[device] CAN Gateway 이론 정리

🚪 CAN Gateway란?

자동차 안에응 아래와 같은 여러 CAN Bus가 존재하며
여러 CAN Bus들은 서로 물리적으로 연결 장치를 통해 연결되어 있는 네트워크 구조를 가지고 있다.  

• Chassis CAN 
  기본적인 기능을 제어하는 ECU 간의 통신에 사용되는 Bus (e.g. 엔진, 변속기, ABS, ESP, 스티어링, 브레이크 등)
• Infotainment CAN
  각종 정보, 엔터테이먼트 시스템을 제어하는 ECU 간의 통신에 사용되는 Bus (e.g. 오디오, 내비게이션, 음악 등)
• Powertrain CAN 
  파워트레인을 제어하는 ECU 간의 통신에 사용되는 Bus (e.g. 모터, 배터리, 충전기 등)

CAN Gateway는 서로 다른 CAN Bus(Network) 간 Message와 Signal 전송을 도와 통신할 수 있게 해주는 장치이다. 

 ※ Signal : 총 1 ~ 64 Bit 길이의 하나의 데이터(e.g. 엔진 회전수, 엔진 온도, 브레이크 신호)
 ※ Message : 총 1 ~ 8 Byte 길이의 Signal의 집합이며 복합적인 데이터(e.g. 차량 상태 데이터, 차량 제어 데이터)

🚪 CAN Gateway 기능

CAN Gateway는 아래 단계 수행을 통해 CAN Bus간 메시지를 원활하게 주고받을 수 있도록 한다.

1. 네트워크 관리(Network Management)
2. 전송 유형 분류(Transmission Mode Classification)
3. 메시지 형식 변환 및 중복 ID 검사(Address Translation)
4. 특정 메시지만 전달하도록 설정(Message Filtering)
5. 메시지를 받을 CAN Bus 설정(Message Signal Routing)
6. 메시지 전송(Message Transport)
   

네트워크 관리 - Network Management

CAN Gateway는 해당 네트워크 간의 데이터 교환을 용이하게 하기 위해 아래와 같은 여러 관리 기능을 수행한다.

• Diagnosis 
  통신 오류, ECU 장치 오류와 같은 네트워크에서 발생하는 문제를 감지하고 진단하여 적절한 조치를 취하거나
  기록한다.
  
• Buf-off 방지
  메세지 손실을 방지하기 위해 CAN bus 상에서의 오류를 감지하고,
  Bus-off 오류가 발생한 경우, ECU가 Bus-off에서 빠져나올 수 있도록 지원한다.
  (※ Bus-off : CAN bus의 전압이 정상 범위를 벗어나거나 물리 적으로 손상되어 전송 및 수신이 중단된 상태) 
• Qos (Quality of Serivce)
  Message의 우선순위, 지연 시간, 버퍼링 등을 제어하여 Message의 품질을 보장한다
• Security
  Message를 암호화하여 데이터를 보호한다. 
• Load balancing
  CAN bus의 트래픽을 분산하여 CAN bus의 부하를 줄여 CAN bus의 안정성을 향상시킨다.
  
• Network topology management
  CAN bus의 네트워크 토폴로지를 관리하는 기능이다. 해당 기능을 통해
  CAN bus의 구조를 변경하거나, 새로운 장치를 추가할 수 있다.
  

전송 유형 분류 - Transmission Mode Classfication

Message 또는 Signal을 효율적으로 전송하기 위해 전송 전에 유형을 나누는 작업을 한다.
If active, On event, Periodic 유형으로 나뉘며 필요에 따라 유형을 혼합하여 목적에 맞게 사용할 수 있다.
각 유형에 따른 필수 조건과 개발자가 설정한 추가 조건(Signal Constraint)을 만족할 때 전송 가능하다. 

