[H-모빌리티 클래스] 5차시: LIN 통신과 Ethernet 통신

오늘은 H-모빌리티 클래스 5차시 LIN 통신과 Ethernet 통신 수업으로 ‘차량용 저속 통신과 고속 대용량 통신의 구조’에 대해 학습하였다. 이번 강의에서는 간단한 제어에 사용되는 LIN 통신과, 대용량 데이터 전송을 위해 차량에 적용되기 시작한 Ethernet 통신을 함께 정리하였다.

LIN은 저비용의 서브 네트워크로, Ethernet은 고속 데이터 처리를 위한 백본 네트워크로 이해할 수 있었다. 두 통신 방식은 목적과 적용 영역이 다르기 때문에 차량 내부 네트워크에서 서로 보완적으로 사용된다.

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학습 목표

1. LIN 통신의 개발 배경과 기본 구조를 설명할 수 있다.
2. LIN 통신의 Master-Slave 구조와 동작 원리를 정리할 수 있다.
3. Ethernet 통신이 차량에 적용된 배경과 발전 흐름을 설명할 수 있다.
4. 일반 Ethernet과 차량용 Ethernet의 차이점을 비교하여 설명할 수 있다.

학습 내용

LIN 통신의 개념과 개발 배경

LIN은 Local Interconnect Network의 약자로, 차량 내부의 간단한 기능을 제어하기 위해 사용되는 저가형 통신 방식이다. CAN 통신이 차량 제어 영역에서 널리 사용되지만, 모든 기능에 CAN을 적용하면 비용이 높아질 수 있다. 따라서 창문, 도어, 시트, 조명처럼 비교적 단순한 기능에는 더 간단하고 저렴한 통신 방식이 필요하다.

LIN은 이러한 요구에서 등장한 서브 네트워크 방식의 통신이다. 하나의 메인 제어기 아래에 여러 개의 간단한 센서나 액추에이터가 연결되는 구조에 적합하다. 통신 속도는 최대 20kbit/s 수준으로 CAN보다 느리지만, 단순 제어에는 충분하며 비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.

LIN 통신의 주요 특징

• Single wire 방식: 하나의 통신선을 사용하여 네트워크를 구성한다.
• 저속 통신: 최대 속도는 약 20kbit/s로, 간단한 제어 기능에 적합하다.
• 저비용 구조: CAN보다 구성 비용이 낮아 단순 기능 제어에 유리하다.
• 서브 네트워크: CAN 네트워크 아래에서 보조적인 로컬 네트워크로 사용될 수 있다.
• 제한된 규모: 노드 수와 메시지 수가 비교적 제한되어 단순한 네트워크 구성에 적합하다.

정리하면 LIN은 고성능 통신보다는 비용 효율성과 단순성을 중시하는 통신 방식이다. 따라서 안전과 직접적으로 연결된 고속 제어보다는 편의 장치나 간단한 액추에이터 제어에 많이 사용된다.

LIN 통신의 구조와 동작 원리

LIN 통신은 Single Master / Multi Slave 구조를 가진다. 하나의 Master 제어기가 전체 통신을 관리하고, 여러 Slave 제어기는 Master의 지시에 따라 응답한다. 이 구조는 복잡한 중재 과정이 필요하지 않기 때문에 간단한 통신 시스템을 구성하기에 적합하다.

Master-Slave 구조

Master는 네트워크의 통신 스케줄을 관리한다. 언제 어떤 메시지가 전송될지 결정하고, 각 Slave가 응답할 수 있도록 통신 흐름을 제어한다. 반면 Slave는 스스로 임의의 시점에 메시지를 전송하지 않고, Master가 전송한 헤더를 확인한 뒤 필요한 응답을 보낸다.

이러한 구조에서는 통신 충돌이 발생할 가능성이 낮다. CAN처럼 여러 제어기가 동시에 메시지를 보내면서 중재를 수행하는 방식이 아니라, Master가 정해진 순서에 따라 통신을 진행하기 때문이다.

