현대식 네트워크는 SDV의 중추 역할을 합니다.

서론

SANJAY: 안녕하세요. Sonatus 에서 제공하는 ‘ Driving Innovation ’ 팟캐스트 시리즈의 첫 번째 에피소드에 오신 것을 환영합니다. 저는 제품 총괄 책임자인 산제이 카트리(Sanjay Khatri)입니다. 이번 시리즈에서는 업계를 소프트웨어 정의 차량(SDV)으로 이끄는 기술과 솔루션에 대해 이야기해 보겠습니다. 첫 번째 에피소드에서는 현대적인 차량 네트워크가 SDV로의 전환에 어떻게 필수적인지 살펴보겠습니다. 사실, 차량 네트워크는 SDV의 중추라고 해도 과언이 아닙니다. 근본적으로 SDV는 차량의 수명 주기 전반에 걸쳐 소프트웨어를 통해 지속적으로 개선되고 새로운 기능이 추가되는 차량을 제공할 것을 약속합니다. 예를 들어, 자동차 제조사(OEM)가 고속도로 모드 기능을 추가하고자 한다고 가정해 봅시다. 이 기능은 차량이 고속도로를 주행 중임을 감지하면 운전자가 선호하는 주행 모드, 좌석 위치, 오디오 설정, 실내 조명을 자동으로 선택해 줍니다. 현재의 차량 네트워크로는 서로 다른 도메인에 걸쳐 있는 이러한 모든 기능을 하나의 통합된 경험으로 묶는 것이 어렵고, 차량이 생산 및 판매된 후에는 확실히 불가능한 일입니다. 하지만 바로 이것이 SDV가 제공해야 할 맞춤형 경험의 유형입니다. 우리는 이러한 통합된 경험을 제공할 수 있을 만큼 유연하고 다재다능한 네트워크가 분명히 필요합니다. 이는 현대적인 네트워크가 클라우드 데이터 센터가 데이터베이스, 사용자 계정, 청구, 메시징, 최종 사용자 GUI 등 다양한 시스템과 애플리케이션을 하나로 통합하여 원활한 전자상거래 경험을 제공하도록 한 것과 매우 유사합니다. 차량이 점점 더 ‘바퀴 달린 데이터 센터’처럼 변해감에 따라, 현대적인 네트워킹 표준과 관행으로의 유사한 전환이 필요합니다. 이제 제 동료인 제임스 머피에게 마이크를 넘기겠습니다. 그는 현대적인 차량 네트워크가 어떤 구체적인 과제를 해결하고, 어떻게 해결하는지에 대해 설명해 드릴 것입니다.

현재 차량 네트워크의 과제와 한계

짐: 산제이, 소개해 주셔서 감사합니다. 제 이름은 짐 머피입니다. 오늘은 현재의 차량 네트워크가 안고 있는 몇 가지 과제와 한계, 그리고 이더넷 백본으로 전환함에 따라 우리가 마련한 해결책에 대해 이야기해 보려고 합니다. 첫 번째 문제는 네트워크가 정적이고 고정 배선 방식으로 구성되어 있어, 기존 네트워크에 새로운 기능을 통합하기가 매우 어렵다는 점입니다. 두 번째 문제는 네트워크가 고립되어 있어 서로 다른 도메인이 독립적으로 작동하며, 이러한 환경에서는 다중 도메인 애플리케이션을 구현할 수 있다는 전망이 크게 제한된다는 점입니다. 기존 네트워크의 또 다른 문제는 네트워크에서 높은 대역폭을 요구하는 영상과 같은 최신 센서를 지원하기에는 현재 기술의 대역폭이 단순히 부족하다는 점입니다. 게다가 대역폭이 제한된 네트워크에서 실시간 애플리케이션을 위한 서비스 품질(QoS)을 보장하는 것은 매우 어렵습니다. 보안 문제도 있습니다. 차량 내에 너무 많은 서로 다른 네트워크 기술이 존재하고, 수많은 센서와 액추에이터, 다양한 장치가 네트워크에 연결되어 있어, 차량을 효과적으로 보호하기에는 공격 경로가 너무 많습니다. 또한 이처럼 서로 다른 기술들이 혼재되어 있어 차량 전반에 걸쳐 통일된 보안 체계를 구축하는 것도 매우 어렵습니다. 현재 차량 네트워크와 관련된 또 다른 문제는 물리적 구조와 관련이 있습니다. 네트워크 자체가 차량 전체에 중복되어 배치되어 있기 때문에 배선 하네스가 비용이 많이 들고 무겁고 복잡하며, 이로 인해 제조 비용이 매우 높고 무거운 물리적 인프라가 만들어집니다. 또 다른 문제는 더 많은 다중 도메인 애플리케이션을 지원하기 위해 네트워크 간 상호 연결을 시도할 경우, 배선과 관련된 복잡성이 더욱 가중된다는 점입니다. 또 다른 문제는 네트워크 자체를 모니터링하고, 문제를 파악하며, 수리하기가 어렵다는 점입니다. 이는 네트워크 기술의 다양성과도 관련이 있으며, 따라서 이를 진단하는 데 필요한 도구도 다양해집니다. 그리고 이러한 다양성과 더불어, 차량 전반에 걸쳐 진단을 수행하는 데 따르는 운영상의 복잡성도 발생합니다.

