CAN 중재와 우선순위

1. 버스 중재(Arbitration)란

문제 상황: 여러 노드가 하나의 버스를 공유하는 CAN에서, 두 노드가 동시에 메시지를 전송하기 시작하면 어떻게 될까?

이더넷의 경우 충돌(Collision)이 발생하면 두 노드 모두 전송을 멈추고 임의의 시간 뒤 재전송한다. 이 방식은 충돌 후 데이터가 손실된다.

CAN의 해답: CAN은 CSMA/CD+AMP 방식을 사용해 충돌 없이 우선순위가 높은 메시지가 이기도록 한다.

핵심 차이: 이더넷은 충돌 후 모두 재전송하지만, CAN은 중재 패배 노드만 재전송한다. 승리한 노드는 전송을 중단 없이 계속한다.

"노드 ID"가 아니라 "메시지 ID"

한 가지 주의할 점이 있다. CAN에서 ID는 노드(장치)를 식별하는 것이 아니라 메시지의 종류를 식별한다. 하나의 ECU가 여러 종류의 메시지를 보낼 수 있으며, 각각 다른 ID를 가진다.

엔진 ECU (하나의 노드)가 보내는 메시지들:
  ID=0x100: 엔진 RPM 정보
  ID=0x101: 엔진 온도 정보
  ID=0x102: 엔진 토크 정보

따라서 중재에서 비교되는 것은 노드의 고유번호가 아니라, 그 순간 전송하려는 메시지의 ID다. 같은 노드라도 어떤 메시지를 보내느냐에 따라 우선순위가 달라진다.

2. 비트 단위 중재 과정

중재는 ID를 다 보낸 뒤에 비교하는 것이 아니다. 각 노드가 ID를 MSB(최상위 비트)부터 한 비트씩 버스에 보내면서, 동시에 버스를 읽어 실시간으로 비교한다.

시간 →
노드A: [SOF][비트10][비트9][비트8]...[비트0] → 승리 시 [DLC][Data]... 계속
노드B: [SOF][비트10][비트9][비트8] ← 여기서 탈락하면 즉시 중단

ID 구간이 끝나면 중재도 끝나고, 승자만 나머지(DLC, Data, CRC 등)를 전송한다. 구체적인 예시를 보자. 노드A(ID=0x100)와 노드B(ID=0x200)가 동시에 전송을 시작하는 상황이다.

ID 이진수 변환

노드A ID = 0x100 = 0001 0000 0000 (11bit)
노드B ID = 0x200 = 0010 0000 0000 (11bit)

비트별 중재 과정

비트 8에서 노드A는 0(Dominant)을, 노드B는 1(Recessive)을 전송한다. 버스는 Dominant 값인 0이 된다. 노드B는 자신이 1을 보냈는데 버스가 0이 된 것을 감지하고, 즉시 전송을 중단한다. 노드A는 아무것도 모른 채 전송을 계속한다.

sequenceDiagram
    participant A as 노드A (ID=0x100)
    participant Bus as CAN 버스
    participant B as 노드B (ID=0x200)

    Note over A,B: 두 노드가 동시에 SOF 전송 시작
    A->>Bus: 비트10=0 (Dominant)
    B->>Bus: 비트10=0 (Dominant)
    Note over Bus: 버스=0 (Dominant)
    Bus-->>A: 버스 읽기: 0 ✓ 일치
    Bus-->>B: 버스 읽기: 0 ✓ 일치

    A->>Bus: 비트9=0 (Dominant)
    B->>Bus: 비트9=0 (Dominant)
    Note over Bus: 버스=0 (Dominant)
    Bus-->>A: 버스 읽기: 0 ✓ 일치
    Bus-->>B: 버스 읽기: 0 ✓ 일치

    A->>Bus: 비트8=0 (Dominant)
    B->>Bus: 비트8=1 (Recessive)
    Note over Bus: 버스=0 (Dominant, A가 이김)
    Bus-->>A: 버스 읽기: 0 ✓ 일치 → 전송 계속
    Bus-->>B: 버스 읽기: 0 ✗ 불일치 → 즉시 중단

    Note over A: 중단 없이 나머지 프레임 전송
    Note over B: 전송 중단, 버스가 빌 때까지 대기
    A->>Bus: 데이터 프레임 나머지 전송 완료
    Note over B: 버스 유휴 상태 감지 후 재전송 시도

3. ID 값과 우선순위 관계

원칙: ID 숫자가 작을수록 우선순위가 높다.

