지난 수년 간 주로 기계류와 생산설비의 자동화에 사용하기 위해 도입된 새로운 종류의 이더넷이 사무실과 산업현장의 가교 역할을 하기 시작했다. 또 안전설비, 에너지 공급, 차량, 열차, 항공, 우주선 등 다양한 분야에서 이더넷은 새로운 응용분야와 시스템 단순화 및 비용절감 등을 만족시키고 있다.

최근 차량의 전자장치 기능의 복잡성 증가는 차량 네트워크의 병목현상에 의해 시스템 효율을 떨어뜨리고 있다. 통신 대역폭은 물론, 시스템 통합 능력도 전자 플랫폼 아키텍처를 최적화하는데 제약요소가 된다. 여기에 새로운 기능을 추가하기 위해서는 더 많은 양의 와이어와 ECU가 필요하고, 소프트웨어 설계 및 통합을 포함한 전체 전자 시스템 비용을 줄이기 위해서는 기존 시스템 설계에 새로운 설계방법론이 제시돼야 한다.

차량용 이더넷
최신 프리미엄 자동차를 들여다보면, 아주 다양한 버스 시스템(LIN, CAN, FlexRay, MOST)을 만날 수 있다. 이런 버스 시스템은 70개 이상의 ECU와 서로 연결돼 있으며, 이러한 서로 다른 종류의 버스 시스템의 공존은 비용과 중량, 에너지 사용량을 증가시키는 요인이 된다. 이러한 네트워크들의 완벽한 검증, 제어, 유지보수는 다양한 특화된 고가의 제어 및 진단 장비들에 의해 가능하며, 이종(異種) 네트워크 간 데이터 교환을 하기 위해서는 게이트웨이가 필요하다. 따라서, 이러한 버스 시스템을 줄이게 되면 개발비와 복잡성을 줄이는 데 도움이 될 것이다.
자동차에서 최초의 이더넷 응용분야는 카메라 시스템을 위한 통신이 될 것이다. 이 시스템의 양산은 2013년 혹은 2014년쯤으로 예상된다. BMW는 운전자 보조장치에 이더넷을 도입할 예정이며, 여기서 비디오카메라는 중앙처리장치에 연결된다. 일반적으로 전형적인 이더넷 응용분야는 대용량의 데이터 전송과 센서 데이터의 분산처리를 위해 광대역이 사용되는 경우 일 것이다. 그 한 가지 예가 차선이탈 경고장치와 같은 수동안전 시스템이다. 그 다음 단계로는 브레이크 보조장치와 같은 능동안전 시스템에 이더넷을 사용하는 경우이다.
높은 대역폭의 이더넷을 사용함으로써 종단 시스템 수를 줄일 수 있고, 여러 개의 분산 시스템을 몇 개의 제어기로 줄일 수 있다. 이는 대역폭이 정확하게 분배되고, 네트워크 트래픽이 통계적으로 변동(jitter)이 없어야 하며, 비트율(bit rate)이 보장될 때에만 가능하다. 가능한 한 많은 차량용 기능들을 강력한 프로세서에 결합할 수 있다. 총 시스템 가격은 얼마나 많은 와이어를 줄이고 표준화된 부품을 사용하는가에 달려있다.
장기적인 시각으로 볼 때 실시간 통신에 이더넷 백본을 사용하면, 와이어와 ECU를 줄이고 총 라이프사이클 비용을 줄이는 데 도움이 된다. 점차 늘어나는 기능들 때문에, 이러한 새로운 접근방식은 자동차 토폴로지에 큰 영향을 미칠 것이다. 오늘날 안전관련 시스템 통합은 물론, 기능통합의 수준을 향상시키기 위한 논의가 이미 시도되고 있다. 자동차의 케이블을 줄이면서 높은 기능통합과 비용 효율적인 구조를 가지는 도메인 프로세서 구조(domain processor structures)가 그 중 하나다. 이더넷 백본 네트워크는 이상과 같은 목적으로 사용하기에 이상적이다. 안전관련 응용분야를 위한 데이터 통신의 높은 신뢰성은 이중화 네트워크(redundant network) 경로를 통해 실현될 수 있다.
이더넷 버스 시스템은 대부분의 영역에 이러한 요구사항을 만족시킬 수 있다. 이더넷은 높은 수준의 노하우를 제공하며, 이미 존재하는 소프트웨어 스택을 재사용함으로써 제품 출시를 앞당긴다. 최근 진단이나 프로그램을 업데이트할 때, 인터넷 프로토콜(IP)을 많이 사용한다. 이더넷 기술이 완숙기에 접어들면, 더 높은 대역폭을 필요로 하는 다른 응용분야에도 확실히 적용 가능한 수준에 이를 것이다.



