차량 Ethernet (Automotive Ethernet) — 인터넷 분야에서 성숙한 표준 Ethernet을 차량 EMC 조건과 배선 제약에 맞춰 일부 수정한 고속 차량 네트워크. Vehicle Centralized Architecture의 백본망이자 SDV의 통신 인프라로 자리잡고 있다.
도입 배경
표준 Ethernet의 장점
- 인터넷 분야에서 널리 사용되어 기술 성숙도 높음. Wireshark, TCP/IP 스택 등 개발·검증 도구가 풍부.
- 100 Mbps / 1 Gbps / 10 Gbps 고속 통신 지원 → CAN 대역폭 문제 해결.
- 최대 1518 Bytes 데이터 전송 → 대용량 송수신 가능.
- 산업용 네트워크(EtherCAT, PROFINET 등)에서 실시간·고신뢰 응용으로 검증됨.
차량 적용의 문제점과 해결
표준 Ethernet은 차량 EMC 조건을 만족하지 못해 쉴드 케이블, RJ-45 커넥터, 4가닥 선을 요구 → 무게·비용 증가.
해결: BroadR-Reach 기술 개발로 차량 적용이 가능해짐.
- 2가닥 꼬임쌍선(CAN과 동일)으로 Full-duplex 통신 지원.
- 차량 EMC 조건 만족.
- Open Alliance에서 표준화 추진 (10/100/1000 Mbps).
하드웨어 구조
Ethernet ECU는 MCU ↔ MAC ↔ PHY ↔ MDI ↔ 커넥터 의 계층으로 구성:
- Fast Ethernet Controller (MAC) — 100BASE-TX용 MAC Controller, 일반적으로 MCU에 내장.
- MII (Media-Independent Interface) — MAC과 PHY를 연결하는 통신 표준 (IEEE 802.3u). 다양한 PHY 타입을 MAC과 연결할 수 있도록 함.
- GMII — 1 Gbps MAC용 확장.
- RMII (Reduced MII) — 배선 축소를 위해 일부 통신 선을 줄인 변형.
- Ethernet Transceiver (PHY) — 대표 IC: MICREL KSZ8041NL. TX: TD+/TD-, RX: RD+/RD-.
- MDI (Medium Dependent Interface) — PHY와 물리 계층(케이블/커넥터)의 연결. Crossover / Straight 배선 선택.
- RJ45 — 표준 Ethernet 커넥터 (T-568B Pinout).
비트 부호화
표준별 배선 종류·길이·부호화 방식이 상이. 자세한 내용은 Ethernet 비트 부호화 참조.
- 100BASE-TX (STP/UTP, 100m, 2쌍, 4B5B+MLT-3)
- 100BASE-FX (Fiber, 185m, 2개, 4B5B+NRZ-I)
- 100BASE-T1(UTP, 15~40m, 1쌍, 4B/3B+3B/2T+PAM3) — 차량용 OABR.
- 10BASE-T1S(1쌍 multi-drop, 10 Mbps) — 존 아키텍처 에지 노드용. 짧은 거리에서 다수 단말이 같은 케이블을 공유하는 multi-drop 구조로 CAN·LIN 같은 기존 저속 버스를 대체. Remote Control 엔드포인트의 표준 PHY.
Ethernet Frame 구조
Standard Ethernet Frame (802.1Q 태그 포함 시):
| 필드 | 크기 (Byte) | 비고 |
|---|---|---|
| Preamble | 7 | 0x55 반복 (1·0 교차) — 비트 동기화용 |
| SFD | 1 | 0xD5 (0b10101011) — 프레임 시작 구분자 |
| Destination MAC | 6 | 수신자 주소 |
| Source MAC | 6 | 송신자 주소 |
| 802.1Q Tag | 4 (optional) | VLAN 태그 |
| EtherType / Length | 2 | 상위 프로토콜 또는 길이 |
| Payload | 46 ~ 1500 | 데이터 + 패딩 |
| FCS (CRC-32) | 4 | 에러 검출 (0x4C11DB7) |
| IPG | (12) | Interpacket Gap — 프레임 외부의 최소 간격 |
- Preamble + SFD는 Physical Layer Header에 속함 (프레임 본체 외).