1. Signal constraint 조건을 만족할 때 전송 주기를 빠르게 하고 메시지를 빠른 주기로 전송한다.  
   
   • 전송 주기 : t_FastCycleA (빠른 주기 시간)로 설정된다.
   • 메시지 전송 : Signal constraint 조건이 참일 때 Message가 빠른 주기 시간 t_FastCycleA로 전송된다.
2. Signal constraint 조건을 만족하지 않으면 전송 주기를 느리게 하고 메시지를 반복하여 전송한다.
   • 전송 주기 : t_RepetitionA 시간 주기로 설정된다.
   • 반복 횟수 : NRepetitionA번 반복된다. 
   • 메시지 전송 : Signal constraint 조건이 거짓일 때, Message가 t_RepetitionA 주기로 NRepetitionA번 반복하여
                           전송된다.
3. If active
   엔진이 active 상태이며 Signal Constraint를 만족할 때 Message 또는 Signal을 전송하는 유형
   (e.g. 엔진이 켜져 있고, 차량 속도가 100km/h 이상일 때, 고속 주행 상태라는 Message를 전송 )
4. On event
   ECU에서 특정 이벤트가 발생함을 통해 Trigger signal 값이 변경되었을 때  Message 또는 Signal을 전송하는 유형
   (e.g. 앞차와 가까워질 때 충돌 경고 Message 전송)
5. Periodic
   일정한 간격으로 Message 또는 Signal을 전송하는 유형
   (e.g. 엔진 회전수 Message를 0.1초마다 전송하여 게기판에 보여줌)
   

   

   순서대로 If active, On event, Periodic Timing Diagram (하단에 출처 있음)

메시지 형식 변환 & 중복 ID 검사 - Address Translation

메시지 형식 변환과 중복 ID 검사를 통해 효율성과 안정성을 높인다.

• 메시지 형식 변환
  CAN bus마다 사용하는 Message 형식이 다를 수 있어 형식을 변환해 Message를 읽을 수 있도록 한다. 
• 중복 ID 검사
  CAN bus ID를 사용하여 Message를 식별하는데 여러 개의 CAN bus가 연결된 경우, 서로 다른 네트워크에서 같은 ID를 사용할 수 있다. 따라서 Network 간 중복된 ID가 있는지 Gateway에서 확인하고 중복된 경우에는 Message를 수신하지 않는다. 

특정 메시지만 전달하도록 설정 - Message Filtering

CAN Gateway는 기본적으로 모든 Message를 다른 CAN Bus에 전송하기 때문에
특정 Message만 전송 또는 수신할 수  있도록 필터링을 지원하며 아래와 같이 설정한다.
(e.g. 메시지 ID: 0x1234, 메시지 유형: 0x01 설정 시 해당 ID, 유형을 가진 메시지만 전송 또는 수신될 수 있다.) 

메시지를 받을 CAN Bus 설정 - Message Signal Routing

특정 CAN Bus에 Message를 전송하기 위해서 해당 CAN Bus의 주소나 식별자를 명시적으로 설정한 후 
input-independent, input-triggered, signal routing service라는 3가지 유형의 서비스를 사용하여 전송 조건을 설정한다.

※ 시간제한 
목적지 ECU에서 Message를 수신 완료하면 ack 신호를 송신 측에 보내는데 수신이 안 되어 ack 신호를 보내지 않을 때  
ack 신호를 계속 기다리는 게 아닌 설정된 시간제한만큼만 기다리고 다시 Message를 보내는 등의 동작을 수행한다.

 

Input-independent

• 송신 ECU에서 보내는 Message에 영향을 받지 않고 일정한 간격으로 타이머에 맞춰 주기적으로
  Message를 다른 CAN bus로 전송하는 서비스이다.
• 타이머의 스레드를 active 모드로 전환하면 전송이 시작되고 sleep 모드로 전환하면 전송이 종료된다. 
• 외부의 영향을 받지 않아 안정성이 높으나 일정한 간격으로만 전송해 필요한 경우에 전송할 수 없다.

