自動車通信の二大巨頭：CANとイーサネットの役割と展望

現代の自動車は、単なる移動手段から「走るコンピュータ」へと変貌を遂げました。かつては数個から十数個だったECU（Electronic Control Unit）は、今や高級車では100個を超えることも珍しくありません。エンジン、トランスミッション、ブレーキといった走行性能を司るシステムから、エアコン、インフォテインメント、先進運転支援システム（ADAS）に至るまで、あらゆる機能が電子制御されています。これらの無数のECUが協調して動作するためには、それらを結ぶ高度な「神経網」、すなわち車載ネットワークが不可欠です。この記事では、その神経網の中核を成す二つの通信技術、CAN（Controller Area Network）とイーサネットに焦点を当て、その技術的背景、動作原理、そして自動車の未来をどのように形作っていくのかを深く掘り下げていきます。

第1章 車載ネットワークの黎明期とCANの登場

今日の洗練された車載ネットワークを理解するためには、まずその前史、すなわちCANが登場する以前の状況を知る必要があります。そこには、自動車の電子化が進むにつれて深刻化する、ある物理的な課題が存在していました。

ワイヤーハーネス問題：複雑化の極み

1970年代から80年代にかけて、自動車には快適性や安全性を向上させるための電子機器が次々と搭載され始めました。パワーウィンドウ、電動ミラー、集中ドアロック、アンチロック・ブレーキ・システム（ABS）など、その種類は急速に増加しました。しかし、当時の通信方式は非常に単純で、あるECUから別のECUへ情報を伝えるには、それぞれを1対1の電線で結ぶ「ポイント・ツー・ポイント」接続が主流でした。

この方式は、機能が少ないうちは問題ありませんでしたが、ECUの数が増えるにつれて、車内を這う電線、すなわちワイヤーハーネスの量が爆発的に増加しました。ワイヤーハーネスは複雑に絡み合った「銅のスパゲッティ」のような様相を呈し、いくつかの深刻な問題を引き起こしました。

• 重量の増加：銅線の束は非常に重く、車両重量の増加は燃費の悪化に直結しました。
• コストの上昇：ワイヤーハーネス自体のコストに加え、それを車体に取り付けるための組み立て工数も増大しました。
• 信頼性の低下：接続点の数が膨大になることで、断線や接触不良といった故障のリスクが高まりました。
• スペースの制約：太くなったワイヤーハーネスを通すためのスペース確保が、設計上の大きな制約となりました。

この「ワイヤーハーネス問題」を解決し、より効率的で信頼性の高い通信を実現するために、全く新しい概念のネットワーク技術が求められていたのです。

救世主としてのCAN（Controller Area Network）の誕生

この課題に正面から取り組み、画期的な解決策を提示したのが、ドイツのRobert Bosch社でした。1980年代初頭、同社は自動車内の多数のECUを、わずか2本の電線（ツイストペアケーブル）で接続できる多重通信プロトコルの開発に着手し、1986年に「CAN」として世に送り出しました。CANは、従来のポイント・ツー・ポイント接続とは全く異なる、バス型のネットワークトポロジーを採用しています。これにより、すべてのECUが共通のバスラインに接続され、情報を共有することが可能になりました。

CANの設計思想は、自動車という過酷な環境下で、極めて高い信頼性とリアルタイム性を確保することに重点が置かれていました。その思想は、CANの技術的特徴に色濃く反映されています。

CANの核となる技術的特徴

物理層：ノイズへの徹底的な対策

自動車の内部は、エンジンやモーター、点火プラグなどが発生源となる強力な電磁ノイズに満ちています。このような環境で正確な通信を行うため、CANは「差動信号方式」を採用したツイストペアケーブルを使用します。これは、CAN-High（H）とCAN-Low（L）という2本の線に、互いに逆相の信号を流す方式です。外部からノイズが加わった場合、2本の線にほぼ同じように影響するため、受信側で両者の電位差を検出することでノイズ成分を相殺し、本来の信号を正確に読み取ることができます。この仕組みにより、CANは優れた耐ノイズ性能を実現しています。

