[논문]CAN기반 시스템의 통신 신뢰성 검증

김종현; 정기현; 최경희

doi:10.3745/kipstc.2008.15-c.3.199

CAN기반 시스템의 통신 신뢰성 검증
A Study on CAN Based System Reliability Test 원문보기

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part C Part C, v.15C no.3, 2008년, pp.199 - 204

김종현 (델파이코리아) , 정기현 (아주대학교 전자공학부) , 최경희 (아주대학교 정보통신전문대학원)

초록
AI-Helper

CAN은 처음에는 차량 네트워크에서의 사용을 위해 고안되었으나 잡음에 강하고 신뢰성이 높아 공장자동화 등에서도 많이 사용되고 있다. 그러나 1:1통신에서 네트워크 기반의 통신방식으로 변화되면서 각 장치의 기계적인 동작뿐만 아니라 전자, 소프트웨어적인 동작에 대해서도 철저한 검증이 필요하게 되었다. 본 논문은 CAN 기반 시스템에서 통신의 신뢰성을 데이터의 정확성에 대한 부분과 시간상의 정확성에 대한 부분을 검증하는 방법을 제시하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Controller Area Network was developed originally for in-vehicle communication network. But it is now widely used for factory automation because of its properties such as strong noise resistance and high reliabilities. With changing communication environments from peer to peer topology to bus topology, we should check each devices about not only mechanical operations but also electronic or software operations. In this paper, we suggest reliability test environment for CAN based system, which is divided two parts, data correctness and timely delivery.

주제어

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이는 다시 데이터의 내용에 대한 신뢰성과 전송시간에 대한 신뢰성에 대한 검증으로 나누어진다. 본 논문에서는 CAN은 네트워크의 설계단계에서 해당 네트워크에서 사용되는 메시지들의 ID와 전송시간, 전송방법 등의 특성이 모두 정의가 되어야만 하는 점을 이용하여 전송되는 메시지에 대한 신뢰성을 검증하였다. 메시지의 시간에 대한 신뢰성을 검증해 보려는 이론적인 시도는 많이 있었지만 하드웨어에 대한 고려가 없이 진행되어왔기 때문에 오류정정기능과 같은 동작에 의해 발생 할 수 있는 시간 지연은 무시되어왔다.
본 논문에서는 이론적인 계산이 아니라 실제적인 CAN 네트워크에 대한 검증을 통해서 시간지연뿐만 아니라 메시지의 정확성에 대한 신뢰성을 검증하는 방법을 소개하고자 한다.

가설 설정

여기서 고려해야 할 사항은 메시지의 응답시간에 대한 Deadline(D_m)이다. 어떤 메시지가 주기적으로 발생한다고 가정하자. 만약에 응답시간이 어떠한 이유에 의해서 길어지게 되어 다음 큐잉시간까지 전송이 이루어지지 않을 경우 새로운 메시지가 컨트롤러의 레지스터에 덮어 쓰여지게 되며 결국 그 메시지는 전송되지 못하고 버려지게 된다.

제안 방법

메시지의 정확성에 대한 신뢰성 검사를 위해서 모든 node들은 소프트웨어의 오류에 의한 메시지를 오류 주입 계층을 통해 ID, IDE, RTR, DLC에 각각 10%의 확률로 전송하였으며 이에 대해 monitoring node가 검사한 결과를 에 나타내었다.
이를 위해서 <표 4>와 같이 재배열되었으며, 전송주기가 짧은 메시지가 가장 우선 순위가 높도록 메시지의 ID를 부여하였다. 실험은 메시지의 정확성에 대한 신뢰성 검증과 시간지연에 대한 신뢰성 검증을 따로 실시하였다.
Benchmark signal은 총 7개의 node와 53개의 signal로 구성되어있으며, 차량에서 “Battery”, “Vehicle Controller”, “Inverter/Motor Controller”, “Instrument Panel Display”, “Driver Input”, “Brakes”, “Transmission Control”을 담당 하는 ECU들간의 signal들을 정의하고 이들의 전송특성과 데이터의 크기, 응답시간에 대한 Deadline등을 정의하고 있다. 이 signal들을 이용하여 정확한 실험을 하기 위해서는 Monitoring node를 포함하여 총 8개의 CAN node가 필요하지만 확보하고 있는 node의 수에 제한이 있어 5개의 node로 실험을 진행하였다. 이를 위해서 <표 4>와 같이 재배열되었으며, 전송주기가 짧은 메시지가 가장 우선 순위가 높도록 메시지의 ID를 부여하였다.
이를 위해서 와 같이 재배열되었으며, 전송주기가 짧은 메시지가 가장 우선 순위가 높도록 메시지의 ID를 부여하였다.

