자동차 전자제어 시대의 신경망, CAN의 시작
현대 자동차는 단순한 기계 장치를 넘어, 수많은 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit)로 구성된 복합적인 전자 시스템이다. 파워트레인, 브레이크, 스티어링, 에어백, 라이트, 와이퍼, 실내 공조 장치에 이르기까지 각 영역의 제어기는 독립적으로 작동하면서도 전체 차량 시스템과 긴밀하게 연결되어야 한다. 이때 각 ECU들이 서로 통신하며 제어 명령과 센서 데이터를 교환하는 통로가 바로 통신 네트워크이고, 그 중심에 CAN(Controller Area Network) 프로토콜이 있다. CAN은 1980년대 독일 Bosch에 의해 개발된 차량 전용 통신 프로토콜로, 당시 급증하던 전자제어장치 간 배선 복잡도를 줄이고 통신 신뢰성을 확보하기 위한 해법으로 등장했다. 일반적인 컴퓨터 네트워크와는 달리, CAN은 실시간 제어가 가능한 메시지 우선순위 구조와 오류 정정 기능을 내장해 차량 환경에 최적화된 특징을 갖는다. 예를 들어, 브레이크나 조향 시스템에서 발생한 이벤트는 다른 덜 중요한 정보보다 먼저 전송되며, 전송 도중 충돌이나 오류가 발생하더라도 스스로 재전송을 시도해 신뢰성을 유지한다. 특히 자동차의 동적 특성상 수 밀리초 내에 반응해야 하는 상황이 많기 때문에, CAN은 일반적인 시리얼 통신 방식보다 훨씬 높은 응답성과 견고성을 요구받는다. 이에 따라, 통신 속도(125kbps~1Mbps), 데이터 프레임 구조, 송수신 arbitration 방식, CRC 체크 등의 요소가 정교하게 설계되어 있다. 단일 신호선이 아닌 ‘차동 신호(Differential Signal)’ 기반으로 구성되기 때문에 외란이나 노이즈에도 강하며, 짧은 거리 내에서도 데이터 정확도를 높일 수 있다. CAN의 구조적 단순성과 확장성은 차량 제조사의 아키텍처 설계에도 큰 유연성을 부여한다. 새로운 ECU를 네트워크에 추가하거나 기존 장치 간 데이터 흐름을 재구성할 때도, 전체 배선을 뜯어 고치지 않아도 되는 점은 생산 효율성과 유지 보수 편의성 측면에서 커다란 장점으로 작용한다. 즉, CAN은 단순한 통신 프로토콜이 아니라, 자동차 산업 전반의 전자 플랫폼 설계를 가능하게 한 기초 인프라라 할 수 있다.
CAN 프로토콜의 구조와 작동 원리
CAN 통신은 기본적으로 메시지 기반 아키텍처를 채택하고 있다. 이는 IP 주소와 같은 송신자 중심 구조가 아니라, ‘메시지의 내용’을 식별자(identifier)로 정해 모든 노드가 이를 수신하고 필요한 경우만 반응하는 방식이다. 이 구조는 네트워크 트래픽을 줄이고, 시스템의 확장성 및 유연성을 확보하는 데 적합하다. 메시지 프레임은 크게 표준 프레임(11비트 ID)과 확장 프레임(29비트 ID)로 나뉘며, 데이터 영역은 최대 8바이트까지 정보를 담을 수 있다. 메시지가 전송될 때, 복수의 ECU가 동시에 데이터를 전송하려 할 경우를 대비해 ‘비트 단위 우선순위’ 개념을 도입했다. 각 메시지 ID는 숫자가 낮을수록 높은 우선순위를 가지며, Arbitration(중재) 과정에서 우선순위가 높은 메시지가 자동으로 선택된다. 이 메커니즘은 별도의 중앙 제어 장치 없이도 충돌을 방지하고 긴급한 명령이 우선 처리되도록 하는 데 핵심적인 역할을 한다. CAN의 신뢰성을 뒷받침하는 또 하나의 요소는 오류 검출 및 자동 재전송 기능이다. 