データリンク層：信頼性とリアルタイム性の追求

CANの最も独創的な部分は、データリンク層、特にメッセージの送受信を司る仕組みにあります。

• 非破壊的ビット単位アービトレーション（調停）： CANは、複数のECUが同時にメッセージを送信しようとした際に、衝突を回避し、かつ最も優先度の高いメッセージを確実に送り届けるための、非常に洗練された仕組みを持っています。これを「CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)」と表現されることがありますが、より正確には「CSMA/CR (Collision Resolution)」や「ビット単位アービトレーション」と呼ぶべきものです。
  各メッセージには「ID（Identifier）」と呼ばれる識別子が割り当てられており、このIDの値が小さいほど優先度が高くなります。複数のECUが同時に送信を開始すると、各ECUはバス上の信号を監視しながら自身の送信ビットと比較します。CANでは'0'が「ドミナント（優性）」、'1'が「リセッシブ（劣性）」と定義されており、両者が同時に送信されるとバスの状態はドミナント('0')になります。もし、あるECUがリセッシブ('1')を送信しようとした際に、バスがドミナント('0')になっていることを検出した場合、そのECUは自身より優先度の高いメッセージが送信されていると判断し、即座に送信を中断して受信に切り替わります。この調停プロセスはメッセージのデータを破壊することなく行われるため「非破壊的」と呼ばれ、最終的に最も優先度の高い（IDの値が最も小さい）メッセージだけが送信を継続できます。これにより、例えばブレーキECUからの緊急停止信号が、オーディオECUからの音量変更信号に妨げられることなく、確実に伝達されるのです。


• メッセージフレーム構造： CANの通信は、特定の宛先を指定せず、メッセージの内容を示すIDを付けてバス全体に送信（ブロードキャスト）する方式です。受信側のECUは、流れてくるメッセージのIDを見て、自分に必要な情報であれば受信し、不要であれば無視します。このメッセージの単位を「フレーム」と呼び、IDの長さによって標準フォーマット（11ビットID）と拡張フォーマット（29ビットID）があります。フレームには、IDの他に、データの長さを示すDLC、最大8バイトのデータ、エラー検出のためのCRC、正常受信を確認するACKなどが含まれており、短いデータを確実かつ効率的に伝送できるよう設計されています。


• 強力なエラー検出・処理機能： CANは、通信の信頼性を担保するために、5種類ものエラー検出メカニズムを備えています。
  1. CRC（巡回冗長検査）：送信データから計算したチェックコードを付加し、受信側で再計算して一致するか検証します。
  2. フレームチェック：フレームの特定のビットが規定通りであるかを確認します。
  3. ACK（確認応答）：メッセージを正常に受信したノードが、ACKスロットをドミナントビットで上書きすることで送信元に通知します。
  4. ビットモニタリング：送信ノードは自身が送信したビットとバス上のビットを常に比較し、不一致がないか監視します。
  5. ビットスタッフィング：同じレベルの信号が6ビット以上連続しないように、5ビット連続した後に反転ビットを強制的に挿入するルールです。これにより、同期の維持とエラー検出が容易になります。
  これらの仕組みに加え、エラーを頻繁に発生させるECUを自動的にネットワークから切り離す「バスオフ」という機能も備わっており、システム全体の安定性を維持します。

これらの優れた特徴により、CANは登場から30年以上が経過した現在でも、パワートレイン制御やシャシー制御といった、極めて高い信頼性とリアルタイム性が要求される領域において、不動の地位を築いています。

第2章 イーサネットの車載応用と新たなアーキテクチャ

CANが自動車の「制御」領域を確固たるものにした一方で、2000年代以降、自動車は新たな進化の段階に入ります。インフォテインメントシステムの高度化、そしてADASの登場です。これらの新しいアプリケーションは、CANの通信速度では到底さばききれない、桁違いのデータ帯域幅を要求し始めました。そこで白羽の矢が立ったのが、オフィスや家庭で圧倒的な普及実績を誇る「イーサネット」でした。

