CAN 버스

3. 응용 분야

CAN은 승용차, 트럭, 버스(내연기관 차량 및 전기 자동차), 농업 장비, 항공 및 항해용 전자 장비, 발전기, 산업 자동화 및 기계 제어, 엘리베이터, 에스컬레이터, 건물 자동화, 의료 기기 및 장비, 페델렉, 모형 철도, 선박 및 기타 해양 응용 분야, 조명 제어 시스템, 3D 프린터, 로봇 공학/자동화 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.

자동차 분야에서 CAN은 엔진 제어 장치, 에어백, ABS 등 다양한 장치 간 통신에 사용되며, 최근에는 LIN 버스가 CAN을 보완하고 있다. 그 외에도 CAN 버스는 시마노 DI2 전자 기어 변속 시스템, NISMO의 레이싱 랩 재현, 존스 홉킨스 대학교 응용물리학 연구소의 모듈형 의수(MPL), FIRST 로봇 경진대회 로봇, CueScript 자동자막기, 디지털 명령 제어, 다이빙 재호흡기 등 다양한 분야에 사용된다.^[7][8]

3. 1. 자동차

• 자동 시동/정지: 정지 시 엔진을 꺼 연비와 배출가스를 개선한다.
• 전자식 주차 브레이크: ''언덕 유지'' 기능과 출발 시 주차 브레이크 자동 해제 기능을 제공한다.
• 자동 주차 시스템: 후진 시 주차 센서와 도어 미러를 작동시켜 주차를 돕는다.
• 자동 차선 유지 보조/충돌 회피 시스템: 외부 근접 데이터를 제공하고, 능동적 충돌 회피 시스템에서 브레이크 바이 와이어를 작동시킨다.
• 자동 브레이크 와이핑: 브레이크 로터에서 습기를 제거한다.

3. 2. 기타 응용 분야

• 농업 장비
• 항공 및 항해용 전자 장비
• 발전기
• 산업 자동화 및 기계 제어
• 엘리베이터, 에스컬레이터
• 건물 자동화
• 의료 기기 및 장비
• 페델렉
• 모형 철도
• 선박 및 기타 해양 응용 분야
• 조명 제어 시스템
• 3D 프린터
• 로봇 공학/자동화

4. 기술적 특징

CAN은 전자 제어 장치(ECU)를 연결하기 위한 멀티마스터 버스시리얼 버스 규격으로, 통신을 위해서는 네트워크상에 2개 이상의 노드가 필요하다. 각 노드는 CPU, CAN 컨트롤러, 트랜시버로 구성된다.

• CPU, 마이크로프로세서 또는 호스트 프로세서: 수신된 메시지의 의미를 해석하고 전송할 메시지를 결정한다.
• CAN 컨트롤러: 버스로부터 받은 시리얼 비트를 저장하고, 호스트 프로세서에 메시지를 전송한다.
• 트랜시버: 와이어 하네스로부터 받은 차동 전압을 디지털 신호로 변환하고, CAN 컨트롤러로부터 받은 디지털 신호를 차동 전압으로 변환한다.

• ISO 11898-2 (고속 CAN): 양단이 120Ω 저항으로 종단된 리니어 버스를 사용한다. 도미넌트(0) 전송 시 CAN 하이 와이어를 5V, 로우 와이어를 0V로 구동하고, 리세시브(1) 전송 시에는 어느 통신선도 구동하지 않는다.

• ISO 11898-3 (저속 CAN): 리니어 버스, 스타 버스, 또는 리니어 버스로 연결된 여러 개의 스타 버스를 사용하며, 각 노드가 전체 종단 저항의 일부로 종단된다. 도미넌트(0) 전송 시 CAN 하이 와이어를 5V, CAN 로우 와이어를 0V로 구동하고, 리세시브(1) 전송 시에는 어느 통신선도 구동하지 않는다.

4. 1. 데이터 전송

7번째 비트에서 노드 16은 1(열성 비트), 노드 15는 0(우성 비트)을 전송한다. 노드 16은 자신이 1을 전송했지만 네트워크에서 0을 읽어 충돌을 감지하고 전송을 중단한다. 노드 15는 문제없이 나머지 비트를 전송한다.

CAN 버스는 40m 이하에서 1Mbit/s까지, 500m에서 125kbit/s로 전송할 수 있다. 향상된 CAN FD 표준에서는 충돌 해결 이후 데이터 부분을 더 빠르게 전송할 수 있다.

