나 새로운 BroadR-Reach 물리계층(PHY)을 도입함으로써 이더넷을 차량 내 통신에 이용할 수 있는 길을 열었다. TP(Twisted pair) 선을 이용하는 BroadR-Reach는 100 MB의 대역폭을 제공하는데, 이는 CAN과 비교할 때 100배나 빠른 속도이며 배선 비용도 크게 들지 않는다. 또한 이 기술은 백본 아키텍처를 구현할 수 있는 스위칭 방식 네트워크(switched network)의 장점도 제공한다(그림 1). 현재 자동차 OEM 업체들과 부품업체들이 관심을 갖고 있는 용도는 AVB(Audio Video Bridging), 네트워크 관리, 그리고 새로운 개념의 게이트웨이 ECU 등이다.
인터넷 프로토콜(IP)과 전송제어 프로토콜(TCP), 사용자 데이터그램 프로토콜(User Datagram Protocol, UDP)을 결합한 이더넷은 데이터 지향적 통신에서 서비스 지향적 통신방식으로 전환을 가능하게 한다. BMW는 SOME/IP(Service Oriented Middleware over Internet Protocol)라는 직렬화(serialization) 프로토콜을 개발했는데, 이 프로토콜의 기능 중에는 원격 절차 호출(Remote Procedure Calls, RPC)이 있다. 이 프로토콜을 보완하는 것이 서비스 검색(Service Discovery, SD) 프로토콜로, 이 또한 지정되어 있다. ECU는 SD 프로토콜을 이용해 통신 모듈에 서비스 가용 여부를 통보한다. 또한 ECU에서 서비스를 검색하고 이벤트를 등록하는 데에도 사용할 수 있다.

이더넷과 AUTOSAR

이더넷은 AUTOSAR 버전 4.0 이후 AUTOSAR 표준의 일부가 되었다. AUTOSAR 아키텍처에서 이더넷 통신 스택은 CAN과 LIN, FlexRay 스택들과 병렬로 위치해 있다. 그러나 다른 스택들과는 달리 이더넷은 상위 프로토콜 계층의 IP 및 UDP, TCP에 관련된 특수 기능들을 갖추고 있다. 이더넷 트랜시버 드라이버(EthTrcv) 모듈과 이더넷 드라이버(Eth) 모듈은 다른 네트워크 기술들과 호환성을 가지고 있다. 반면에 이더넷 인터페이스(EthIf) 모듈은 다르다. CAN이나 LIN, FlexRay 인터페이스는 AUTOSAR의 프로토콜 데이터 유닛(PDU) 인터페이스에 직접적으로 구현되는 반면, 이더넷 인터페이스에서는 원시 데이터를 TCP/IP 스택으로 우회시키거나 TCP/IP 스택에서 직접 데이터를 수신하기도 한다. IP나 UDP, TCP 프로토콜들은 TCP/IP 스택에서 처리되지만, 이 스택은 AUTOSAR 4.0에 최적화되어 있지 않다. 그러므로 공통 규격의 TCP/IP 스택을 사용토록 권고한다.
TCP/IP 프로토콜 계열의 패러다임은 소켓의 사용이다. 소켓은 IP 주소와 원격/로컬 종단 노드의 포트로 식별할 수 있다. 소켓을 통해 패킷 지향적 UDP와 접속 지향적 TCP 사용자 데이터를 TCP/IP 스택에서 애플리케이션, 또는 그 반대 방향으로 경로 지정을 할 수 있다. 이 패러다임은 AUTOSAR의 PDU 개념과는 호환이 되지 않는다. 소켓 기반의 통신을 PDU 기반으로 변환하거나 그 반대방향으로 변환하는 것은 소켓 어댑터 모듈(SoAd)의 임무이다. 이 모듈은 상위 레벨의 모듈에 AUTOSAR 아키텍처의 이더넷 스택에 완전 통합되는 친숙한 PDU 인터페이스를 제공한다.
AUTOSAR 4.0에 규정된 이더넷 스택으로 이더넷을 통한 PDU 송수신의 기초를 닦았다. 또한 DoIP의 유스케이스에 대해서도 고려했다. DoIP 프로토콜의 구현은 소켓 어댑터 플러그인으로 이루어질 것이다. 더욱이 이 AUTOSAR 버전에서는 이더넷용 XCP를 통한 ECU 캘리브레이션과 UDP를 이용한 네트워크 관리 등을 지원하며, AUTOSAR 복합 드라이버(Cdd)를 연결하는 인터페이스도 제공한다. AUTOSAR 4.0에서는 이더넷 스택의 데이터 파라미터를 자동적으로 추출하는 작업도 일부 지원한다. 사용자는 AUTOSAR System Description이나 ECU에서 추출한 System Description에서 이더넷 네트워크나 프레임, PDU에 대한 정보를 확인할 수 있다. IP 주소와 포트 지정 등, 상위 프로토콜 계층에 대한 데이터 제공은 규정되어 있지 않다.