なぜ自動車にイーサネットが必要になったのか

イーサネットが車載ネットワークの主役候補に躍り出た背景には、いくつかの明確な技術的要求がありました。

• 圧倒的な帯域幅の要求： CANの通信速度は、派生規格であるCAN FD（Flexible Data-Rate）をもってしても、実効速度で最大5Mbps程度です。これに対し、ADASで用いられる高解像度カメラの映像データは、1ストリームあたり数百Mbps、LiDARやレーダーの生データも加わると数Gbpsに達することもあります。また、高精細なナビゲーションマップの更新や、車内での動画ストリーミングサービスなども、大容量のデータ通信を必要とします。イーサネットは、100Mbpsから始まり、1Gbps、さらには10Gbps以上の高速通信を標準でサポートしており、これらの要求に応えることができる唯一の実用的な技術でした。
• OTA（Over-The-Air）アップデートの普及： 現代の自動車は「ソフトウェア・デファインド・ビークル（SDV）」へと進化しており、車両の機能追加や性能向上、不具合修正がソフトウェアの無線アップデートによって行われるのが当たり前になりつつあります。数十個のECUのファームウェアを一度に更新するには、高速なデータ転送能力が不可欠であり、イーサネットはそのためのバックボーンとして最適です。
• スケーラビリティと柔軟性： イーサネットは、スイッチングハブを介してネットワークを階層的に構成できるため、システムの拡張が容易です。また、TCP/IPという標準化されたプロトコルスタック上で動作するため、IT業界で培われた豊富なソフトウェア資産や開発ツール、ノウハウを流用できるという大きな利点がありました。

車載向けに最適化された「車載イーサネット」

ただし、オフィスで使われるイーサネットをそのまま自動車に持ち込むことはできませんでした。自動車特有の厳しい要件、すなわち軽量化、低コスト化、そして過酷な電磁環境への耐性を満たす必要があったのです。そのために開発されたのが「車載イーサネット（Automotive Ethernet）」です。

• 物理層の革新（100BASE-T1 / 1000BASE-T1）： 標準的なイーサネット（100BASE-TX）が2対4本のケーブルを必要とするのに対し、車載イーサネットの主要規格である100BASE-T1（BroadR-Reach）や1000BASE-T1は、1対2本の非シールド・ツイストペア（UTP）ケーブルで、それぞれ100Mbps、1Gbpsの全二重通信を実現します。これにより、ワイヤーハーネスの重量とコストを大幅に削減することが可能になりました。また、PoDL（Power over Data Lines）という規格により、データ線を通じてカメラなどのデバイスに電力を供給することもでき、さらなる配線の簡素化に貢献しています。
• TCP/IPプロトコルスタックの活用： 車載イーサネットは、TCP/IPプロトコルスタックを基盤としています。これにより、IPアドレスによるノード管理、HTTPやFTPといった汎用プロトコルの利用が可能になります。さらに、車載向けにSOME/IP（Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP）といったサービス指向のミドルウェアが開発され、複雑なソフトウェアの機能をサービスとして分割し、ネットワーク経由で柔軟に連携させるアーキテクチャの構築が容易になりました。

E/Eアーキテクチャの革新：ドメイン型からゾーン型へ

イーサネットの導入は、単に通信速度を向上させるだけでなく、自動車の電子・電気（E/E）アーキテクチャそのものを根底から変革する原動力となっています。

従来の「ドメイン型アーキテクチャ」

これまでの主流は、機能ごとにECUをまとめる「ドメイン型」でした。例えば、「パワートレインドメイン」「ボディドメイン」「インフォテインメントドメイン」「ADASドメイン」といったように、関連する機能を持つECU群が、それぞれのドメインコントローラーに接続される構成です。各ドメイン内ではCANやLINが使われ、ドメイン間はゲートウェイを介してCANや高速なCAN FDで接続されていました。この構成は機能ごとに整理されていて分かりやすい反面、機能がドメインをまたがる場合（例えば、ADASがブレーキを制御する場合）の連携が複雑になり、ワイヤーハーネスも依然として複雑でした。

次世代の「ゾーン型アーキテクチャ」

そこで現在、移行が進んでいるのが「ゾーン型アーキテクチャ」です。これは、機能を基準にするのではなく、車両の物理的な「位置（ゾーン）」を基準にコンポーネントをまとめる考え方です。例えば、「フロント左ゾーン」「リア右ゾーン」といったゾーンごとに「ゾーンECU（またはゲートウェイ）」を配置します。そのゾーン内にあるセンサーやアクチュエーター（ライト、モーター、カメラなど）は、まず最も近いゾーンECUに接続されます。そして、各ゾーンECUは、高速なイーサネット・バックボーンを介して、車両の中央に配置された数個の「セントラルコンピュータ（HPC: High-Performance Computer）」に接続されます。