4. 2. 프레임

• 데이터 프레임: 노드 데이터를 전송한다.
• 원격 프레임: 특정 식별자를 가진 데이터 전송을 요청한다.
• 오류 프레임: 오류를 감지한 노드가 전송한다.
• 오버로드 프레임: 데이터 또는 원격 프레임 사이에 지연을 삽입한다.

확장 프레임 형식은 다음과 같다.

두 식별자 필드(A & B)는 결합되어 29비트 식별자를 형성한다.

데이터 전송은 일반적으로 데이터 소스 노드(예: 센서)가 데이터 프레임을 전송하는 자율적인 방식으로 수행되지만, 대상 노드가 원격 프레임을 전송하여 소스에서 데이터를 요청할 수도 있다. 데이터 프레임과 원격 프레임의 차이점은 RTR 비트(데이터 프레임: 도미넌트(0), 원격 프레임: 리세시브(1))와 데이터 필드 유무(원격 프레임에는 없음)이다. DLC 필드는 요청된 메시지의 데이터 길이를 나타낸다. 동일 식별자를 가진 데이터/리모트 프레임 동시 전송 시, 도미넌트 RTR 비트를 가진 데이터 프레임이 우선권을 가진다.

오류 프레임은 다른 스테이션에서 기여된 오류 플래그(6~12개의 도미넌트/리세시브 비트)의 중첩 필드와 오류 구분자(8개의 리세시브 비트)로 구성된다. 오류 플래그에는 활성 오류 플래그(6개의 도미넌트 비트, '오류 활성' 상태에서 오류 감지 노드에 의해 전송)와 수동 오류 플래그(6개의 리세시브 비트, '오류 수동' 상태에서 활성 오류 프레임 감지 노드에 의해 전송) 두 가지 유형이 있다.

CAN에는 전송 오류 카운터(TEC)와 수신 오류 카운터(REC) 두 개의 오류 카운터가 있다. TEC 또는 REC가 127보다 크고 255보다 작으면 수동 오류 프레임이, TEC 및 REC가 128보다 작으면 활성 오류 프레임이, TEC가 255보다 크면 노드가 버스 오프 상태가 되어 프레임이 전송되지 않는다.

과부하 프레임은 과부하 플래그(6개의 도미넌트 비트)와 과부하 구분 기호(8개의 리세시브 비트) 두 비트 필드로 구성된다. 과부하 플래그 전송을 유발하는 과부하 조건은 다음 데이터/원격 프레임 지연 필요 수신기 내부 조건 또는 간헐 시간 동안 도미넌트 비트 감지이다.

ACK 슬롯은 유효한 CAN 프레임 수신 확인에 사용된다. 오류 없이 프레임 수신 노드는 ACK 슬롯에서 도미넌트 레벨을 전송하여 송신기의 리세시브 레벨을 무시한다. 송신기가 ACK 슬롯에서 리세시브 레벨을 감지하면 수신기가 유효한 프레임을 찾지 못했음을 인지한다.

데이터/원격 프레임은 인터프레임 공간(최소 3개 연속 리세시브(1) 비트)으로 이전 프레임과 구분된다. 도미넌트 비트 감지 시 다음 프레임의 '프레임 시작' 비트로 간주된다. 오버로드/오류 프레임은 인터프레임 공간이 선행되지 않으며, 여러 오버로드 프레임은 인터프레임 공간으로 구분되지 않는다. 인터프레임 공간에는 인터미션/버스 유휴 비트 필드가 포함되며, 이전 메시지 송신자였던 오류 수동 스테이션 전송을 일시 중단한다.^[17]

4. 2. 1. CAN FD

• r0 비트가 FDF 비트로 변경
• res, BRS, ESI 비트 추가
• CRC 필드 직전에 스태프 카운트 추가
• CRC 길이 변경

CAN 확장 프레임과의 주요 차이점은 CAN 표준 프레임과 동일하다.

CAN FD 확장 프레임 형식은 다음과 같다.

