Wednesday, July 12, 2023

자동차 네트워크의 진화: CAN과 이더넷의 공존과 미래
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서론: 움직이는 컴퓨터, 자동차 네트워크의 중요성

오늘날의 자동차는 더 이상 단순한 기계적 운송 수단이 아닙니다. 수십 개에서 많게는 150개 이상의 전자 제어 장치(ECU, Electronic Control Unit)가 유기적으로 연결되어 동작하는 '바퀴 달린 컴퓨터'에 가깝습니다. 엔진의 정밀한 제어부터 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS), 화려한 인포테인먼트 시스템에 이르기까지, 자동차의 거의 모든 기능은 이러한 ECU들의 빠르고 정확한 상호 통신에 의존합니다. 이처럼 복잡하고 방대한 데이터 교환을 관리하기 위해 차량 내부에는 고도로 발달된 통신 시스템, 즉 차량 내 네트워크(IVN, In-Vehicle Network)가 필수적입니다. 이 거대한 신경망의 중심에는 수십 년간 자동차 산업의 표준으로 자리 잡아 온 CAN(Controller Area Network)과, 데이터 중심 시대를 맞아 새롭게 부상한 자동차 이더넷(Automotive Ethernet)이라는 두 가지 핵심 기술이 있습니다. 이 두 기술은 서로를 대체하는 경쟁 관계가 아니라, 각자의 강점을 바탕으로 협력하며 현대 자동차의 복잡한 요구사항을 충족시키는 상호 보완적인 관계를 형성하고 있습니다. 본 글에서는 자동차 네트워크의 견고한 기반이 되어 온 CAN의 기술적 깊이와 진화 과정을 살펴보고, 데이터 고속도로 역할을 수행하는 자동차 이더넷의 등장 배경과 핵심 기술을 분석합니다. 나아가, 이 두 기술이 어떻게 공존하며 미래의 자동차 아키텍처를 형성하고 있는지, 그리고 이들이 마주한 보안 및 안전과 같은 도전 과제는 무엇인지 심도 있게 탐구하고자 합니다.

1. CAN: 자동차 제어 통신의 확고한 표준

1.1. CAN의 탄생: 배선 하네스 문제의 해결사

1980년대 초, 자동차 기술이 발전하며 차량에 탑재되는 전자 장치의 수가 급격히 증가했습니다. 당시에는 각 장치를 연결하기 위해 일대일(point-to-point) 배선 방식을 사용했습니다. 이는 특정 센서와 ECU, 혹은 ECU와 액추에이터를 각각의 전선으로 직접 연결하는 방식이었습니다. 이러한 방식은 기능이 추가될 때마다 차량 내 배선의 길이와 무게, 복잡성을 기하급수적으로 증가시키는 '배선 하네스(wiring harness) 문제'를 야기했습니다. 수백, 수천 가닥의 전선이 얽힌 배선 하네스는 자동차의 무게와 비용을 증가시키는 주범이었으며, 생산 공정을 복잡하게 만들고 고장 진단 및 수리를 어렵게 하는 심각한 문제였습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 1983년 독일의 보쉬(Bosch)는 새로운 직렬 통신 프로토콜 개발에 착수했고, 1986년 그 결과물인 CAN을 세상에 선보였습니다. CAN은 단 두 개의 통신선(Twisted Pair)을 통해 차량 내 모든 ECU가 데이터를 공유할 수 있는 다중 통신(Multi-master) 버스 시스템을 제안했습니다. 이는 자동차 배선 시스템에 혁명적인 변화를 가져왔고, 곧바로 ISO 11898 표준으로 제정되며 전 세계 자동차 산업의 표준 통신 방식으로 자리 잡게 되었습니다.

1.2. CAN의 기술적 심층 분석: 신뢰성의 비밀

CAN이 수십 년간 자동차 제어 영역에서 절대적인 신뢰를 얻을 수 있었던 이유는 그 독특하고 강력한 기술적 특징에 있습니다. 단순한 데이터 전송을 넘어, 극한의 환경에서도 오류 없이 실시간 제어를 보장하기 위한 여러 장치가 프로토콜 자체에 내장되어 있습니다.