このアーキテクチャには、以下のような絶大なメリットがあります。

• ワイヤーハーネスの劇的な削減：各センサー/アクチュエーターから中央のECUまで長い配線を引き回す必要がなくなり、近場のゾーンECUに接続すればよいため、配線の総長、重量、コストを大幅に削減できます。
• コンピューティングの集中化：これまで多数のECUに分散していた処理能力を、高性能なセントラルコンピュータに集約できます。これにより、リソースの効率的な活用や、高度で複雑なソフトウェアの実行が可能になります。
• ソフトウェアの独立性：ハードウェア（センサーやアクチュエーター）とソフトウェア（制御ロジック）を分離しやすくなります。これにより、ソフトウェアのアップデートだけで新機能を追加したり、性能を向上させたりする「ソフトウェア・デファインド・ビークル」が実現しやすくなります。

イーサネットは、この革新的なゾーン型アーキテクチャを実現するための、まさに生命線となる技術なのです。

第3章 CANとイーサネットの共存と連携

イーサネットが台頭してきたからといって、CANが時代遅れになったわけではありません。現代、そして未来の自動車においては、この二つの技術がそれぞれの長所を活かし、互いに補完し合う「ハイブリッド・アーキテクチャ」が標準となります。そこには「適材適所」という明確な設計思想が存在します。

それぞれの得意分野：なぜ両方が必要なのか

CANの揺るぎない価値

• リアルタイム性と決定論的動作：CANのビット単位アービトレーションは、優先度の高いメッセージが規定時間内に確実に宛先に届くこと（決定論）を保証します。ミリ秒単位の遅延が重大な事故につながりかねないブレーキ制御、エアバッグ展開、エンジン制御など、セーフティクリティカルなシステムにおいて、この特性は代替不可能です。
• 堅牢性と実績：長年にわたる過酷な車載環境での使用実績があり、その信頼性は十分に証明されています。プロトコルが比較的シンプルで、堅牢な実装が容易です。
• 低コスト：マイクロコントローラに内蔵されていることが多く、物理層のコンポーネントも安価であるため、システム全体のコストを低く抑えることができます。ドアロックやパワーウィンドウといった、高速通信を必要としないボディ系制御には依然として最適です。

イーサネットの比類なき能力

• 圧倒的な高帯域幅：前述の通り、カメラ映像やセンサーデータ、OTAアップデートなど、大容量データを扱うアプリケーションには不可欠です。
• スケーラビリティとネットワーク管理：スイッチングハブを用いて容易にネットワークを拡張でき、TCP/IPベースのツールによる診断や管理が可能です。
• ITエコシステムとの親和性：既存のIT技術、プロトコル、ソフトウェア資産を流用できるため、コネクテッドサービスや高度なアプリケーションの開発を加速させます。

ハイブリッド・アーキテクチャの実際

この「適材適所」を具現化するのが、ゲートウェイを中心としたハイブリッド・アーキテクチャです。典型的な構成は以下のようになります。

1. 末端の制御：個々のアクチュエーターやシンプルなセンサーは、CANやさらに低速なLINバスに接続されます。例えば、ステアリングホイールのスイッチ群はLINで、エンジン周辺のセンサーやABSのアクチュエーターはCANで制御されます。
2. ドメイン/ゾーン内の集約：これらのCAN/LINバスは、ドメインコントローラーやゾーンECUに集約されます。このECUは、各バスからの情報を受け取り、必要な処理を行います。
3. バックボーン通信：各ドメインコントローラー/ゾーンECU間は、高速なイーサネット・バックボーンで接続されます。これにより、ドメイン/ゾーン間で大量のデータをやり取りしたり、セントラルコンピュータと通信したりします。

このアーキテクチャにおいて極めて重要な役割を担うのが、異なるネットワーク間を仲介する「ゲートウェイ」です。ゲートウェイは、CANのメッセージフレームをイーサネットのIPパケットに変換したり、その逆を行ったりします。しかし、その役割は単なるプロトコル変換にとどまりません。

• 速度差の吸収：低速なCANと高速なイーサネット間のデータフローを適切にバッファリングし、制御します。
• セキュリティの確保：外部ネットワークに接続される可能性のあるイーサネット側から、車両制御の根幹を担うCAN側への不正なアクセスを防ぐファイアウォールとしての役割を果たします。特定のメッセージのみを通過させるなど、厳格なフィルタリングを行います。
• インテリジェントなルーティング：必要な情報だけを適切なネットワークに転送することで、バスの負荷を軽減し、システム全体の効率を高めます。

このように、CANとイーサネットは、それぞれの特性を最大限に活かせる場所で使われ、ゲートウェイを介して有機的に連携することで、現代の複雑な自動車システム全体を支えているのです。

