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AUTOSAR MACsec Key Agreement (MKA) 模块详解

目录

• 1. 概述
  • 1.1 MACsec简介
  • 1.2 MKA模块功能概述
• 2. 架构设计
  • 2.1 AUTOSAR软件架构中的MKA模块
  • 2.2 MKA模块内部结构
• 3. 密钥协商流程
  • 3.1 MKA协议通信流程
  • 3.2 MKA状态转换机制
• 4. 数据模型与API
  • 4.1 MKA数据结构
  • 4.2 关键API接口
• 5. 总结
  • 5.1 MKA模块优势
  • 5.2 应用场景

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1. 概述

1.1 MACsec简介

MACsec（Media Access Control Security，介质访问控制安全）是IEEE 802.1AE标准定义的一种用于有线以太网的安全协议。它在OSI模型的第2层（数据链路层）工作，可以为以太网帧提供完整性检查、数据源认证和加密保护，实现点对点的链路层安全通信。

MACsec提供以下关键安全特性：

• 完整性验证：确保数据在传输过程中未被篡改
• 源认证：验证数据的发送方身份
• 保密性：通过加密保护数据内容
• 重放保护：防止攻击者重放先前捕获的数据包

在汽车网络环境中，MACsec为车载以太网提供安全保障，保护关键控制系统和数据免受攻击。

1.2 MKA模块功能概述

AUTOSAR MACsec Key Agreement (MKA) 模块是AUTOSAR经典平台中负责MACsec密钥协商的组件，实现了IEEE 802.1X-2020标准中定义的MKA协议。该模块的主要职责包括：

• 身份认证：识别和验证属于同一连接关联(CA)的通信对等方
• 密钥管理：生成、分发和更新MACsec安全通道所需的密钥
• 安全参数配置：为MACsec实体(SecY)提供必要的安全参数和密钥数据
• 维护安全通道：监控并维护已建立的安全通道(SC)和安全关联(SA)

MKA模块支持基于预共享密钥(CAK)的认证机制，并通过EAP-MKA协议在通信双方之间建立安全关系。通过MKA协议，通信双方可以安全地协商并交换会话密钥(SAK)，从而启用MACsec保护的通信。

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2. 架构设计

2.1 AUTOSAR软件架构中的MKA模块

MKA模块在AUTOSAR经典平台软件架构中的定位及其与其他模块的关系如下图所示：

图2.1：MACsec Key Agreement在AUTOSAR软件架构中的位置

从上图可以清晰地看到，MKA模块是AUTOSAR通信栈的重要组成部分，其主要特点和关系包括：

1. 层次结构：

   • MKA模块位于通信栈中，位于以太网接口(EthIf)之下，上层网络协议之上
   • 通过以太网状态管理器(EthSM)与上层应用连接，提供链路状态信息

2. 模块关系：

   • 与EthIf的连接：MKA由EthIf触发启动MKA序列，并通过EthIf发送和接收MKA消息
   • 与CSM的连接：依赖加密服务管理器(CSM)进行密钥派生和加密操作
   • 与设备驱动的关系：通过EthIf间接与以太网驱动(EthDriver)、交换机驱动(EthSwitchDriver)和收发器驱动(EthTransceiverDriver)连接
   • 与MACsec实体的关系：负责配置MACsec实体(SecY)的安全通道参数

3. 内部结构：

   • 每个MKA模块包含多个端口访问实体(PAE)，每个PAE对应一个物理或虚拟以太网端口
   • 每个PAE可以管理多个密钥协商实体(KaY)，每个KaY对应一个连接关联密钥标识符(CKN)

这种架构设计使得MKA模块能够在AUTOSAR环境中与其他组件有效协作，为车载以太网网络提供安全保障。

2.2 MKA模块内部结构

MKA模块的内部结构及其组件关系如下图所示：

图2.2：MACsec Key Agreement模块数据模型

MKA模块的内部结构主要包括以下几个关键组件：

1. 配置类型：

   • Mka_ConfigType：模块主配置结构，包含PAE配置、加密算法配置和密码套件配置
   • Mka_PaeConfig：PAE配置，包含PAE实例列表及可绕过MACsec的VLAN和EtherType列表
   • Mka_PaeInstance：每个PAE实例对应一个物理或虚拟端口，包含KaY配置
   • Mka_Kay：KaY配置，包含关键参数如优先级、生命周期和参与者列表
   • Mka_KayParticipant：KaY参与者，每个参与者对应一个预共享密钥(CAK/CKN)
   • Mka_CryptoAlgoConfig：加密算法配置，定义用于MKA的各种加密操作
   • Mka_CipherSuites：密码套件配置，定义MACsec使用的加密和完整性算法