실시간 통신 솔루션 TTEthernet
자동차에서 정적인 네트워크 토폴로지는 그 특성상 제어 데이터의 시간과 부하에 대한 거동들을 정확하게 예측할 수 있다. 이러한 거동이 정확하게 TTEthernet에 맵핑된다. TT는 time-triggered를 의미하며, 정확한 스케줄에 따라 네트워크에 전송되고, 고정된 지연시간(latency)과 마이크로세컨드 수준의 지터(μs-jitter)를 보장한다는 점 때문에, TTEthernet은 그 기능에 인간의 생명을 담보해야 하는 최상급의 안전 등급을 요구하는 시스템에 사용할 수 있다. 더욱이 TTEthernet 스위치는 IEEE 802.3 표준 및 그 상위 계층과 완전한 호환성을 가지며, 제 2계층 서비스로서 time-triggered 방식의 네트워킹 기능이 추가됐다. 이는 동일한 네트워크 내에서 웹 응용 소프트웨어, 인터넷 전화, 텔레매틱스, 멀티미디어 스트림, 중요한 제어 데이터와 진단 정보와 같은 다양한 정보가 전송될 수 있다는 것을 의미한다.
TTEthernet은 우주왕복선을 대체할 NASA의 오리온(Orion) 우주선의 백본 시스템으로서 사용된다. TTEthernet을 채택한 중요한 이유는 결정적(deterministic) 시스템 성능을 가지고 있다는 점, 아주 중요한 기능과 일반적인 연산 및 네트워크 리소스를 서로 공유하는 비교적 덜 중요한 기능들을 완전히 분리할 수 있는 반면에 와이어 수와 중량을 현저하게 줄이는 구조를 설계할 수 있다는 점 때문이다. 또한 확장성 및 각각의 국제 표준에 부합할 뿐만 아니라, 적당한 가격의 부품들, 이더넷 인터페이스를 포함하는 임베디드 마이크로컨트롤러, 기존의 서브시스템들과 비용을 최소화하면서 통합할 수 있다.
TTEthernet이 사용될 수 있는 보다 더 적합한 응용분야는 고장이 엄청난 비용을 초래할 수 있는 시스템이다. TTEthernet을 사용함으로써 이러한 시스템은 심지어 다수의 고장에도 불구하고 계속 운용이 가능하다. 따라서, 고장 발생 즉시 고장에 대한 대처를 하지 않더라도 정기적인 보수만으로도 시스템을 유지할 수 있고, 아울러 정기 유지보수의 빈도도 줄어든다. 해양풍력발전기와 같은 실시간 제어와 안전관리가 통합된 시스템을 예로 들 수 있다. 또한, TTEthernet은 일련의 항공우주 프로젝트에 쓰이고 있을 뿐만 아니라 이미 철도, 의학, 로보틱스와 관련된 프로젝트에 적용되고 있다. 이러한 응용분야들은 높은 가용성, 신뢰성, 정확한 타이밍, 하나의 기준, 비용 효율적이면서 표준화된 네트워크에서 다양한 서비스가 가능해야 한다는 공통의 요구사항을 가지고 있다.