현대 자동차가 이러한 과제를 어떻게 해결하고 있는지

JIM: 그렇다면 현대의 차량 네트워크는 이러한 과제를 어떻게 해결하고 있을까요? 우리는 각 도메인마다 전용 물리적 인프라를 갖추던 방식에서, 차량 내 모든 도메인을 지원하는 단일 물리적 인프라를 갖추는 방식으로 전환하고 있습니다. 이를 통해 전체 물리적 네트워크의 배선 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 개별 네트워크 구성 요소의 배선 길이가 줄어들어 배선 공정이 더욱 용이해집니다. 두 번째로, 모든 ECU가 다른 모든 ECU로부터 IP를 통해 접근 가능해졌습니다. 따라서 적용하고자 하는 보안 제한 사항에 따라 어떤 ECU든 다른 ECU의 데이터에 접근할 수 있게 되어, 여러 도메인에 걸친 다양한 애플리케이션을 구동할 수 있게 되었습니다. 또 다른 흥미로운 점은 연산 처리를 소수의 고성능 ECU에 중앙 집중화할 수 있다는 것입니다. 따라서 과거에는 단일 도메인의 전용 프로세서에서 실행되던 작업도 이제는 공유 프로세서에서 실행될 수 있습니다. 결과적으로 차량 내 ECU 비용을 일부 절감하는 데 기여할 수 있습니다. 또한 서비스 지향 아키텍처(SOA)를 구현할 수 있습니다. 서비스 지향 아키텍처를 통해 개별 애플리케이션은 네트워크 전반의 모든 서비스에 접근할 수 있으며, 따라서 해당 데이터의 가용성에 따라 애플리케이션을 구현할 수 있습니다. 또한 애플리케이션 분산이나 차량 전반의 다양한 컴퓨팅 리소스에 걸친 애플리케이션 부하 분산과 같은 특정 클라우드 네이티브 개념도 지원합니다. 애플리케이션 자체는 표준 IP 기술을 사용하여 구축되므로, 많은 기존 기술을 활용하여 차량에 적용할 수 있습니다. 예를 들어, 네트워크의 말단이나 차량에 위치한 ECU 중 하나는 LED 컨트롤러와 같은 역할을 할 수 있습니다. 이 LED 컨트롤러는 고성능 ECU 중 하나에서 실행되는 중앙 집중식 컨트롤러에 의해 제어될 수 있으며, 이 컨트롤러는 본질적으로 LED 시스템으로 동영상을 스트리밍하는 역할을 하므로, 이러한 애플리케이션을 지원하기 위해 잘 알려진 기술을 많이 재사용하게 됩니다. 이제 이 모든 데이터를 단일 인프라로 통합하면, 서로 다른 중요도의 데이터가 혼합되기 때문에 특정 문제가 발생합니다. 즉, 실시간 데이터가 대량 데이터나 일반 데이터와 섞이게 되므로, 이를 처리할 수 있는 프로토콜이 필요합니다. IEEE는 시간 민감형 네트워킹(TSN) 표준을 제정했는데, 이를 통해 네트워크에서 특정 프로토콜을 실행하거나 특정 기술을 사용하여 실시간 트래픽과 기타 우선순위가 낮은 트래픽을 동시에 지원할 수 있습니다. 마지막으로, 우리는 10BASE-T1S부터 기가비트 이더넷에 이르기까지 다양한 고대역폭 기술을 보유하고 있으며, 이러한 고대역폭을 활용하여 비디오와 같은 고대역폭 장치를 지원할 뿐만 아니라 실시간 QoS 요구 사항을 충족하는 데에도 활용할 수 있습니다.