Time-triggered Schedule

LIN 통신은 Time-triggered Schedule 방식을 사용한다. 이는 정해진 시간표에 따라 메시지가 전달되는 방식이다. Master가 미리 정한 스케줄에 따라 헤더를 전송하면, 해당 메시지에 대응하는 Slave가 리스폰스를 전송한다.

이 방식은 통신 시점을 예측하기 쉽고, 충돌을 피할 수 있다는 장점이 있다. 다만 네트워크 상황에 따라 유연하게 메시지를 보내는 구조는 아니기 때문에, 복잡하고 빠른 제어보다는 주기적인 단순 제어에 더 적합하다.

Header와 Response

LIN 메시지 프레임은 Header와 Response로 구성된다. Header는 Master가 전송하며, 여기에는 메시지를 구분하기 위한 ID가 포함된다. Slave는 이 Header를 읽고 자신이 응답해야 하는 메시지인지 판단한 뒤 Response를 전송한다.

즉, 하나의 LIN 메시지 프레임은 Master와 Slave가 함께 완성하는 구조이다. Master는 통신의 시작과 스케줄을 관리하고, Slave는 실제 데이터 응답을 제공한다.

구분	역할	특징
Master	통신 스케줄 관리 및 Header 전송	네트워크 전체의 통신 순서를 제어한다.
Slave	명령 수행 및 Response 전송	Master의 요청에 따라 데이터를 응답한다.
Header	메시지 시작 및 ID 전달	Master가 전송한다.
Response	실제 데이터 응답	Slave가 전송한다.

LIN 제어기 구조와 활용 사례

LIN 통신을 사용하는 제어기는 MCU와 Transceiver IC로 구성된다. MCU는 Microcontroller Unit의 약자로, 내부에 SCI(Serial Communication Interface) 또는 UART와 같은 직렬 통신 기능이 있으면 LIN 통신에 활용할 수 있다.

다만 MCU의 신호만으로는 차량 내 통신선에서 안정적으로 통신하기 어렵기 때문에, 물리적인 LIN 신호를 생성하고 수신하는 Transceiver IC가 함께 필요하다. 이 Transceiver가 MCU의 신호를 LIN 버스에 맞는 전기적 신호로 변환한다.

SCI와 LIN Transceiver

SCI는 비동기식 직렬 통신 방식으로, 일반적으로 TX와 RX 두 개의 신호선을 사용한다. LIN은 기존 MCU의 SCI 기능을 활용할 수 있기 때문에 별도의 복잡한 통신 모듈을 추가하지 않아도 된다. 여기에 LIN Transceiver IC를 연결하면 차량용 LIN 물리 계층 신호를 만들 수 있다.

CAN은 MCU 내부에 별도의 CAN Controller가 필요하지만, LIN은 기존 직렬 통신 기능을 활용할 수 있어 비용 측면에서 유리하다. 또한 통신선도 하나만 사용하므로 간단한 네트워크 구성에 적합하다.

LIN 통신의 활용 영역

LIN은 차량 내부의 편의 기능이나 단순 제어 기능에 많이 사용된다. 예를 들어 운전대 조작 버튼, 공조 장치, 창문 제어, 도어 제어, 시트 제어 등에 적용될 수 있다.

창문 제어를 예로 들면, 메인 제어기에 Master LIN이 있고 각 창문 모터에는 Slave LIN이 연결될 수 있다. 운전자가 창문 버튼을 누르면 Master가 해당 명령을 스케줄에 따라 전송하고, 각 Slave는 자신의 역할에 맞게 창문 모터를 구동한다.

이처럼 LIN은 높은 속도나 복잡한 제어가 필요하지 않은 영역에서 비용을 줄이고 구조를 단순화하는 데 효과적인 통신 방식이다.