AUTOSAR 4.1의 이더넷 지원 확장

차량 내 이더넷 네트워크가 도입되면서, AUTOSAR 4.0 이더넷 스택으로는 충족시킬 수 없는 새로운 요구사항이 대두되었다. 예를 들어 여러 개의 PDU에서 효율적으로 전송하기가 매우 힘들어졌다. 따라서 AUTOSAR 4.1.1에서는 이더넷 스택이 다음과 같이 개선됐다:

AUTOSAR 모듈로 구성된 TCP/IP 스택
IPv4 및 IPv6 지원. 두 가지 IP 버전을 단일 ECU 내에서 개별/병렬로 운영 가능
가상 랜(VLAN) 사용 가능
소켓 어댑터 상의 PDU 기반 데이터 전송 효율성 증대
상위 레벨의 모듈에 대한 소켓 어댑터의 일반 인터페이스 제공
DoIP 프로토콜을 소켓 어댑터에서 삭제하고 별도의 DoIP 모듈로 분리
SD 프로토콜을 AUTOSAR 신규 모듈로 사양화

AUTOSAR에서는 아직도 SOME/IP 프로토콜과 SCC의 유스케이스 및 AVB를 다루지 않고 있다. SOME/IP 구현에 대한 정보는 현행 표준의 첨부 문서로 이용 가능하다. 실제로 아직까지는 FIBEX 4.1만 차량 내 이더넷 네트워크용 디스크립션 포맷으로 사용할 수 있다. FIBEX 4.1은 현재 AUTOSAR 4.1.1에 호환된다. 즉, 두 가지 디스크립션 포맷이 동일하지는 않더라도 정보 손실 없이 서로 다른 포맷으로 변환시킬 수 있다는 뜻이다. 이에 따라 AUTOSAR 4.1.1의 이더넷 스택에서 자동으로 데이터를 파라미터화 할 수 있다(그림 2).

실무에 유용한 보조 기능

이미 언급했듯이, AUTOSAR 규격에서는 SCC 통신과 같은 이더넷 스택용 애플리케이션을 다루지 않고 있다. 이와 관련된 ISO 및 DIN 표준이 있는데, 벡터에서도 그 개발에 참여했다. 전기차 및 하이브리드 카 제조업체들과 부품업체들은 지능형 충전에 대한 이러한 표준에 규정된 프로토콜이 필요하다. 이러한 프로토콜이 AUTOSAR 이더넷 스택에 매끄럽게 통합되는 것이 이상적이다.
규격 상으로, 보편적 측정/캘리브레이션 프로토콜(XCP)에는 라우팅 기능이 없다. 이더넷을 차량 접속용으로 사용할 때에는 XCP를 통해 이더넷 네트워크에 직접적으로 연결된 모든 ECU를 캘리브레이션 할 필요가 있다. 벡터는 독일의 자동차 OEM 업체와 협력해 이를 위한 메커니즘을 개발했다. 게이트웨이를 통해 DoIP를 하위 이더넷 네트워크로 라우팅하는 것은 ISO 13400 표준 규격에 규정되어 있지 않다. 그러나 다양한 자동차 OEM 업체들이 이에 필요한 솔루션 개발을 추진하고 있다.
AUTOSAR에서 정의하고 있는 이더넷 스택은 ECU 소프트웨어로 구입이 가능한데, 벡터에서 MICROSAR IP라는 제품으로 판매하고 있다(그림 3). 이 제품은 AUTOSAR 4.0.3 및 4.1.1에 명시된 기능을 제공하고 있으며 AUTOSAR 3도 지원한다. 위에서 언급한 AUTOSAR 확장에 대한 내용도 지원하며 자원을 최소화하여 SOME/IP를 구현할 수 있도록 도와준다. 또한 MICROSAR IP의 아키텍처는 고객별로 확장 기능을 구현할 수 있도록 허용한다.

전망

AVB의 한 가지 특징은 이더넷을 통해 오디오/비디오 스트림을 시간 동기화(Time-Synchronous) 방식으로 전송할 수 있도록 해준다는 것이다. 여기에 필요한 IEEE 1722 전송 프로토콜은 벡터에서 시판 중이다. AVB는 현재 시간 동기화 기능을 Generic Precision Time Protocol과 통합시키는 단계에 와 있다.
AUTOSAR 버전 4.2.1에는 이더넷 스택과 관련된 확장 기능이 몇 가지 들어 있다. 현재 SOME/IP를 통한 데이터 직렬화 등을 표준에 포함시키려는 노력을 진행 중이다. 이러한 계획에는 송신자와 수신자 간의 통신에서 데이터 직렬화를 지원하는 방식도 포함된다. 현재 이러한 방식은 클라이언트-서버 연결에서만 가능하다. 다른 문서에서는 두 번째 통신 모듈의 도입도 설명하고 있는데, 이 모듈은 직렬화 데이터를 효율적으로 송수신하도록 특별히 설계됐다. 현재 논의 중인 다른 개념으로는 IP 주소의 할당과 다른 네트워크들과의 글로벌 시간 동기화 등이 있다.