1.2.1. 메시지 기반 프로토콜과 중재 메커니즘

CAN 통신의 가장 큰 특징은 주소 기반(address-based)이 아닌 메시지 기반(message-based) 프로토콜이라는 점입니다. 일반적인 네트워크처럼 송신기와 수신기의 주소를 지정하여 데이터를 보내는 대신, CAN 네트워크의 모든 노드(ECU)는 메시지에 고유한 식별자(Identifier)를 부여하여 버스에 실어 보냅니다. 버스에 연결된 다른 모든 노드들은 이 메시지를 수신한 뒤, 자신의 역할에 필요한 식별자를 가진 메시지인지를 판단하여 처리 여부를 결정합니다. 이러한 방식은 시스템의 유연성을 크게 향상시킵니다. 네트워크에 새로운 ECU를 추가하거나 제거할 때, 기존 노드의 소프트웨어를 변경할 필요 없이 간단하게 통합이 가능합니다.

여러 노드가 동시에 메시지를 보내려고 할 때 충돌을 방지하고 우선순위를 결정하는 중재(Arbitration) 메커니즘은 CAN의 핵심 기술입니다. CAN은 'CSMA/CD+NBA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection with Non-destructive Bitwise Arbitration)'라는 방식을 사용합니다. 이는 각 노드가 메시지를 전송하기 전에 버스가 사용 중인지 확인하고(Carrier Sense), 여러 노드가 동시에 전송을 시작하더라도(Multiple Access) 충돌을 감지하며, 이 과정에서 데이터 손실 없이 우선순위를 결정(Non-destructive Bitwise Arbitration)하는 것을 의미합니다. 우선순위는 메시지 식별자의 숫자 값에 따라 결정되는데, 식별자의 숫자 값이 작을수록 우선순위가 높습니다. 예를 들어, 식별자 '0x100'을 가진 에어백 전개 신호와 '0x300'을 가진 창문 제어 신호가 동시에 전송을 시작하면, 버스 상에서는 논리적으로 AND 연산이 일어나 더 낮은 값(dominant '0')을 가진 '0x100' 메시지가 중재에서 승리하여 전송을 계속하고, '0x300' 메시지는 자동으로 전송을 중단하고 버스가 비워질 때까지 기다립니다. 이 덕분에 에어백, 브레이크 제어와 같은 안전에 직결된 중요한 데이터는 절대 지연되는 일이 없습니다.

1.2.2. 강력한 오류 탐지 및 처리 능력

자동차의 혹독한 전자기적 환경 속에서 통신 신뢰성을 확보하기 위해 CAN은 프로토콜 수준에서 5가지의 강력한 오류 탐지 메커니즘을 갖추고 있습니다.

  • 비트 오류 (Bit Error): 메시지를 전송하는 노드는 자신이 버스에 보낸 신호와 실제 버스에 실린 신호를 지속적으로 비교합니다. 만약 두 신호가 다르면 비트 오류로 간주합니다.
  • 스터프 오류 (Stuff Error): CAN은 동기화를 위해 동일한 비트(0 또는 1)가 5개 연속되면 반대되는 비트를 하나 끼워 넣는 '비트 스터핑(Bit Stuffing)' 규칙을 사용합니다. 만약 6개의 동일한 비트가 연속으로 감지되면 스터프 오류로 판단합니다.
  • CRC 오류 (Cyclic Redundancy Check Error): 송신 노드는 데이터에 기반하여 15비트의 CRC 코드를 계산하여 메시지에 포함시킵니다. 수신 노드들은 동일한 계산을 수행하여 수신된 CRC 코드와 일치하는지 확인하며, 불일치 시 CRC 오류를 발생시킵니다.
  • 형식 오류 (Form Error): CAN 데이터 프레임은 정해진 형식을 따라야 합니다. 특정 필드가 약속된 값과 다를 경우 형식 오류로 간주됩니다.
  • 확인 오류 (Acknowledgement Error): 송신 노드가 보낸 메시지를 하나 이상의 수신 노드가 정상적으로 수신했다면, 확인(ACK) 슬롯에 'dominant(0)' 신호를 보냅니다. 만약 이 슬롯이 'recessive(1)' 상태로 남아있다면, 메시지가 제대로 수신되지 않았음을 의미하는 확인 오류가 발생합니다.