Ethernet 통신의 차량 적용 배경

Ethernet은 일반적인 LAN(Local Area Network)에서 가장 널리 사용되는 컴퓨터 네트워크 기술이다. 통신 속도는 bps(Bit Per Second) 단위로 표현되며, 1초 동안 전송할 수 있는 비트 수를 의미한다.

기존 차량 네트워크에서는 CAN과 LIN이 많이 사용되었지만, 차량 내부에서 처리해야 하는 데이터량이 급격히 증가하면서 더 빠른 통신 방식이 필요해졌다. 특히 카메라, 레이더, 라이다와 같은 센서가 늘어나고, 인포테인먼트 시스템과 ADAS 기능이 발전하면서 대용량 데이터 전송의 중요성이 커졌다.

CAN과 LIN만으로는 부족한 이유

CAN과 LIN은 차량 제어와 단순 기능에는 적합하지만, 고해상도 영상이나 대용량 센서 데이터를 처리하기에는 한계가 있다. 예를 들어 서라운드 뷰 모니터, 주차 지원 시스템, 고해상도 카메라 데이터는 많은 양의 데이터를 빠르게 전달해야 한다.

따라서 산업용 Ethernet을 차량에 적용하려는 시도가 시작되었다. 그러나 일반 Ethernet을 그대로 차량에 적용하기에는 여러 제약이 있었다. 차량은 온도 변화, 전자파 간섭, 진동, 배선 무게, 커넥터 형태 등 일반 사무실이나 산업 환경과 다른 조건을 가진다. 이 때문에 차량 환경에 맞춘 차량용 Ethernet이 개발되었다.

차량용 Ethernet 적용 흐름

차량용 Ethernet은 처음에는 진단 및 리프로그래밍 용도로 적용되었다. 이후 1-pair Ethernet 기술이 개발되면서 차량 내부 배선 무게와 구조를 줄이면서도 고속 통신을 구현할 수 있게 되었다.

특히 OPEN Alliance와 BroadR-Reach 기술은 차량용 Ethernet 확산에 중요한 역할을 하였다. 1-pair, 즉 두 가닥의 꼬임선만으로 Ethernet 통신을 가능하게 하면서 차량 환경에 적합한 네트워크 구성이 가능해졌다. 이후 100BASE-T1 표준 등으로 발전하며 카메라, 주차 지원, 인포테인먼트 시스템 등에 적용되었다.

Ethernet 통신의 기본 특징

Ethernet은 Full-duplex, Packet switching, Address-based messaging과 같은 특징을 가진다. 이러한 특징은 기존 차량용 통신 방식과 차별화되는 부분이다.

Full-duplex

Full-duplex는 송신과 수신이 동시에 가능한 통신 방식을 의미한다. 두 장치가 서로 데이터를 주고받을 때, 한쪽이 보내는 동안 다른 한쪽도 동시에 데이터를 보낼 수 있다. 이는 통신 효율을 높이고, 대용량 데이터 전송에 유리하다.

Packet switching

Ethernet은 데이터를 패킷 단위로 나누어 전송한다. 패킷에는 목적지와 출발지 정보가 포함되며, 네트워크 장치는 이 정보를 바탕으로 데이터를 전달한다. 이러한 구조는 네트워크를 계층적으로 구성하거나, 제어기를 추가하고 제거할 때 유연하게 대응할 수 있게 한다.

Address-based messaging

Ethernet에서는 MAC 주소를 기반으로 메시지가 전달된다. 각 장치는 고유한 주소를 가지고 있으며, Ethernet 스위치는 이 주소를 확인하여 패킷이 올바른 목적지로 전달되도록 한다. 이 방식은 메시지를 기능이나 ID 중심으로 처리하는 일부 차량용 통신 방식과 차이가 있다.