4. 3. 아키텍처

• 중앙 처리 장치, 마이크로프로세서 또는 호스트 프로세서:
• 수신된 메시지의 의미와 전송할 메시지를 결정한다.
• 센서, 액추에이터 및 제어 장치를 호스트 프로세서에 연결할 수 있다.
• CAN 컨트롤러 (주로 마이크로컨트롤러의 일부):
• 수신: CAN 컨트롤러는 전체 메시지를 사용할 수 있을 때까지 버스에서 수신된 직렬 비트를 저장하며, 호스트 프로세서가 이를 가져올 수 있다(보통 CAN 컨트롤러가 인터럽트를 트리거하여).
• 전송: 호스트 프로세서는 전송 메시지를 CAN 컨트롤러로 보내고, CAN 컨트롤러는 버스가 비어 있을 때 비트를 직렬로 버스에 전송한다.
• 트랜시버 (ISO 11898-2/3 Medium Access Unit [MAU] 표준에 의해 정의됨):
• 수신: CAN 버스 레벨의 데이터 스트림을 CAN 컨트롤러가 사용하는 레벨로 변환한다. 일반적으로 CAN 컨트롤러를 보호하는 보호 회로가 있다.
• 전송: CAN 컨트롤러의 데이터 스트림을 CAN 버스 레벨로 변환한다.

5. 하위 계층 표준

ISO 11898 시리즈는 도로 차량 내 분산 실시간 제어 및 멀티플렉싱을 위한 컨트롤러 영역 네트워크(CAN)의 물리 계층과 데이터 링크 계층(OSI 모델의 1, 2 계층)을 정의한다.^[18]

CAN 물리 계층 및 기타 표준은 다음과 같다.

6. 상위 계층 프로토콜

CAN 표준은 흐름 제어, 장치 주소 지정, 하나의 메시지보다 큰 데이터 블록 전송 등을 포함하지 않아 다양한 상위 계층 프로토콜이 구현되었다. 주요 상위 계층 프로토콜은 다음과 같다.

CAN in Automation(CiA)는 CAN 기반 상위 계층 프로토콜 및 해당 국제 표준화를 개발하고 지원하는 국제 사용자 및 제조업체 조직이다.^[20]

7. 보안

CAN은 하위 계층 프로토콜이므로 본질적으로 보안 기능을 지원하지 않는다. 표준 CAN 구현에는 암호화가 없어 중간자 공격에 취약하다. 따라서 애플리케이션은 자체 보안 메커니즘(들어오는 명령 인증 등)을 배포해야 한다.^[21] 적절한 보안 조치를 구현하지 못하면 공격자가 버스에 메시지를 삽입할 경우 펌웨어 수정, 키 프로그래밍, 잠김 방지 브레이크 액추에이터 제어 등 다양한 종류의 공격이 발생할 수 있다.^[37] 다만, 이러한 일부 안전 필수 기능에 암호가 존재하긴 하지만, 보편적으로 구현되지 않으며 제한된 수의 시드/키 쌍을 가지고 있다.

실제로 엔진 시동에 특화된 CAN 장치를 연결하여, 짧은 시간 안에 자동차를 절도하는 사례가 발생하고 있다.^[38][39]

8. 개발 도구

CAN 버스를 개발하거나 문제를 해결할 때 하드웨어 신호 검사가 매우 중요할 수 있다. 로직 분석기와 버스 분석기는 신호를 수집, 분석, 디코딩 및 저장하여 사용자가 고속 파형을 편리하게 볼 수 있도록 하는 도구이다. 또한 전문적인 도구와 CAN 버스 모니터도 있다.

CAN 버스 모니터는 CAN 버스를 사용하는 하드웨어 개발 중에 사용되는 분석 도구로, 종종 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 이루어진다.^[1]

일반적으로 CAN 버스 모니터는 CAN 버스의 트래픽을 수신하여 사용자 인터페이스에 표시한다.^[2] CAN 버스 모니터는 종종 CAN 프레임을 버스로 전송하여 CAN 버스 활동을 시뮬레이션할 수 있는 기능을 제공한다.^[2] 따라서 CAN 버스 모니터는 특정 장치에서 예상되는 CAN 트래픽을 검증하거나 CAN 버스에 연결된 특정 장치의 반응을 검증하기 위해 CAN 트래픽을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있다.^[2]

9. 라이선스

보쉬는 이 기술에 대한 특허를 보유하고 있다.^[22] CAN 호환 마이크로프로세서 제조업체는 CAN 상표 사용 및 CAN FD 관련 특허 사용에 대한 라이선스 수수료를 보쉬에 지불하며, 이는 일반적으로 칩 가격에 포함되어 고객에게 전가된다.^[40] ASIC 또는 FPGA를 사용하는 제품 제조업체는 CAN 프로토콜 라이선스에 대한 수수료를 지불해야 한다.^[40]

