Vehicular networks have traditionally focused on the real-time delivery of critical control messages for safe car operation. Unfortunately, the real-time requirements often cripple the development of flexible car applications by tying an application network stack to underlying physical networks. While popular real-time vehicular networks guarantee the timely delivery of prioritized messages, they often lack in bandwidth and flexibility, which limit the range of car network applications.
In this work, we explore the idea of replacing the current vehicular network with standard switched Ethernet, the most popular LAN technology in computer networks. Ethernet is attractive in providing large bandwidth at a low cost with easy and flexible configuration. The most challenging part is to guarantee the real-time delivery of mission-critical messages. We first show that the soft message delivery latency of 10s to 100s milliseconds can be easily met in 100 Mbps switched Ethernet despite coexistence of high-bandwidth network applications. For meeting the hard delivery latency requirement on the order of 100 microseconds for critical control messages, we propose limiting the path MTU to the destination node with priority queuing from IEEE 802.1Q. Our simulation and experiments show that we can satisfy 100 microseconds of latency even in a rich set of vehicular applications without any modification of the application network stack. We also have discussed the bootstrapping process with simple DNS and DHCP server in automobile. The bootstrapping provides the IP addresses of ECUs automatically for providing flexibility to automobile.
전통적으로 차량 내 네트워크는 자동차 동작의 안정성을 위하여 실시간으로 데이터를 전송하는데 있어 초점을 맞춰왔다. 불행하게도, 이런 실시간성을 맞추는 구조는 자동차 어플리케이션의 유연한 업데이트 및 설치를 크게 방해한다. 현존 하는 차량 내 네트워크들 (CAN, FlexRay, LIN 등)은 각 메시지 별로 아이디를 부여하여 통신하는 방식으로 이루어 져 있을 뿐만 아니라, 각 메시지 아이디는 고유의 우선순위를 의미하여, 새로운 통신을 만들거나 기존의 통신을 수정하려 할 경우 차량 내 전체의 통신들에 대한 우선순위 계산을 다시 해야 하는 등의 어려움을 만든다. 또한 기존의 차량 내 네트워크들은 실시간 성에 초점이 맞춰져 있을 뿐 많은 데이터를 보내기에 적합하지 않다는 문제점 또한 가지고 있다. 이 문제점들은 자동차 어플리케이션을 디자인 하는데 있어 큰 제약사항이 되고 있다.
본 연구에서는 차량 내 네트워크를 가장 대중적인 네트워크 기술 중 하나인 범용 이더넷으로 통합하는 아이디어를 제시한다. 이더넷은 높은 대역폭을 제공하여 많은 데이터를 보낼 수 있을 뿐만 아니라, 값이 싸며, 무엇보다도 유연한 환경 설정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 이더넷은 실시간 통신을 위하여 개발된 통신 방식이 아니기 때문에, 실시간 통신을 보장해 주는 방법에 대하여 고려해야만 한다.
먼저 이더넷으로 차량 내 네트워크를 통합하였을 경우 발생하는 지연시간에 대하여 시뮬레이션을 통해 조사하였다. 현존 하는 자동차의 모든 통신을 이더넷으로 통합할 경우 지연시간은 수 백 미리 세컨드를 넘지 않는다는 점을 확인하였다. 하지만 자동차 컨트롤 루프 등에서 사용되는 긴급한 메시지가 가져야 하는 100 마이크로 세컨드의 지연시간은 맞출 수 없다는 결론을 얻을 수 있었다.
긴급한 메시지를 위한 100 마이크로 세컨드의 지연을 맞추기 위하여 본 연구에서는 각 자동차 통신 경로의 최대 전송 단위(Maximum Transmission Unit, MTU)를 제한하는 방법을 제시하였다. 자동차 내에서 전송되는 모든 패킷은 그 우선순위를 위하여 IEEE 802.1Q 규격을 따르게 우선순위를 부여하였으며, 그 중에서 가장 높은 우선순위를 가지는 패킷의 지연시간이 100 마이크로 세컨드가 되지 않게 하기 위하여 가장 높은 우선순위를 가지는 패킷이 지나다니는 경로의 최대 전송 단위를 한정하는 알고리즘을 개발하였다. 이 방법을 통하여 가장 높은 우선순위를 가지는 패킷은 이더넷 스위치 속에서 다른 패킷과의 충돌이 일어나더라도, 최소 시간만을 기다려 목적지에 도착할 수 있다. 시뮬레이션과 실제 자동차 환경과 비슷한 조건에서의 실험을 통한 알고리즘 분석결과 경로 별로 최대 전송 단위를 제안한 결과, 100 마이크로 세컨드의 지연시간을 요구하는 데이터를 포함한 모든 데이터가 고유의 데드라인 내에 전송될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 자동차의 플러그 엔 플레이를 위한 자동차용 DNS 및 DHCP 서버를 구현하였고, 성능이 낮은 ECU에서도 기능이 잘 동작하는 것을 확인하였다.
