버스 접근 방식

버스 접근 방식(Bus Access) — 공유된 통신 매체에 대해 어느 노드가 언제 점유하여 송신할 수 있는가를 규정하는 메커니즘. 자동차 버스 시스템은 크게 4가지 유형으로 분류된다.

4가지 유형

1. Event-driven (이벤트 주도)

대표 버스: CAN(CSMA/CA), Ethernet IEEE 10Base-T (CSMA/CD)
임의의 ECU가 사용 가능한 버스에 아무 시점에든 접근 가능.
한 노드가 버스를 점유하면 다른 노드는 해제까지 대기.
메시지 우선순위 부여로 트래픽을 제어 가능.
동기화: Sender에 동기화.
대표 프로토콜:
- CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) — Ethernet
- CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) — CAN. 2개 이상 ECU가 동시 접근 시 우선순위가 가장 높은 메시지가 생존.
- CSMA/CR(Collision Resolution) — CSMA/CA와 동일한 비트 단위 중재 기법을 우선순위 경쟁에서 밀린 노드 관점으로 표현한 용어. CAN에서 충돌은 파괴되지 않고 해결됨을 강조.

2. Master-Slave

대표 버스: LIN
상위 노드(Master)가 데이터 전송을 통제.
하위 노드(Slave)는 Master의 요청에 응답할 때만 버스 접근 가능.
동기화: Master에 동기화.
실제로는 “delegated token” 방식으로도 불림 — Master가 특정 신호(토큰)를 전송해 버스 접근권을 위임. Master는 두 개 이상의 schedule을 전환할 수 있어 시간적 거동은 상대적으로 유연.

3. Time-synchronous (시분할)

대표 버스: FlexRay (TDMA 사용)
각 노드가 주기적인 시간 창(time window/slot)을 할당받고, 해당 슬롯에서만 송신.
시간 창이 노드에 고정적으로 할당 — 토큰이 전달되지 않는다.
동기화: Global Clock에 동기화 → 글로벌 사이클.
TDMA: Time Division Multiple Access
메시지는 고정 주기(cycle time)로 전송됨.

4. Token Passing

대표 프로토콜: OSEK NM (Network Management)
송신 권한(Token)이 노드 간 전달됨.
토큰을 보유한 노드만 송신 가능 → 동시에 하나의 노드만 송신 보장.
동기화: Sender에 동기화.

타이밍 예시

방식	시간 축 특성
CSMA (CAN)	임의 시점 접근, 우선순위 기반 충돌 회피 (예: `0x20`, `0x60`, `0x80`)
Master/Slave (LIN)	Master가 정한 schedule로 순회 (`1-2-3-4-1-2-3-4...`)
TDMA (FlexRay)	고정된 Global Cycle 내 슬롯 (`1 2 3 4`)

CSMA vs TDMA 철학 비교

CSMA (CAN): 이벤트 주도. 계획·순서·스케줄 없음. 신호 변화 발생 시 해당 ECU가 즉시 접근. 동시 접근 시 우선순위가 높은 메시지가 승리.
TDMA (FlexRay): 시간 주도. 각 메시지에 고정 슬롯 예약. 고정 반복 주기(cycle time)로 전송.
Master/Slave (LIN): schedule 기반이지만 Master가 schedule을 전환할 수 있어 CSMA와 TDMA의 중간적 거동.

CAN CSMA/CA 세부 동작

기본 접근 규칙

각 네트워크 노드는 버스가 idle일 때 언제든 전송 시작 가능.
Bus idle 판정: recessive 레벨이 11비트 시간 연속 → idle (1 MBaud CAN 기준 11µs).
두 송신 요청이 서로 다른 시점에 발생하면, 늦은 요청은 버스가 busy이므로 우선순위와 무관하게 대기.
일단 버스가 busy가 되면 (첫 Identifier 비트 시작) 다른 노드는 다음 idle까지 대기.

Start of Frame (SOF)

모든 CAN 메시지는 논리 0(dominant)로 시작 → bus idle의 논리 1(recessive)과 구분.
SOF 후 Identifier 비트가 순차 전송됨.

Bit-by-Bit 중재

둘 이상의 노드가 동시에 전송을 시작하면 비트 동기 전송과 중재가 동시 진행된다. 각 송신 노드는 자신이 보낸 비트와 버스에서 읽은 비트를 비교:

Sender 비트	버스 비트	동작
0	0	Continue
0	1	Transmission Error
1	0	Stop and change to reception mode (패배)
1	1	Continue

Wired-AND (Bus Logic): 한 노드라도 0(dominant)을 송신하면 버스는 0.
우선순위: Identifier 수치의 역수 → 0x000 최고 / 0x7FF 최저 (11-bit Standard).
중재에서 이긴 노드는 다른 노드의 존재를 인식하지 못한 채 전송을 이어가며, 전송 지연이 없다.
진 노드는 요청을 취소하지 않고 다음 idle 시 재시도.

→ 자세한 중재 로직은 CAN 중재 참조.

점유 시간 제한

CAN 메시지는 최대 페이로드 8바이트로 버스를 짧게 점유 → 낮은 우선순위 메시지의 대기 시간도 상한이 있음.

Ethernet CSMA/CD 세부 동작

CSMA/CD — 초기 Ethernet(10 Mbps)에서 충돌을 탐지한 뒤 임의 시간 대기 후 재전송하는 방식. 스테이션이 채널 상태를 감지한 후 전송하되, 충돌이 발생하면 감지해 복구한다.

CS: 회선 사용 여부 감지.
MA: 미사용 시 누구든 접근 가능.
CD: 프레임 전송 중 충돌 여부 조사.

알고리즘 흐름

시작 → 재시도 카운터 $N = 0$ .
채널 사용 중? → Yes면 대기, No면 다음 단계.
프레임 전송.
충돌 발생? → No면 완료.
Jam 신호 전송 → $N = N + 1$ .
$N > 15$ ? → Yes면 비정상 종료, No면 다음 단계.
$[0, 2^{N} - 1]$ 범위에서 임의의 수 $k$ 선택.
$k \times (Slot Time)$ 만큼 대기 후 2번으로 복귀.

재전송 백오프

최대 $N = 15$ 회 재시도. 초과 시 전송 실패.
충돌이 반복될수록 $[0, 2^{N} - 1]$ 범위가 넓어져 백오프 시간이 지수적으로 증가 → 매체 혼잡도에 따라 트래픽 자동 조절.
Slot Time = $2 \times 전송 지연 시간 + 여유 마진$ (왕복 전파 시간을 포괄).

현대 Ethernet에서의 한계

CSMA/CD는 초기 10 Mbps Ethernet에서만 사용.
고속·기가비트 Ethernet, Full Duplex, Switch 기반 Star 토폴로지 전환으로 더 이상 사용되지 않음.
현재 Ethernet의 지연·손실은 Switch 내부 큐에서 발생 (특정 포트로 집중된 트래픽).

ACK 메커니즘 비교

프로토콜	ACK 계층	응답 시점
CAN	Data Link (ACK Slot)	1 Bit Time 내
Ethernet	상위 계층 (TCP 등)	프레임 단위

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