第4章 未来の車載ネットワーク：課題と展望

CANとイーサネットを軸とする車載ネットワークは、自動車をSDV（Software-Defined Vehicle）へと進化させるための基盤ですが、その未来は平坦な道のりではありません。より高度な自動運転、よりリッチなコネクテッドサービスを実現するためには、いくつかの重要な技術的課題を克服する必要があります。

克服すべき主要な課題

セキュリティ：最大の脅威への対抗

自動車がインターネットに常時接続される「コネクテッドカー」となることで、サイバー攻撃のリスクは飛躍的に増大しました。ネットワークを介して車両の制御システムに侵入されれば、人命に関わる重大な事態を招きかねません。これに対抗するため、多層的なセキュリティ対策が必須となります。

• セキュアゲートウェイ：前述のゲートウェイに、より高度なファイアウォール機能や侵入検知・防御システム（IDPS）を実装します。
• メッセージ認証（SecOC）：CAN/CAN FDでやり取りされるメッセージに認証コード（MAC）を付加し、送信元のなりすましやメッセージの改ざんを検知する仕組みです。
• 暗号化：特にイーサネットでやり取りされる重要なデータやOTAアップデートのファイルは、TLS/DTLSなどのプロトコルを用いて暗号化し、盗聴や改ざんを防ぎます。

時間同期とリアルタイム性：イーサネットの課題

標準的なイーサネットは、データの到達時間を保証しない「ベストエフォート型」の通信です。しかし、自動運転システムでは、複数のカメラ、LiDAR、レーダーからの情報をミリ秒以下の精度で同期させ、それに基づいて極めて短い遅延で車両を制御する必要があります。この要求に応えるため、「Time-Sensitive Networking（TSN）」と呼ばれるイーサネットの拡張規格群が導入されています。

TSNは、以下のような技術の集合体です。

• 時間同期（IEEE 802.1AS）：ネットワーク上の全ての機器が、マイクロ秒以下の精度で時刻を同期させるためのプロトコル。
• スケジュール通信（IEEE 802.1Qbv）：重要な通信（制御信号など）のために特定のタイムスロットを予約し、他の通信に妨げられることなく、規定時間内に確実に伝送されることを保証します。
• フレームの優先制御（IEEE 802.1Qbu/3br）：緊急性の高いフレームが送信中の低優先度フレームに割り込んで先に送信されることを許可し、遅延を最小化します。

TSNの導入により、イーサネットは高帯域とリアルタイム性の両方を兼ね備えた、まさに次世代の車載ネットワークの主役となることができます。

未来の展望：進化するネットワーク技術

技術の進化は止まりません。CANとイーサネットも、さらなる進化を続けています。

• CAN XLの登場：CANの次世代規格として「CAN XL」の開発が進められています。これは、最大10Mbps以上のデータレートと、最大2048バイトのペイロード長（イーサネットフレームに近いサイズ）を実現しつつ、CANの強みであるビット単位アービトレーションによるリアルタイム性を維持するものです。CAN FDとイーサネットの間のギャップを埋める技術として期待されています。
• マルチギガビット車載イーサネット：レベル4以上の高度な自動運転では、1Gbpsでも帯域が不足すると考えられており、2.5G/5G/10Gbpsといったマルチギガビットの車載イーサネット規格（IEEE 802.3ch/cy）の実用化が進んでいます。
• 光ファイバーの可能性：究極の耐ノイズ性能とさらなる高帯域化を目指し、銅線の代わりにプラスチック光ファイバー（POF）を利用する検討も行われています。EMI（電磁妨害）の影響を完全に排除できるため、特に電磁環境が厳しいEV（電気自動車）での利用が期待されます。

結論：ネットワークが定義する未来のクルマ

ワイヤーハーネス問題を解決するために生まれたCANは、自動車に「神経網」を与え、その電子制御化を加速させました。そして今、高帯域と柔軟性を持つイーサネットが、その神経網をより太く、よりインテリジェントなものへと進化させ、自動車を「走るデータセンター」に変えようとしています。

CANが築いた信頼性の土台の上に、イーサネットが拡張性と接続性の未来を構築する。この二つの技術の共存と進化こそが、より安全で、より快適で、そしてソフトウェアによって常に新しくなり続ける「ソフトウェア・デファインド・ビークル」の未来を実現する鍵なのです。自動車の進化は、そのネットワークの進化と共にあると言っても過言ではないでしょう。