- 프레임 최소 길이 = 64 Byte (512 bit), 최대 = 1518 Byte (VLAN 태그 포함 시 1522 Byte).
- Preamble의 역할: 7 Byte 동안 전송 노드의 클럭을 수신 노드에 전달 → 비트 단위 동기화 확립. CAN이 SOF 한 비트로 동기하는 것과 대조.
MAC 주소
- Ethernet은 MAC 주소로 노드를 식별. 제조 시 고유 주소가 할당됨 (EEPROM 탑재 또는 IEEE에서 구매).
- IP와 달리 동일 Switch에 연결된 노드 중에서만 유일하면 됨 (네트워크 전역에서 유일할 필요 없음).
- 표기: 6 Byte를 1 Byte씩 16진수로
-구분 (예:00-15-5D-36-6B-73). - 구조:
- 상위 3 Byte = OUI(Organizationally Unique Identifier) — IEEE가 기업에 할당.
- 하위 3 Byte = NIC Specific — 기업이 자유롭게 부여.
Data Link 동작
- Data Link 계층 송수신: 사용자 전달 MAC + EtherType + Payload 를 전송, CRC 계산하여 전송·수신 시 에러 체크.
- Switch가 목적지 MAC 주소를 참조하여 목적 Port로 포워딩.
- 하나의 Switch에 연결된 제어기 간 1 Hop 통신을 수행 (CAN은 같은 CAN 버스에 연결된 제어기 간 통신).
Network Switch 종류
| 종류 | 특징 |
|---|---|
| Managed Switch | 네트워크 설정 가능. VLAN 등 Network Layer 기능 제공·설정 가능 |
| Unmanaged Switch | 설정 불가. 단순 MAC 주소 기반 스위칭만 수행 |
스위치는 Switching Hub, Bridging Hub, MAC Bridge 등으로도 불리며, 각 포트에 연결된 노드의 MAC을 테이블에 자동 학습해 목적 포트로 전달.
VLAN 지원
차량 Ethernet 스위치는 IEEE 802.1Q 태그를 기반으로 논리적 네트워크 분리 가능. 자세한 내용은 VLAN 참조.
OABR / 100BASE-T1
OABR (Open Alliance BroadR-Reach) — 차량용 100 Mbps Ethernet 표준.
- UTSP(Unshielded Twisted Single Pair) 사용.
- 이후 IEEE에서 100BASE-T1 표준으로 제정.
BMW X5 SVS 적용 사례 (2014~2015)
BMW는 LVDS 기반 서라운드 뷰 시스템(SVS)을 OABR로 전환:
- SVS with LVDS(2006 series) → System with OABR (2013 series).
- 네트워킹 관련 비용 25% 이상 감소.
- 케이블 비용 최대 80% 절감, 케이블 무게 최대 50% 절감.
고급 RSE 사례의 한계
고급 뒷좌석 엔터테인먼트(RSE) 시스템은 헤드 유닛과 약 20 Mbps 속도로 내비게이션 데이터를 주고받았다. Harman Becker는 100BASE-TX Ethernet을 사용했으나, 전자기파 간섭으로 인해 shielded 케이블이 강제되어 무게·비용이 증가 — 이것이 OABR 개발의 직접적 동기.
- HU-RSE (2008 series): 100BASE-TX Ethernet (Shielded, 2가닥 꼬인 구리선 + 쉴드).
차량 Ethernet 최초 적용: BMW Central Gateway 리프로그래밍
BMW는 Central Gateway ECU 기반 리프로그래밍 기능에 Ethernet을 최초 도입.
- 기존 500 Kbps CAN으로는 SW 업데이트 시간이 과도하게 긺.
- 80 MByte 업데이트 → 1.5시간.