차량 플랫폼에서의 TTEthernet (SAE AS6802)
TTEthernet 스위치는 SAE AS6802에서 정의하고 있는 향상된 제 2계층 서비스 품질(Layer 2 QoS)을 포함하고 있으며, 이는 기존 이더넷 시스템의 확장이라고 볼 수 있다. TTEthernet 스위치는 time-triggered와 real-time 메커니즘으로 IEEE 802.3에 정의된 기존의 이더넷을 보완한다. 표준 이더넷을 쉽게 마이그래이션할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 저렴한 이더넷 컨트롤러도 사용할 수 있다. 동시에 이 프로토콜은 물리계층들의 구체적 구현과는 무관하다. 또한 AVB(Audio /Video Bridging)와의 통합 역시 가능하다.
TTEthernet은 하드 리얼타임 및 소프트 리얼타임과 비 실시간 요구사항은 물론, 다양한 안전 기준과 시간 기반의 분산된 내(耐)고장성(fault-tolerant)을 포함하는 데이터의 원활한 병렬 전송을 위해 개발됐다. time-triggered 메시지는 무손실과 충돌 없는 전송이 가능하고 중요한 데이터 전송에서 고정된 지연시간과 마이크로세컨드 수준의 지터를 보장함으로써 최적의 대역폭 활용도를 실현해 표준 LAN에 비해 5배나 높은 대역폭 활용도를 제공한다. 이것은 네트워크가 분산 컴퓨터 시스템과 같이 작동하는 아키텍처를 설계하고, 또 여러 기능들이 센서나 제어 시스템과의 거리에 관계없이 시스템 내의 어떤 임의의 제어기에서도 작동하는 아키텍처를 설계하는 데 필수적인 요소이다.
TTEthernet은 시스템의 성능과 네트워크 리소스를 시스템 단위로 분할하도록 보장한다. 따라서, TTEthernet으로 종단 시스템의 수를 줄이고 여러 개로 분산된 기능들을 몇 개의 제어기로 통합할 수 있다. 이것은 어떤 ECU에서나 실시간 기능을 가능하게 하고, 각각의 ECU는 역효과 없이도 많은 다른 제어 기능을 통합할 수 있게 한다. 이러한 접근은 통계적으로 변동 없는 네트워크 트래픽으로 정확하고 결정적인 방식으로 백본의 대역폭이 각각의 다른 분산된 기능들에 할당될 때에 가능한 것이다. 이 부분은 표준 이더넷에서는 제기되지 않았던 부분이다. 강력한 마이크로세컨드(μs)수준의 동기화 기능은 time-triggered 네트워크의 핵심이다. 네트워크 동기화에 실패하거나 네트워크에 잘못된 시간 정보를 제공해서 결국에는 시스템을 망가지게 할 수 있는 시나리오도 발생할 수 있다. 그러므로, TTEthernet은 타임스탬프(time stamp)와 중앙 클록(central clock)에 따르지 않고, SAE AS6802 표준에 정의된 강력한 분산된 내고장성 클록 동기화 알고리즘에 기반을 한다. 공식적으로 검증된 메커니즘들은 시스템 고장 중에서도 네트워크의 활용이 가능하며, 페일 오버타임(fail-over time) 없이 연속적으로 정확한 로컬 타임을 보장한다. 이것은 안전관련 제어 기능들의 안전한 통합을 위해 반드시 필요하다. TTEthernet 스위치는 다음과 같은 3가지 통신 클래스를 지원한다.