이유는 간단하다. CAN 버스에서 0(Dominant)이 1(Recessive)을 이긴다. ID의 상위 비트부터 비교할 때, 먼저 0을 보내는 노드가 버스를 차지한다.

ID = 0x001: 0000 0000 001  ← 앞쪽이 0으로 가득 참 → 버스 독점 유리
ID = 0x7FF: 1111 1111 111  ← 앞쪽이 1로 가득 참 → 버스 독점 불리

flowchart LR
    subgraph 높은 우선순위
        A["ID = 0x000<br>최고 우선순위"]
        B["ID = 0x001"]
        C["ID = 0x100"]
    end
    subgraph 낮은 우선순위
        D["ID = 0x600"]
        E["ID = 0x700"]
        F["ID = 0x7FF<br>최저 우선순위"]
    end
    A --> B --> C --> D --> E --> F
    style A fill:#ff6b6b,color:#fff
    style F fill:#74c0fc,color:#000

29bit Extended ID에서의 우선순위

ISOBUS는 29bit Extended ID를 사용하며, ID의 상위 3비트가 Priority 필드다.

29bit ID 구조:
[P P P][R][DP][PF 8bit][PS 8bit][SA 8bit]
  ↑
Priority (0~7, 낮을수록 높은 우선순위)

Priority 0이 가장 높고, Priority 7이 가장 낮다. 이를 통해 메시지 종류별 우선순위를 명시적으로 설정할 수 있다.

Priority가 같으면 어떻게 되는가

Priority 필드는 29비트 ID의 최상위 3비트일 뿐이다. Priority가 같으면 중재가 끝나는 것이 아니라, 나머지 비트(EDP → DP → PF → PS → SA)로 계속 비교한다. 결국 29비트 ID 전체가 하나의 우선순위 값이다.

메시지A: Priority=3, PF=0xF0, PS=0x04, SA=0x00
  → ID = 0x0CF00400

메시지B: Priority=3, PF=0xFE, PS=0xEE, SA=0x00
  → ID = 0x0CFEEE00

비교:
  Priority: 011 vs 011 → 동점, 계속
  EDP:      0   vs 0   → 동점, 계속
  DP:       0   vs 0   → 동점, 계속
  PF:       11110000 vs 11111110
                    ↑ 비트 19에서 A=0, B=1 → 메시지A 승리

이 원칙을 이해하면, 실제 시스템에서 메시지 ID를 어떻게 배정해야 하는지가 자연스럽게 도출된다.

4. 메시지 설계 시 고려사항

중재 메커니즘을 이해하면 ID 배정 전략이 명확해진다.

안전 관련 메시지에는 낮은 ID를 배정

Priority 0 (ID 앞자리 000): 브레이크, 조향, 비상 정지
Priority 1 (ID 앞자리 001): 엔진 제어, 변속기
Priority 2 (ID 앞자리 010): 차량 속도, 자세 제어
Priority 3 (ID 앞자리 011): 일반 제어 데이터
Priority 6 (ID 앞자리 110): 진단, 설정
Priority 7 (ID 앞자리 111): 정보성 메시지, 로그

주기적 메시지 vs 이벤트 메시지

버스 부하 고려

중재에서 계속 패배하는 메시지는 버스가 바쁠수록 더 오래 기다려야 한다. 높은 우선순위 메시지가 너무 자주 전송되면, 낮은 우선순위 메시지는 기아 상태(Starvation)에 빠질 수 있다.

다음 챕터

• 다음 : CAN 에러 처리