MACsec을 활용한 네트워크 보안

JIM: 앞서 언급했듯이, 이제 네트워크에 연결되어 네트워크 자원을 사용하는 다양한 기기들이 많아짐에 따라 차량에 새로운 보안 문제가 대두되고 있습니다. 만약 네트워크가 안전하게 보호되지 않는다면, 우리는 안전, 개인정보 보호, 도난과 관련된 문제에 노출될 수밖에 없습니다. 다행히 이더넷은 보안 분야에서 오랜 역사를 가지고 있으며, 기존 유선 네트워크에서 검증된 보안 솔루션인 MACsec(IEEE 802.1AE)라는 프로토콜을 통해 이를 해결합니다. 이 프로토콜은 무결성과 기밀성을 보장하고 무단 접근을 차단하며, LAN 세그먼트를 보호합니다. 이는 종단 간(end-to-end) 기술이 아닙니다. 따라서 각 LAN 세그먼트는 일련의 채널로 구성된 ‘연결 어소시에이션(connectivity association)’을 생성하며, 해당 세그먼트의 각 발신자마다 하나의 채널이 할당됩니다. 이러한 세그먼트 중 하나에 MACsec이 적용되면, 네트워크를 통해 전송되는 데이터를 도청할 수 없으며, 무결성도 보장됩니다. 즉, 다른 기기에 의해 데이터가 위조될 수 없습니다. 또한, 기기는 인증을 받지 않고는 네트워크에 접근할 수 없습니다. MACsec은 인증, 권한 부여 및 키 관리를 위해 802.1X를 사용하며, 802.1X는 기업용 Wi-Fi 환경 등에서 널리 사용되는 검증된 보안 솔루션이기도 합니다. 802.1X를 사용하면 네트워크에 연결되는 모든 장치의 인증 또는 신원을 확인할 수 있으며, 이는 신원 기반 네트워킹(Identity-based Networking)을 위한 기회를 열어줍니다. 신원 기반 네트워킹이란 장치의 신원에 따라 정책을 적용할 수 있는 개념입니다. 또한 이더넷 스위치는 인증된 클라이언트에 적용할 수 있는 액세스 제어 목록(ACL)과 같은 추가 보안 기능을 제공하여, 해당 클라이언트가 네트워크에서 전송이 승인된 트래픽만 생성하도록 보장합니다. 또한 이 네트워크는 중요도가 서로 다른 애플리케이션의 혼합 사용을 지원합니다.

혼합 중요도

JIM: 그렇다면 ‘혼합 중요도’란 정확히 무엇을 의미하나요? 아니면 ‘중요 트래픽’이란 무엇인가요? 중요 트래픽이란 본질적으로 실시간 특성을 지닌 트래픽으로, 높은 우선순위와 낮은 지연 시간, 그리고 손실이 거의 없거나 전혀 없는 상태로 전달되어야 하는 트래픽을 의미합니다. 이더넷 네트워크에서 이를 구현하는 방법은, 모든 고성능 트래픽이나 실시간 트래픽을 지원할 수 있을 만큼 충분한 대역폭이 확보되어 있다는 점을 활용하는 것입니다. 즉, 인그레스(Ingress) 단계에서 해당 트래픽을 제어하여, 고우선순위 트래픽을 전송할 수 있는 대역폭이 항상 확보되도록 보장합니다. 그리고 네트워크의 각 이그레스 지점에 스케줄러를 설치합니다. 이는 크레딧 기반 스케줄러나 시간 인식 스케줄러일 수 있으며, 트래픽을 스케줄링하여 네트워크 내의 다른 모든 베스트-에포트 트래픽보다 우선순위를 갖도록 보장합니다. 이를 통해 지연 시간을 낮은 수준으로 유지할 수 있습니다. 하지만 트래픽을 실제로 분류하지 않으면 이 방식이 제대로 작동할 수 없습니다. 게다가 트래픽을 규제해야 하므로, 네트워크로 유입될 때 다양한 패킷 필드를 사용하여 트래픽을 고우선순위 트래픽으로 분류한 뒤, 해당 특정 흐름에 할당된 대역폭 범위 내에 트래픽이 포함되도록 규제합니다. 그리고 물론, 모든 인터페이스의 출력 단계에서 우선순위를 적용하여 스케줄링함으로써 지연 시간을 낮은 수준으로 유지합니다. 따라서 이 모든 것이 제대로 작동하려면 중앙 집중식으로 관리되는 네트워크가 필요하며, 중앙 집중식 관리가 필요한 이유는 네트워크 관리 시스템이 네트워크 내의 모든 TSN 흐름을 파악해야 하기 때문입니다. 따라서 네트워크를 전체적으로 프로비저닝해야 합니다.