- 1 GByte 업데이트 → 16시간.
- 게이트웨이에 연결된 다수 네트워크에 병렬로 리프로그래밍 메시지 전송하여 시간 단축.
병렬 리프로그래밍 성능
- 2채널 병렬 리프로그램: 67s (미적용 120s).
- 500 Kbps CAN: 617 KByte SW 업데이트 기준.
BMW 7 Series 네트워크 아키텍처
초기 차량 Ethernet은 Diagnostic 통신 및 ZGW(Zentrales Gateway) ↔ Off-board systems 연결에 국한 적용. FlexRay, HS-CAN, LS-CAN, MOST 등과 복합 네트워크 구성.
에러 검출: 32-bit CRC
차량 Ethernet은 표준 Ethernet과 동일한 32 bit CRC를 사용.
- 생성 다항식: = 0x4C11DB7.
- Initial Value = 0xFFFFFF, Verify Value = 0x38FB2284.
- 연산 범위: DA + SA + (802.1Q tag) + LEN + DATA + PAD.
- 최소 해밍 거리 성능:
- HD = 4 (91,639 bit ~ 4,294,967,295 bit 범위)
- HD = 5(3,006 bit 이하 전송 시) — 짧은 프레임에서 검출력 강화
CAN의 15bit CRC(HD=2)에 비해 월등히 강한 검출 능력을 가지며, 이것이 긴 페이로드(최대 1518 Byte)를 신뢰성 있게 전송할 수 있게 하는 토대. 상세는 CRC 참조.
All-Ethernet Vehicle 비전 — 10BASE-T1S
Vector Informatik Kai Jansen(2025-08 Vector TechDay Korea)이 제시한 비전. 차량 전체를 단일 이더넷 백본으로 통합해 CAN/LIN/FlexRay/100·1000BASE-T1 혼재 + 게이트웨이를 제거한다.
동인
- 케이블은 차량 자재비 3위, 무게 3위
- 자율주행은 영상·레이다·라이다 실시간 처리에 멀티 기가비트 + 데이터 로깅·보안·클라우드 통신으로 I/O 폭증
- 게이트웨이 제거 → 시스템 설계 단순화, 개발 효율·유연성 향상
- 개발자가 이더넷만 이해하면 되는 통합 환경
10BASE-T1S의 결정론
- PLCA(Physical Layer Collision Avoidance) 메커니즘 + 슬라이딩 윈도(Sliding Window) 방식으로 각 노드 송신 시점 정의 → 충돌 없는 결정론적 통신
- CAN의 결정론은 메시지 ID ‘0’ 한정. 10BASE-T1S는 모든 메시지에 대해 결정론 보장.
- FlexRay와 유사한 결정론 + 훨씬 저렴·단순한 구현
TSN과의 관계
- TSN은 결정론·실시간 확보의 표준 기술이지만 설정·검증 복잡
- 10BASE-T1S가 저속 영역에서 그 복잡성을 보완하는 대안
통합 단계
| 단계 | 상황 |
|---|---|
| 단기 | CAN·LIN·FlexRay·100/1000BASE-T1 공존 불가피 — 안정 운영 중인 OEM이 즉시 교체 어려움 |
| 중기 | 신규 설계·새 도메인에서 10BASE-T1S 채택 |
| 장기 | All-Ethernet Vehicle — 일부 서브 도메인은 이미 실현 (예: MOST → 이더넷 대체) |
실현 가능성
- BMW가 15년 전 이더넷 기반 서라운드 뷰 시스템 도입 — 다른 유럽 OEM 추격
- Vector는 독일·오스트리아 주요 티어 1과 격주 회의로 이더넷 시스템 과제 논의
- 표준화 그룹 협력으로 최신 트렌드 반영 툴 업데이트
Vector 지원 도구
- CANoe·CANalyzer — CAN 데이터베이스·AUTOSAR·PDU·SOME/IP 디스크립션 기반 시뮬레이션·테스트·분석
- VN5650 — 10BASE-T1S + 100BASE-T1 + 1000BASE-T1 다양 차량 이더넷 인터페이스. 고속 데이터 로깅·정밀 프로토콜 분석.