차량용 Ethernet의 특징과 차이점

일반 Ethernet과 차량용 Ethernet은 기본적인 통신 개념은 비슷하지만, 물리 계층과 적용 목적에서 차이가 있다. 일반 Ethernet은 보통 2-pair 또는 4-pair 케이블을 사용하지만, 차량용 Ethernet은 배선 무게와 공간을 줄이기 위해 1-pair 케이블을 사용한다.

1-pair Ethernet

차량에서는 통신선이 많아질수록 무게와 고장 가능성이 증가한다. 따라서 차량용 Ethernet은 두 가닥의 선만 사용하는 1-pair 방식으로 발전하였다. 물리 계층 구조는 차량 환경에 맞게 달라졌지만, Ethernet의 기본적인 패킷 기반 통신 개념은 유지된다.

Ethernet Backbone 구조

최근 차량에서는 주요 제어기들을 Ethernet으로 연결하고, 나머지 세부 기능은 CAN이나 LIN 같은 서브 네트워크로 구성하는 방식이 사용될 수 있다. 이러한 구조를 Ethernet Backbone이라고 볼 수 있다.

Ethernet Backbone은 대용량 데이터를 빠르게 전달해야 하는 주요 제어기 사이의 통신에 적합하다. 예를 들어 고해상도 카메라, 레이더, 인포테인먼트 시스템 등에서 발생하는 데이터를 중앙 제어기나 고성능 컴퓨팅 장치로 전달하는 데 활용될 수 있다.

일반 Ethernet과 차량용 Ethernet의 비교

구분	일반 Ethernet	차량용 Ethernet
주요 환경	사무실, 가정, 산업용 네트워크	차량 내부 네트워크
케이블 구조	2-pair 또는 4-pair 사용	주로 1-pair 사용
중요 고려 요소	속도, 네트워크 확장성	속도, 무게, 신뢰성, EMC, 온도 환경
주요 활용	컴퓨터와 네트워크 장비 연결	카메라, ADAS, 인포테인먼트, 진단 통신

정리하면 차량용 Ethernet은 일반 Ethernet의 장점을 차량 환경에 맞게 변형한 통신 방식이다. 차량 내부 데이터량이 증가하면서 Ethernet은 앞으로 더 중요한 차량 네트워크 기술이 될 가능성이 높다.

LIN과 Ethernet의 역할 비교

LIN과 Ethernet은 모두 차량 내부 통신에 사용되지만, 적용 목적은 크게 다르다. LIN은 저속, 저비용, 단순 제어에 적합한 통신 방식이고, Ethernet은 고속, 대용량 데이터 전송에 적합한 통신 방식이다.

따라서 차량 내부 네트워크는 하나의 통신 방식으로만 구성되지 않는다. 간단한 버튼, 모터, 센서에는 LIN이 사용될 수 있고, 카메라나 고성능 제어기 사이에는 Ethernet이 사용될 수 있다. 이처럼 기능별 요구사항에 따라 적절한 통신 방식을 선택하는 것이 차량 네트워크 설계에서 중요하다.

구분	LIN	Ethernet
통신 목적	간단한 로컬 제어	대용량 데이터 전송
속도	저속	고속
구조	Single Master / Multi Slave	스위치 기반 패킷 통신
적용 예	창문, 도어, 시트, 조명	카메라, 레이더, 인포테인먼트, ADAS

학습 소감

이번 5차시를 통해 차량 내부 통신이 기능별로 서로 다른 요구사항을 가진다는 점을 다시 확인할 수 있었다. LIN은 단순하고 저렴한 구조로 편의 장치 제어에 적합하고, Ethernet은 대용량 데이터를 처리하기 위해 필요한 통신이라는 점이 명확하게 구분되었다.

특히 차량용 Ethernet이 일반 Ethernet을 그대로 가져온 것이 아니라, 배선 무게와 차량 환경을 고려해 1-pair 구조로 발전했다는 점이 인상 깊었다. 앞으로 차량 네트워크를 볼 때 단순히 통신 속도만 비교하기보다, 적용 위치와 목적을 함께 고려해야겠다고 느꼈다.