Time-Triggered 통신은 SAE AS6802 표준에 따른다. 데이터는 전체 네트워크를 통해서 time-triggered 방식으로 전송된다. 송신 및 수신을 위한 모든 컴포넌트들은 어떤 시점에 어떤 데이터들이 제어기들 사이에 전송되어야 하는지를 미리 정의된 스케줄을 통해 알고 있다. 이것은 시스템 설계자가 분산된 기능들 사이의 어떤 주어진 데이터 교환을 위해 지연시간을 최소화하거나 수정할 수 있다는 것을 의미한다. 능동적인 대역폭 할당은 효율적인 대역폭의 사용을 가능케 한다. time-triggered 통신에 의해서 사용되지 않은 모든 대역폭은 비동기 이더넷 트래픽에 의해서 사용될 수 있다. 시스템 설계 단계에서는 언제 동기 메시지와 비동기 메시지가 전송되는지 상관없고, 동기화를 위한 별도의 시간 공간을 먼저 마련하고 비동기 메시지가 전송되도록 하는 작업도 필요치 않다.

Rate-Constrained 통신은 네트워크에 미리 정의된 대역폭으로 전송되는 것을 보장한다. 만약, 특정 시점에 time-triggered 통신이 예약돼 있지 않았다면, rate-constrained 통신이 그 곳에 대체될 수 있다. 여기에 할당된 데이터는 보통 특정 시점에 주기적으로 전송되지 않고 필요할 때만 전송된다. 이 트래픽 타입은 이더넷에서 음성과 멀티미디어 전송에 적합하다. 즉, 약간의 지연시간이 허용되는 오디오와 비디오와 같은 비교적 덜 엄격한 요구조건의 응용분야에 rate-constrained 통신을 사용할 수 있다. 이런 유형의 데이터를 위해서, 어떤 대역폭이 그에 해당하는 QoS를 제공하기 위해 예약돼야 할 것이다.

Regular traffic 통신(일반/표준 이더넷 통신)은 IEEE 802.3 표준에 따라 처리된다. time-triggered 방식과 rate-constrained 방식의 데이터 전송 사이에 QoS를 보장할 필요가 없는 여타의 다른 데이터를 전송하기 위해 사용한다. time-triggered 혹은 rate-constrained 데이터가 전송될 필요가 있는 순간, regular traffic 통신은 전송 우선순위에서 밀리게 된다. 예를 들면, 네트워크에서 시간의 정확도가 엄격히 요구되지 않는 진단 데이터나, 심지어 고장이 그렇게 중요하지 않은 곳에서 사용할 수 있다.

요약
특별히 높은 대역폭이 필요하다면, 100 Mbit/s와 잠재적으로 더 높은 대역폭을 지원하는 이더넷 솔루션이 분명히 좋은 선택이다. 재사용률이 높은 표준화된 통신 프로토콜에 대한 열망 때문에, 이더넷은 입수의 용이성과 시스템의 안전에 대한 요구가 높은 응용분야에서 점차 그 사용의 폭이 넓어질 것이다. 이런 추세는 확장성과 비용 효율성의 증진으로 이어지고, 다른 버스 시스템과의 통합을 용이하게 할 것이다.
위에 언급한 TTEthernet의 통신 클래스들은 이러한 네트워크에 대한 요구사항들을 만족시킨다. 이로써 TTEthernet은 모든 응용분야를 위한 이더넷 사용의 길을 열어놓았다. 기존의 웹서비스부터 실시간 시스템, 그리고 안전관련 제어 시스템까지 하나의 TTEthernet 네트워크가 모든 필요한 서비스들을 충족시키게 됐다. 표준 이더넷의 지원으로 TTEthernet에 다른 이더넷 네트워크가 쉽게 통합될 수 있게 됐다. 그 네트워크는 점차적으로 TTEthernet이 가능한 스위치와 실시간 및 안전관련 통신이 가능한 종단 시스템과 함께 점차 업그레이드가 될 것이다.
기존의 이더넷 응용 프로그램들을 수정할 필요는 없다. TTEthernet은 통합 안전제어 기능들을 설계할 수 있는 시스템 통합 기술이며, 시스템 통합 업체들과 완성차 업체들이 그들의 시스템을 분산 임베디드 컴퓨터와 같이 간주하고 소프트웨어의 설계와 통합을 단순화할 수 있게 해주는 기술이다.