오류가 감지되면, 해당 메시지는 즉시 파기되고 오류 프레임(Error Frame)이 모든 노드에 전송되어 문제가 있었음을 알립니다. 이후 우선순위 중재 규칙에 따라 재전송이 이루어집니다. 또한, 각 노드는 내부적으로 송신 및 수신 오류 카운터를 가지고 있어, 오류가 빈번하게 발생하는 노드는 스스로 네트워크에서 분리(Bus-off 상태)되어 전체 네트워크의 안정성을 해치지 않도록 하는 '오류 제한(Fault Confinement)' 기능까지 갖추고 있습니다.

1.3. CAN의 진화: CAN-FD와 CAN XL

기존의 클래식 CAN은 최대 1Mbps의 전송 속도와 8바이트의 데이터 페이로드(payload)라는 한계를 가지고 있었습니다. 자동차 기능이 고도화되면서 ECU 펌웨어 업데이트(플래싱)나 더 많은 센서 데이터를 처리하기에는 부족함이 생겼습니다. 이러한 요구에 부응하기 위해 등장한 것이 **CAN-FD(CAN with Flexible Data-Rate)**입니다. CAN-FD는 중재 구간까지는 기존 CAN과 동일한 속도로 통신하여 호환성을 유지하되, 데이터 전송 구간에서는 최대 5Mbps(최근에는 8Mbps 이상)까지 속도를 높이는 '이중 비트레이트' 기술을 사용합니다. 또한, 데이터 페이로드를 최대 64바이트까지 확장하여 한 번에 더 많은 정보를 효율적으로 전송할 수 있게 되었습니다. 더 나아가, 최근에는 데이터 전송 속도를 10Mbps 이상으로 높이고 페이로드를 최대 2048바이트까지 확장한 **CAN XL(Extra Long)**이 표준화되고 있습니다. 이는 CAN의 신뢰성과 실시간성을 유지하면서도 이더넷과의 성능 격차를 줄여, 미래의 존(Zonal) 아키텍처에서 '엣지(edge)' 디바이스 통신에 더욱 폭넓게 활용될 수 있는 가능성을 열어주고 있습니다.

2. 자동차 이더넷: 데이터 고속도로의 등장

2.1. 왜 자동차에 이더넷이 필요한가?

CAN이 제어 영역에서 뛰어난 성능을 발휘하는 동안, 자동차 산업은 새로운 도전에 직면했습니다. 고해상도 디스플레이, 서라운드 뷰 카메라, 레이더, 라이다와 같은 ADAS 센서, 그리고 차량용 인포테인먼트(IVI) 시스템은 초당 수십, 수백 메가비트(Mbps)에 달하는 막대한 양의 데이터를 생성하기 시작했습니다. 또한, 차량의 기능을 소프트웨어 업데이트로 개선하는 OTA(Over-the-Air) 기술이 보편화되면서, 대용량의 펌웨어 파일을 빠르고 안정적으로 전송할 필요성이 커졌습니다. 기존의 CAN이나 LIN, FlexRay와 같은 네트워크로는 이러한 대역폭 요구사항을 감당할 수 없었습니다.

이러한 배경 속에서 수십 년간 IT 산업에서 검증된 고속 네트워킹 기술인 이더넷이 주목받기 시작했습니다. 하지만 사무실 환경의 이더넷을 그대로 자동차에 적용할 수는 없었습니다. 자동차는 극심한 온도 변화, 진동, 그리고 강력한 전자기 간섭(EMI)이 발생하는 매우 열악한 환경이기 때문입니다. 또한, 배선 하네스의 무게와 비용을 줄이는 것이 여전히 중요한 과제였습니다. 이러한 자동차 환경의 특수성을 만족시키기 위해 개발된 것이 바로 '자동차 이더넷'입니다.