각 프레임에는 CRC(Cyclic Redundancy Check) 필드가 포함되어 있으며, 수신 측 노드는 이를 검증하여 오류를 인지할 수 있다. 오류가 탐지되면 수신 노드는 즉시 오류 플래그를 송신하며, 해당 메시지는 자동으로 다시 전송된다. 이 기능은 자동차와 같은 생명과 직결된 시스템에서 결정적인 안전성을 확보하는 요소다. 물리 계층에서는 ‘차동 신호’ 방식이 사용된다. 두 개의 선(CAN High, CAN Low)을 통해 각기 반대되는 전압을 전달함으로써, 외부 전자파 간섭이나 잡음을 상쇄하는 구조이다. 또한 버스형 토폴로지 구조를 채택해 하나의 통신선으로 여러 ECU가 병렬 연결될 수 있어 배선 절감과 레이아웃 최적화에 큰 도움이 된다. 또한, 실차 개발에서는 ‘CAN 캘리브레이션 툴’이나 ‘버스 분석기’를 이용해 메시지 구조를 실시간으로 분석하고, 버스 로딩률, 오류율, 응답시간 등을 측정한다. 이를 통해 ECU 간 통신 지연이나 병목 현상을 사전에 점검하고 최적화할 수 있다. 현재는 CAN FD(Flexible Data-rate)라는 고속 확장 규격이 도입되어 최대 64바이트 데이터와 최대 8Mbps 속도까지 확장 가능해졌으며, 차세대 차량 통신 아키텍처에 적극적으로 도입되고 있다.
실시간 제어 환경에서 CAN의 역할과 향후 과제
자동차의 실시간 제어는 단순한 연산 수행만으로는 구현될 수 없다. 제어기 간의 신속하고 정확한 데이터 교환이 선행되어야 하며, 이때 통신 지연, 메시지 우선순위, 오류 검출 기능 등 다양한 요소가 통합적으로 작동해야 한다. CAN 프로토콜은 이러한 조건을 충족시키기 위해 설계된 체계로, 차량 내부의 다양한 모듈들이 하나의 통합 시스템처럼 작동하게 만든 핵심 축이라 할 수 있다. 예를 들어, 차량이 급제동 상황에 직면했을 때, ABS ECU는 바퀴 회전 속도와 브레이크 압력을 실시간으로 판단하여 조정 명령을 전송하고, 이 정보는 ESC, 파워트레인, 헤드업디스플레이, 비상등 점멸 장치 등 다양한 장치에 동기화된다. 이때 모든 정보는 수 밀리초 이내에 정해진 우선순위에 따라 CAN을 통해 전달된다. 하나라도 지연되거나 누락된다면 제어 효과는 현저히 떨어지며, 심각한 경우 사고로 이어질 수 있다. 하지만 CAN 프로토콜도 한계는 존재한다. 특히 자율주행 및 고속 통신 요구가 증가하면서 1Mbps 대역폭과 8바이트 데이터 제한은 점점 병목 요소로 작용하고 있다. 이에 따라 CAN FD, Ethernet 기반 통신, TSN(Time-Sensitive Networking) 등의 대체 또는 보완 기술이 병행 도입되고 있으며, 하이브리드 구조가 자동차 네트워크의 새로운 패러다임으로 주목받고 있다. 또한 사이버 보안 측면에서도 CAN은 구조적으로 암호화 기능이 없으며, 송수신 검증 또한 제한적이기 때문에 악의적인 메시지 주입(MITM 공격 등)에 취약하다. 이에 따라 메시지 인증, 암호화 레이어 추가, Gateway 기반 방화벽 설계 등의 보안 강화 방안이 점진적으로 적용되고 있다. 결론적으로, CAN은 수십 년간 검증된 기술이며, 여전히 차량 내 제어 통신의 표준으로 자리잡고 있다. 그러나 변화하는 모빌리티 환경 속에서는 기존의 강점을 유지하면서도, 보다 높은 확장성, 보안성, 융합 가능성을 확보해야 할 과제를 안고 있다. CAN은 과거의 기술이 아니라, 미래 자동차의 진화에도 함께 적응해야 할 현재진행형의 기술이다.