Input-triggered

• 송신 ECU에서 보내는 Message의 trigger signal이 active일 경우와 개발자가 설정한 특정 조건을 만족할 경우,
  Message를 다른 CAN bus로 전송하는 서비스이다.
• 외부 입력의 값을 active mode로 전환하면 전송이 시작되고 sleep 모드로 전환하면 전송이 종료된다.
• 필요한 경우에만 Message를 전송해 효율성이 높으나 특정 조건을 충족하지 못할 경우 전송할 수 없다.

Signal routing service 

• 송신 ECU에서 보내는 신호의 trigger signal이 active일 경우와 개발자가 설정한 특정 조건을 만족할 경우, 신호를 다른 CAN bus로 전송하는 서비스이다.
• 외부 입력의 값을 active mode로 전환하면 전송이 시작되고 sleep 모드로 전환하면 전송이 종료된다.
• 필요한 경우에만 Message를 전송해 효율성이 높으나 특정 조건을 충족하지 못할 경우 전송할 수 없다.

메시지 전송 - Message Transport

CAN Gateway는 Transport protocol routing, TP Response Time-out, TP data Queueing 등의 기능을 사용하여
CAN bus 간의 데이터 전송을 효율적이고 안정적으로 수행한다.

CAN Gateway의 메시지 전송 과정

CAN Gateway의 소프트웨어에서 프로토콜 라우팅, 데이터 큐잉, TPDU 형식 적용 등의 기능을 통해 CAN 버스 간 
프로토콜을 연동한다. 메시지가 전송되는 과정은 아래와 같다.

1. 송신 ECU에서 CAN bus에 송신할 메세지 전송
2. CAN Gateway에서 해당 메시지를 수신
3. CAN Gateway에서 Transport protocol routing 기능을 사용하여 메시지의 TP를 변환
4. CAN Gateway에서 TP Response Time-out 기능을 사용하여 메시지 전송을 재시도
5. CAN Gateway에서 TP data Queueing 기능을 사용하여 메시지를 일시적으로 저장
6. CAN Gateway에서 수신 CAN bus로 메시지를 전송

• Transport protocol routing
  CAN Gateway가 서로 다른 프로토콜을 사용하는 네트워크를 연결하는 과정에서, 메시지를 목적지에 맞는 네트워크로 전송하는 기능이며 아래와 같이 수행된다.
  1. CAN Gateway는 CAN 네트워크에서 수신한 메시지를 검사하여 해당 메시지의 목적지를 확인
  2. 수신 CAN bus에서 사용하는 TP와 서로 다른 경우, 메시지의 TP를 변환
  3. 목적지가 이더넷 네트워크에 있는 경우, CAN 메시지를 이더넷 프레임으로 변환
  4. 이더넷 프레임은 이더넷 네트워크로 전송
• TP Response Time-out
  CAN Gateway가 프로토콜 라우팅, 데이터 큐잉, TPDU 형식 적용 등의 기능을 수행하는 과정에서, 지정된 시간 내에 응답을 받지 못하는 경우 설정한 시간에 맞춰 Time-out을 발생시며 UDS에서는 다음과 같은 시간 제한을 권장한다.
  
  1. N_Bs : 200ms
     전송 완료부터 Gateway를 통한 흐름 제어 프레임 수신까지의 최대 시간
  2. N_Cr : 500ms
     흐름 제어 전송 완료부터 연속 프레임 수신까지의 최대 기간
• TP data Queuing
  TP data Queueing은 Gateway가 수신한 Message 처리하기 전에 일시적으로 저장하는 기능이다.
  CAN Gateway는 서로 다른 전송 속도, 도착 주기 시간, 라우팅 기능, 목적지 네트워크의 활용도 등의 이유로 메시지를 대기열에 저장해야 할 수 있으며 대기열은 FIFO 방식으로 구현된다.
• TPDU 형식 적용
  TPDU(Transport Protocol Data Unit)는 상위 계층이 전달한 데이터에 붙이는 제어 정보이며
  메시지 ID, 메시지 길이, 메시지 유형 등과 같은 정보가 포함된다.
  해당 정보를 활용하여 유효성 검사, 오류 복구, 흐름 제어를 하여 Transport stream이 손상되지 않도록 한다.