2.2. 자동차 이더넷의 핵심 기술

2.2.1. 싱글 페어 이더넷 (Single Pair Ethernet, SPE)

전통적인 이더넷(100BASE-TX)이 2쌍(4가닥) 또는 4쌍(8가닥)의 통신선을 사용하는 것과 달리, 자동차 이더넷(예: 100BASE-T1, 1000BASE-T1)은 단 한 쌍의 비차폐 연선(UTP, Unshielded Twisted Pair)을 사용하여 통신합니다. 'T1'은 이를 의미하는 표준명입니다. 이는 배선의 무게와 공간, 비용을 획기적으로 줄여주면서도 100Mbps, 1Gbps, 심지어는 10Gbps의 고속 통신을 가능하게 합니다. 양방향 통신(Full-duplex)을 단 한 쌍의 선으로 구현하기 위해 정교한 신호 처리 및 에코 캔슬링(Echo Cancellation) 기술이 적용되어, 자동차의 혹독한 전자기 환경에서도 높은 신호 품질을 유지합니다.

2.2.2. 시간 민감형 네트워킹 (Time-Sensitive Networking, TSN)

일반적인 이더넷은 '최선 노력(Best-Effort)' 방식으로 데이터를 전송합니다. 즉, 데이터가 언제 도착할지, 그리고 지연 시간이 얼마나 될지를 보장하지 않습니다. 이는 웹 서핑이나 파일 전송에는 문제가 없지만, 실시간 제어가 필요한 자동차 애플리케이션에는 치명적인 단점입니다. 예를 들어, 자율주행 시스템에서 카메라 데이터나 제어 신호가 예측 불가능하게 지연된다면 큰 사고로 이어질 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 등장한 기술이 바로 TSN(Time-Sensitive Networking)입니다. TSN은 표준 이더넷에 시간 동기화, 트래픽 스케줄링, 지연 시간 보장, 중복성 등의 기능을 추가한 IEEE 표준 기술들의 집합입니다. 주요 TSN 표준은 다음과 같습니다.

  • IEEE 802.1AS (gPTP): 네트워크의 모든 장치가 마이크로초(µs) 이하의 정밀도로 시간을 동기화하여, 모든 데이터에 정확한 타임스탬프를 부여하고 예약된 시간에 맞춰 동작할 수 있게 합니다.
  • IEEE 802.1Qbv (Time-Aware Shaper): 정해진 시간표(Schedule)에 따라 특정 종류의 트래픽(예: 제어 신호)이 다른 트래픽(예: 비디오 스트리밍)에 방해받지 않고 정해진 시간에 전송되도록 대역폭을 예약하고 제어합니다.
  • IEEE 802.1CB (Frame Replication and Elimination for Reliability): 중요한 데이터 프레임을 복제하여 서로 다른 경로로 전송하고, 수신 측에서는 가장 먼저 도착한 프레임을 사용하고 나머지는 폐기하여 통신 경로에 문제가 생겨도 데이터 손실이 없도록 보장하는 중복성 기술입니다.

TSN의 도입으로, 자동차 이더넷은 단순한 고속 데이터 전송망을 넘어, CAN처럼 결정적이고 예측 가능한 실시간 제어 통신까지 수행할 수 있는 강력한 네트워크로 발전하게 되었습니다.

2.2.3. 차량용 상위 프로토콜

자동차 이더넷은 TCP/IP라는 표준 프로토콜 스택을 그대로 활용할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 이는 기존 IT 생태계의 풍부한 소프트웨어, 개발 도구, 그리고 개발 인력을 자동차 산업에 쉽게 접목시킬 수 있음을 의미합니다. 여기에 더해, 자동차 환경에 특화된 서비스 지향 아키텍처(SOA)를 구현하기 위한 **SOME/IP(Scalable service-Oriented Middleware over IP)**나, 대용량 펌웨어 업데이트 및 원격 진단을 위한 **DoIP(Diagnostics over IP)**와 같은 상위 프로토콜들이 함께 사용되어, 이더넷 기반의 효율적이고 유연한 차량 소프트웨어 플랫폼 구축을 지원합니다.