참조

_[1] 웹사이트 CAN History https://web.archive.[...] CAN in Automation 2016-02-25
_[2] 웹사이트 Mercedes-Benz S-Class W 140. https://web.archive.[...] 2016-02-23
_[3] 웹사이트 CAN in Automation - Mercedes W140: First car with CAN https://can-newslett[...] 2017-10-27
_[4] 웹사이트 Bosch Semiconductor CAN Literature https://web.archive.[...] 2017-05-31
_[5] 웹사이트 Building Adapter for Vehicle On-board Diagnostic http://www.obddiag.n[...] 2009-09-09
_[6] 논문 Comparison of Event-Triggered and Time-Triggered Concepts with Regard to Distributed Control Systems Embedded World 2004
_[7] 웹사이트 NISMO Increases GT6 GPS Data Logger Functionality and Track Count http://www.gtplanet.[...] 2014-10-25
_[8] 웹사이트 What is DiveCAN and why should I care? https://www.shearwat[...] 2016-03-22
_[9] 서적 Automotive cybersecurity engineering handbook: the automotive engineer's roadmap to cyber-resilient vehicles Packt 2023
_[10] 웹사이트 CAN_XL, CAN XL, CAN, Bosch_CAN, IP-modules https://www.bosch-se[...] 2024-05-15
_[11] 웹사이트 ISO11783 a Standardized Tractor – Implement Interface https://web.archive.[...] 2017-01-29
_[12] 표준 ISO 11898-1:2015 – Road vehicles — Controller area network (CAN) — Part 1: Data link layer and physical signalling
_[13] 논문 Proc. of the 24th Int. Conf. on Real-Time Networks and Systems (RTNS 2017) ACM
_[14] 웹사이트 Understanding Microchip's CAN Module Bit Timing http://ww1.microchip[...]
_[15] 웹사이트 ISO7637-3 diodes protection for CAN bus http://www.st.com/co[...]
_[16] 웹사이트 CAN bus ESD protection http://www.st.com/co[...]
_[17] 웹사이트 CAN BUS MESSAGE FRAMES – Overload Frame, Interframe Space http://rs232-rs485.b[...] 2009-11-18
_[18] 웹사이트 Controller Area Network (CAN) https://web.archive.[...] Vector Group 2013-09-25
_[19] 웹사이트 ISO 11898-1:2003 - Road vehicles -- Controller area network (CAN) -- Part 1: Data link layer and physical signalling http://www.iso.org/i[...] ISO
_[20] 웹사이트 International standardization https://www.can-cia.[...] CiA
_[21] 웹사이트 We Drove a Car While It Was Being Hacked https://www.vice.com[...] 2014-05-29
_[22] 웹사이트 License Conditions CAN Protocol and CAN FD Protocol https://web.archive.[...] 2016-03-15
_[23] 웹사이트 CAN History https://www.can-cia.[...] CAN in Automation 2017-08-01
_[24] 웹사이트 Bosch Semiconductor CAN Literature http://www.bosch-sem[...]
_[25] 문서 CAN FDパッシブ用のCANトランシーバは、CAN FDフレーム受信時に通信を遮断することによりCAN FDの通信を邪魔しない動作をする
_[26] 논문 Analytical and Experimental Performance Evaluations of CAN-FD Bus 2018
_[27] 웹사이트 Building Adapter for Vehicle On-board Diagnostic http://www.obddiag.n[...] 2009-09-09
_[28] 논문 Comparison of Event-Triggered and Time-Triggered Concepts with Regard to Distributed Control Systems Embedded World 2004
_[29] 웹사이트 NISMO Increases GT6 GPS Data Logger Functionality and Track Count http://www.gtplanet.[...] 2017-08-01
_[30] 웹사이트 ISO11783 a Standardized Tractor – Implement Interface https://www.can-cia.[...]
_[31] 웹사이트 Understanding Microchip’s CAN Module Bit Timing http://ww1.microchip[...]
_[32] 웹사이트 ISO7637-3 diodes protection for CAN bus http://www.st.com/co[...] 2017-08-01
_[33] 웹사이트 CAN bus ESD protection http://www.st.com/co[...] 2017-08-01
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_[35] 웹사이트 Controller Area Network (CAN) https://vector.com/v[...] Vector Group 2013-09-25
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_[37] 웹사이트 We Drove a Car While It Was Being Hacked http://motherboard.v[...] 2017-08-01
_[38] 웹사이트 鍵はかけていたのに… なぜ盗まれた？ https://www3.nhk.or.[...] 2021-11-06
_[39] 뉴스 ランクル、２日間で９台盗難…「キャンインベーダー」で解錠か https://news.yahoo.c[...] 2021-11-11
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