- VN5240 — 10BASE-T1S 진단·분석 인터페이스. 실시간 모니터링·네트워크 부하 분석·디버깅.
- Security Manager — 다양 벤더 보안 프로파일 인식·적용
SDV 위치
- AUTOSAR Classic 레거시(CAN/LIN 기반 신호 통신) → AUTOSAR Adaptive 기반 SOA로 진화의 물리적 인프라
- SOME/IP·DDS로 서비스 호출·실시간 데이터 교환
10BASE-T1S 적합성 (Vector 정리)
- 네트워크 단순화 — 다중 노드 단일 케이블 multi-drop
- 비용·경량화 — 단일 UTP, 케이블 무게·연비 개선
- 이더넷 확장성 — 100/1000BASE-T1 호환 점진적 확장
- 고신뢰성·실시간 — PLCA로 지터 최소화 (센서 퓨전·V2X 적합)
Ethernet AVB와 TSN
차량 Ethernet의 첫 응용 분야는 멀티미디어 (MOST·LVDS 대체).
- Ethernet AVB(Audio Video Bridging): 멀티미디어 전송을 위해 개발된 IEEE 802.1 AVB 스택 — IEEE 802.1AS 시간 동기화 + IEEE 802.1Qat 대역폭 예약 + IEEE 802.1Qav 큐 관리 + IEEE 1722 전송 포맷. 제어 데이터 전송에는 부적합 (Class A 2ms/7hop 수준).
- 차량 백본망으로 확장하려면 멀티미디어 + 제어 데이터를 함께 전송 가능해야 함 → TSN(Time-Sensitive Networking)으로 발전.
- TSN 기반 Backbone 네트워크는 Ethernet AVB + 실시간 제어 데이터 전송 기술의 결합 — TAS·Preemption·CQF 등.
차량 Ethernet 활용 방안
| 영역 | 용도 |
|---|---|
| 센서 연결 | 카메라·레이더 등 대용량 센서 |
| 진단 통신 | DoIP (Diagnostics over IP, ISO 13400) |
| Calibration · Debugging | ECU 내부 상태 고속 관측 |
| 백본망 | TSN 기반 Vehicle Computer ↔ Zone 간 연결 |
| 서비스 기반 통신 | IP 전송 매체 |
HW 가격 경쟁력
| 트랜시버 IC | 통신 프로토콜 | 가격 | Wire harness |
|---|---|---|---|
| TJA1103AHN 등 | Automotive Ethernet | $1.62 (4000개 기준) | 2 wire UTP |
| TJA1080ATS | FlexRay | $6.37 (1000개 기준) | 2 wire UTP |
| TJA1462AT | CAN / CAN FD | $0.65 | 2 wire UTP |
FlexRay 대비 1/4 수준 단가로 고속화가 가능해 대역폭/비용 비율이 우수.
네트워크 비교
| Feature | HS-CAN | FlexRay | CAN FD | Ethernet |
|---|---|---|---|---|
| Data Rate | 1 Mbps | 10 Mbps | 5 Mbps | 1000 Mbps |
| Msg. Length | 8 Bytes | 254 Bytes | 64 Bytes | 1518 Bytes |
| Physical Media | UTP | UTP (POF) | UTP | UTP (Open Alliance) |
| Topology | Bus | Bus, Star, Mixed | Bus | Star, Ring, Line |
| Media Access | CSMA-CA | TDMA | CSMA-CA | (switch-based) |
| Error Detection | CRC-15 | CRC-24, CRC-11 | CRC-17, CRC-21 | CRC-32 |
| Redundancy | No | Two Channels | No | No |
| Deterministic | No | Built-In | No | Ethernet AVB, TSN |
| Cost (트랜시버) | $0.65 | $6.37 | $0.65 | $1.62 |