🚪 CAN Gateway 모니터링

메시지 모니터링은 CAN Gateway가 네트워크에서 특정 메시지를 모니터링하는 기능이다.
메시지 모니터링을 위해서는 다음과 같은 조건이 충족되어야 한다.

• 네트워크 활성
  네트워크가 비활성 상태인 경우, 메시지 모니터링을 수행할 수 없다.
• 모니터링되는 ECU가 유효해야함
   모니터링되는 ECU가 오프라인 상태인 경우, 메시지 모니터링을 수행할 수 없다.

CAN without network management

CAN without network management는 네트워크 관리 기능이 없는 CAN 시스템을 말하며
이 시스템에서 메시지 모니터링을 수행하기 위해서는 다음과 같은 과정을 거친다.

1. 차량의 점화가 켜집니다.
2. 네트워크가 활성 상태로 전환됩니다.
3. 가장 느린 ECU가 주기적으로 메시지를 전송합니다.
4. Gateway는 ECU에서 전송된 메시지를 수신합니다.
5. Gateway는 메시지 모니터링을 시작합니다.

CAN with network management

CAN with network management는 네트워크 관리 기능이 있는 CAN 시스템을 말하며
이 시스템에서 메시지 모니터링을 수행하기 위해서는 다음과 같은 과정을 거친다.

1. 차량의 점화가 켜집니다.
2. Gateway가 Sleep network를 깨웁니다.
3. 네트워크가 활성 상태로 전환됩니다.
4. 가장 느린 ECU가 주기적으로 메시지를 전송합니다.
5. Gateway는 ECU에서 전송된 메시지를 수신합니다.
6. Gateway는 메시지 모니터링을 시작합니다.

🚪 CAN Gateway 에러

CAN Gateway는 CAN Bus에서 발생하는 다양한 에러에 대해 아래와 같은 조치를 취한다.

• Bus-Off handling
  
  1. bus-off가 발생한 경우 해당 정보를 ECU들에 전송한다.
  2. 오류를 발생시킨 노드를 식별하고, 해당 노드를 오프라인으로 전환한다.
  3. CAN bus의 전압을 정상 범위로 복원한다.
• CAN Error Handling
  Bit Error, Stuffing Error, Format Error, CRC Error(※ CAN 통신 이론에서 다루었습니다.)
  발생 시 오류를 발생시킨 메시지를 무시하고 해당 노드에 오류 신호를 전송한다.
  
• Data corruption
  발생하는 오류들로 인하여 데이터가 손상되는 Data corruption이 발생할 경우 오류를 발생시킨 메시지를 무시하고 
  해당 메시지를 송신한 노드에 오류 신호를 전송한다.
• Duplicate message
  CAN bus에 동일한 메시지가 두 번 전송될 경우 해당 메시지를 무시 또는 중복을 방지하는 메커니즘을 구현한다.
• Error pin status
  노드에서 오류가 발생했음을 나타내는 상태로 모니터링 후 필요한 조치를 취한다.
• Invalid message
  CAN bus에서 잘못된 형식의 메시지가 전송되었을 경우 해당 메시지를 무시 또는 처리 메커니즘을 구현한다.
• Lost messsage
  '네트워크에서 전송되었지만, 수신 측에서 수신되지 않았을 경우 해당 메시지를 재전송 또는 복구 메커니즘을 통해 유실을 방지한다.
• Network error strategy
  이 밖에 다양한 오류에 대한 대응 및 복구 계획을 수립하여 안정성을 높인다.

[참조]

https://patents.google.com/patent/KR20090030765A/ko