중앙 집중식 네트워크 관리

JIM: 둘째, 동적인 네트워크 제어 플레인이 필요합니다. 이를 통해 소프트웨어 정의 차량(SDV)의 비전을 실현할 수 있습니다. 즉, 현장에서 새로운 애플리케이션이 등장하거나 문제가 발견되어 네트워크의 동작을 변경해야 할 때, 언제든지 네트워크를 업그레이드할 수 있게 되는 것입니다. 하지만 이는 오늘날 데이터 센터에서 흔히 볼 수 있는 일반적인 소프트웨어 정의 네트워크와는 다를 것입니다. 차량에는 특정 안전 및 기타 중요한 요구 사항이 있어 구성을 언제든지 마음대로 변경할 수 없기 때문입니다. 따라서 안전하게 수행되어야 할 뿐만 아니라, 차량의 기존 엄격한 부팅 시간 요구 사항을 반드시 준수해야 하는 방식으로 이루어져야 합니다. 차량 자체와 그 네트워크는 클라우드 기반으로 관리되어야 합니다. 클라우드 관리가 없다면 현장에서 차량을 업그레이드하기가 매우 어렵기 때문입니다. 또한, 클라우드 관리되는 중앙 집중식 네트워크를 갖추면 진단 작업도 간소화할 수 있습니다. 차량 내 네트워크 컨트롤러가 네트워크의 모든 흐름과 데이터가 통과하는 스위치를 파악하고 있기 때문에, 문제가 발생하면 이 구성을 바탕으로 어떤 스위치에서 어떤 통계를 수집해야 문제 해결에 도움이 될지 파악할 수 있습니다. 또한 패킷 흐름을 확인하거나, 네트워크를 스니핑하고, 해당 정보를 분석하는 등 다양한 작업을 수행할 수 있습니다.

결론

SANJAY: 고마워요, 짐. 보시다시피, 현대의 차량 네트워크는 소프트웨어 정의 차량(SDV)이 달성하고자 하는 목표 중 상당 부분을 이미 실현하고 있습니다. 즉, 최종 사용자에게 통합적인 경험을 제공하는 다중 도메인 애플리케이션을 통해 고객에게 끊김 없는 경험을 선사하는 것이죠. 그렇다면 OEM과 소비자에게는 어떤 이점이 있을까요? 우선, OEM은 더 단순하고 비용 효율적인 네트워크를 통해 생산 후에도 매우 효율적이고 경제적인 방식으로 새로운 기능을 추가하거나 차량을 변경할 수 있다는 이점을 얻습니다. 최종 소비자의 경우, ADAS, IVI, 구동계 등 다중 도메인 기능을 활용하여 차량 전반에 걸쳐 매우 매끄러운 경험을 얻을 수 있으며, 이 모든 것이 결합되어 더욱 개인화되고 안전하며 편리한 경험으로 이어집니다. 이것으로 ‘ Driving Innovation ’의 첫 번째 에피소드를 마치겠습니다. 다음 에피소드에서는 이러한 주제들을 더 깊이 파헤칠 예정이니 계속 지켜봐 주시기 바랍니다. 감사합니다.