3. 공존의 시대: 하이브리드 네트워크 아키텍처

미래 자동차 네트워크는 CAN이나 이더넷 중 하나가 다른 하나를 완전히 대체하는 것이 아니라, 두 기술이 각자의 역할에 맞게 공존하는 하이브리드 형태로 발전하고 있습니다. 그 대표적인 예가 '존 아키텍처(Zonal Architecture)'입니다.

3.1. 존 아키텍처로의 전환

과거의 자동차 네트워크는 엔진, 섀시, 바디 등 기능별로 ECU와 네트워크가 나뉜 '도메인(Domain) 아키텍처'였습니다. 하지만 기능이 복잡해지면서 도메인 간의 데이터 교환이 많아지고 배선이 다시 복잡해지는 문제가 발생했습니다. 존 아키텍처는 이를 해결하기 위한 새로운 접근 방식입니다. 차량을 물리적인 구역(Zone), 예를 들어 전방 좌측, 후방, 운전석 등으로 나누고, 각 구역에 위치한 '존 컨트롤러(Zonal Controller)' 또는 '존 게이트웨이(Zonal Gateway)'가 해당 구역의 센서와 액추에이터들을 관리합니다. 각 구역의 말단 장치들(예: 창문 모터, 조명, 간단한 센서)은 여전히 비용 효율적이고 신뢰성 높은 CAN이나 LIN 버스로 존 컨트롤러에 연결됩니다. 그리고 각 존 컨트롤러들은 차량의 중앙에 위치한 고성능 컴퓨터(HPC, High-Performance Computer)와 기가비트급 자동차 이더넷 백본(Backbone)으로 연결됩니다. 이 고성능 컴퓨터가 차량의 두뇌 역할을 하며 주요 연산을 처리합니다.

이러한 구조에서 CAN은 차량의 '말초 신경계'처럼 엣지 디바이스들의 실시간 제어와 데이터 수집을 담당하고, 이더넷은 각 구역의 정보를 중앙 두뇌로 전달하고 중앙 두뇌의 명령을 각 구역으로 전달하는 '중추 신경계' 즉, 데이터 고속도로 역할을 수행합니다. 이를 통해 배선의 복잡성을 획기적으로 줄이면서도 중앙 집중형의 강력한 연산 능력과 소프트웨어 업데이트의 유연성을 동시에 확보할 수 있습니다.

3.2. 게이트웨이의 핵심 역할

이러한 하이브리드 아키텍처에서 가장 중요한 역할을 하는 것이 바로 '게이트웨이(Gateway)'입니다. 게이트웨이는 서로 다른 프로토콜을 사용하는 네트워크, 즉 CAN 버스와 이더넷 백본 사이에서 다리 역할을 합니다. CAN 메시지를 이더넷 프레임으로, 또는 그 반대로 변환하여 데이터가 원활하게 흐르도록 합니다. 또한, 단순히 데이터를 변환하는 것을 넘어, 필요한 정보만을 선별하여 라우팅하고, 각 네트워크 도메인 간의 방화벽 역할을 수행하여 보안을 강화하는 등 지능적인 역할을 담당합니다. 존 컨트롤러가 바로 이러한 게이트웨이의 기능을 통합적으로 수행하는 핵심 ECU입니다.

4. 도전 과제와 기술적 솔루션

자동차 네트워크가 고도화되고 외부 세계와의 연결성이 증가함에 따라, 과거에는 없었던 새로운 도전 과제들이 등장하고 있습니다. 특히 보안, 기능 안전, 전자기 호환성은 미래 자동차 네트워크의 성패를 좌우할 핵심 요소입니다.

4.1. 보안: 연결된 자동차의 아킬레스건

차량이 무선 통신(셀룰러, Wi-Fi, 블루투스)을 통해 외부와 연결되면서, 해킹의 위협은 더 이상 영화 속 이야기가 아닙니다. 외부에서 인포테인먼트 시스템을 통해 침투하여 차량의 제어 네트워크인 CAN 버스에 악의적인 메시지를 주입, 브레이크나 조향 장치를 원격으로 조종하는 시나리오가 현실적인 위협으로 다가왔습니다. 이러한 위협에 대응하기 위해 다층적인 보안 솔루션이 적용되고 있습니다.