이론/모형

실험에서는 SAE(Society of Automotive Engineers)[9]에서 제시한 Benchmark signal[10]을 이용하였다. Benchmark signal은 총 7개의 node와 53개의 signal로 구성되어있으며, 차량에서 “Battery”, “Vehicle Controller”, “Inverter/Motor Controller”, “Instrument Panel Display”, “Driver Input”, “Brakes”, “Transmission Control”을 담당 하는 ECU들간의 signal들을 정의하고 이들의 전송특성과 데이터의 크기, 응답시간에 대한 Deadline등을 정의하고 있다.

성능/효과

실험 결과에서 본 바와 같이 CAN 네트워크가 와같이 구성되어 있었다면 5.6ms정도의 길이로 EMI가 발생하여 통신에 장애가 발생하면 node 4는 block되고 7종류의 메시지가 전송시간에 대한 deadline을 지키지 못하는 결과를 나타내게 된다.

후속연구

메시지의 시간에 대한 신뢰성을 검증해 보려는 이론적인 시도는 많이 있었지만 하드웨어에 대한 고려가 없이 진행되어왔기 때문에 오류정정기능과 같은 동작에 의해 발생 할 수 있는 시간 지연은 무시되어왔다. 그러나 본 논문에서는 실제 네트워크를 구성하여 실험을 하였기 때문에 보다 정확한 실험을 할수 있었으며, 이를 네트워크의 설계단계에서 사용하면 보다 신뢰성 있는 설계를 가능하게 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신뢰성은 어떻게 정의되는가?	신뢰성이란 주어진 시간 동안, 주어진 조건 하에서 시스템이 정상적으로 동작할 확률로 정의 된다. 시스템의 신뢰성이란 하드웨어에 대한 신뢰성, 소프트웨어에 대한 신뢰성 그리고 통신에 대한 신뢰성으로 구별할 수 있다(그림1)[2].
	CAN의 두 가지 구조인 2.0A와 2.0B의 차이는 무엇인가?	0A와 2.0B의 두 가지 구조를 가지고 있으며 이들의 차이는 단지 CAN 메시지의 ID 필드의 길이뿐이다. Media access control 은 CSMA/CR(Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution)을 사용하며, CAN controller가 하드웨어적으로 오류를 검증하고 처리하는 구조로 되어있다[5].
	통신에서의 오류는 어떠한 두 가지의 관점에서 만들어져야 하는가?	통신에서의 오류는 두 가지의 관점에서 만들어져야 한다. 각 node들의 소프트웨어적인 오류에 의하여 메시지의 내용에 오류가 발생하는 것과 컨트롤러나 트렌시버 또는 버스의 하드웨어적인 오류에 의해 나타나는 frame form에 대한 오류가 그것이다. 전자는 데이터 링크 계층 위에 일정한 확률로 메시지의 내용을 변경하는 오류 주입 계층을 추가하여 구현하는 것이 가능하다.

참고문헌 (10)

http://www.can-cia.org, 2005. Homepage of the organization CAN in Automation
Thomas Nolte, Hans Hansson, and Christer Norstrom, “Probabilistic Worst-Case Response-Time Analysis for the Controller Area Network,” 9th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, 2003
Julio Perez Acle, Matteo Sonza Reorda, Massimo Violante, “Early, Accurate Dependability Analysis of CAN-Based Networked Systems,” IEEE Design & Test, January-February 2006

상세보기
K. Tindell, A. Burns, A. J. Wellings, “Calculating Controller Area Network (CAN) Message Response Times,” Control Engineering Practice 1163-1169, 1995

상세보기
Wolfhard Lawrenz, “CAN System Engineering From Theory to Practical Application,” Springer, 1997
Sasikumar Punnekkat, Hans Hansson and Christer Norstrom, “Response Time Analysis under Errors for CAN,” IEEE Real Time Technology and Applications Symposium, 2000
Ian Broster, Alan Burns, Guillermo Rodriguez-Navas, “Probabilistic Analysis of CAN with Faults,” 23rd Real-Time Systems Symposium 2002
Hans A. Hansson and Christer Norstrom, “Integrating Reliability and Timeing Analysis of CAN-Based Systems,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.49, No.6, Dec 2002
http://www.sae.org. Homepage of Society of Automotive Engineers
SAE. Class C Application Requirement Considerations-SAE J2056/1. SAE Handbook, pages 263-271, Oct 1992

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