  • 네트워크 분리 및 방화벽: 게이트웨이를 이용해 외부와 연결되는 인포테인먼트 네트워크와 차량 제어 네트워크를 물리적/논리적으로 분리하고, 허가되지 않은 데이터가 제어망으로 유입되는 것을 차단합니다.
  • 침입 탐지 및 방지 시스템(IDPS): 네트워크 트래픽을 지속적으로 모니터링하여 비정상적인 패턴이나 알려진 공격 시그니처를 탐지하고, 이를 즉시 차단하거나 관리자에게 보고합니다.
  • 보안 온보드 통신(SecOC, Secure On-board Communication): AUTOSAR 표준 기반의 SecOC는 CAN 메시지에 암호화된 메시지 인증 코드(MAC)를 추가하여, 메시지가 변조되지 않았고 허가된 송신자로부터 왔음을 보증합니다. 이를 통해 메시지 위변조 공격을 방어할 수 있습니다.
  • 하드웨어 보안 모듈(HSM): 암호화 키를 안전하게 저장하고 암호 연산을 전담하는 별도의 보안 하드웨어를 ECU에 탑재하여, 소프트웨어적 공격으로부터 핵심 보안 자산을 보호합니다.

4.2. 기능 안전 (ISO 26262)

기능 안전은 시스템의 오작동으로 인해 발생할 수 있는 위험을 방지하는 것을 목표로 합니다. 자율주행이나 ADAS와 같이 안전에 직결된 기능에서 통신 네트워크의 오류는 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 따라서 네트워크는 ISO 26262 표준에 따른 높은 수준의 안전 요구사항을 만족해야 합니다. 이를 위해 통신 데이터의 무결성을 보장하는 CRC, 메시지의 순서를 확인하는 시퀀스 카운터, 통신 두절을 감지하는 타임아웃 모니터링 등의 메커니즘이 적용됩니다. 또한, 스티어-바이-와이어(Steer-by-wire)와 같이 최고 수준의 안전 등급(ASIL D)이 요구되는 시스템에서는 두 개의 독립적인 CAN 버스를 사용하는 등 물리적인 중복성(Redundancy)을 확보하기도 합니다. 이더넷 환경에서는 앞서 언급한 TSN의 802.1CB 표준을 통해 통신 경로의 중복성을 확보하여 기능 안전성을 높입니다.

5. 결론: 소프트웨어 중심 자동차를 향한 여정

자동차 통신 네트워크는 차량의 성능과 안전, 편의성을 결정하는 핵심 인프라로 자리 잡았습니다. 견고한 신뢰성과 실시간 제어 능력으로 수십 년간 자동차의 근간을 지탱해 온 CAN은 CAN-FD와 CAN XL로 진화하며 엣지 디바이스 통신에서 그 생명력을 이어가고 있습니다. 동시에, 폭증하는 데이터를 처리하기 위해 등장한 자동차 이더넷은 TSN 기술과 결합하여 차량의 중앙 신경망으로서 그 영역을 빠르게 확장하고 있습니다.

미래 자동차의 모습으로 일컬어지는 '소프트웨어 중심 자동차(SDV, Software-Defined Vehicle)' 시대에는 CAN과 이더넷의 지능적인 공존이 더욱 중요해질 것입니다. 존 아키텍처를 기반으로 한 하이브리드 네트워크는 차량의 하드웨어와 소프트웨어를 분리하여, 마치 스마트폰 앱을 업데이트하듯 OTA를 통해 지속적으로 차량의 성능을 개선하고 새로운 기능을 추가하는 것을 가능하게 할 것입니다. 이 역동적인 진화의 중심에서 CAN과 이더넷은 각자의 장점을 극대화하며, 더 안전하고, 더 똑똑하며, 더 편리한 미래 모빌리티를 구현하는 핵심 동력으로 계속해서 기능할 것입니다.


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