2. 数据类型：

   • Mka_MacSecConfigType：MACsec配置参数，包括验证模式、回放保护和保密性偏移
   • Mka_PaeStatusType：PAE状态枚举，表示MKA协议的各种操作状态
   • Mka_Stats_SecYType：MACsec统计信息，记录传输和接收的数据包统计

3. API函数：

   • 初始化函数：如Mka_Init初始化模块
   • 控制函数：如Mka_SetEnable控制MKA的启用状态
   • 查询函数：如Mka_GetPaeStatus获取PAE状态
   • 通知回调：如Mka_RxIndication接收MKA消息
   • 周期函数：如Mka_MainFunction处理定时任务

这种模块化的内部结构使MKA能够灵活配置和运行，支持多端口、多密钥场景，同时保持清晰的组件责任分离。

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3. 密钥协商流程

3.1 MKA协议通信流程

MKA协议的密钥协商流程是实现MACsec安全通信的关键环节。下图展示了基于预共享密钥的MKA协议通信序列：

图3.1：MACsec Key Agreement协议通信序列

MKA密钥协商流程的主要步骤包括：

1. 初始化阶段：

   • 双方通过配置获取预共享的连接关联密钥(CAK)和连接关联密钥名称(CKN)
   • 物理链路建立后(LinkUp)，EthIf触发MKA开始密钥协商
   • 双方使用密钥派生函数(KDF)从CAK派生完整性检查密钥(ICK)和密钥加密密钥(KEK)

2. 认证阶段：

   • 密钥服务器构建MKA协议数据单元(MKPDU)，包含基本参数集和功能参数集
   • 客户端接收MKPDU并使用ICK验证完整性，处理参数集并识别对端为相同CA参与者
   • 客户端构建回应MKPDU，密钥服务器验证并确认连接建立

3. 密钥分发阶段：

   • 密钥服务器生成安全关联密钥(SAK)，并使用KEK加密
   • 密钥服务器将加密的SAK包含在MKPDU中分发给客户端
   • 客户端接收MKPDU，解密SAK并安装到MACsec实体(SecY)中

4. 安全通信阶段：

   • 客户端配置安全通道(SC)和安全关联(SA)，并发送确认MKPDU
   • 密钥服务器也安装SAK并配置对应的SC和SA
   • 双方通知各自的EthIf模块MACsec链路就绪，上层网络协议开始通信

这个过程确保了只有合法的通信双方能够安全地建立MACsec保护的通信链路，并且密钥交换过程本身也受到保护，防止中间人攻击和密钥泄露。

3.2 MKA状态转换机制

MKA模块在运行过程中会经历一系列状态转换，反映了密钥协商和MACsec设置的不同阶段。下图展示了MKA状态机：

图3.2：MACsec Key Agreement状态转换图

MKA状态机包含以下关键状态和转换：

1. 基本状态：

   • 初始化(INITIALIZING)：模块启动时的初始状态，加载配置和准备资源
   • 运行中(OPERATIONAL)：初始化完成后的基本运行状态，等待开始MKA协商
   • 认证阶段(AUTHENTICATED)：成功验证对端身份并确认密钥服务器后的状态
   • 已安全(SECURED)：MACsec保护已启用，数据传输受到加密和完整性保护
   • 失败(FAILED)：由于认证失败、密钥不匹配或通信超时等导致的错误状态

2. 中间状态：

   • 接收中(RECEIVING)：正在建立接收路径
   • 接收SA(RECEIVE_SA)：正在接收和处理安全关联密钥
   • 接收时间(RECEIVE_WHEN)：正在同步时间参数
   • 发送中(TRANSMITTING)：正在建立发送路径

3. 重要状态转换：

   • 初始化完成后进入运行状态
   • 接收有效MKPDU并认证成功后进入认证状态
   • 成功建立发送和接收路径后进入安全状态
   • 安全通道建立完成后回到运行状态，此时MACsec保护已启用
   • 在通信中断或密钥超时等情况下可能进入失败状态
   • 从失败状态可以通过重新初始化(Mka_StartPae())恢复到运行状态

这种状态机设计使MKA模块能够清晰地跟踪密钥协商的进展，处理各种正常和异常情况，并在必要时进行恢复，确保车载网络通信的可靠性和安全性。

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4. 数据模型与API

4.1 MKA数据结构

MKA模块定义了一系列数据结构来支持MACsec密钥协商和安全通道配置。这些数据结构可分为以下几类：

1. 配置数据结构：

   • Mka_ConfigType：总配置结构，包含所有MKA配置参数
   • Mka_General：通用配置，如版本信息API、调试支持和主函数周期
   • Mka_PaeConfig：PAE配置，定义端口控制实体的参数和绕过规则
   • Mka_Kay：KaY配置，包含密钥服务器优先级、生命周期和Hello时间等参数
   • Mka_KayParticipant：参与者配置，包含CAK/CKN和密码套件选择

2. 运行时数据类型：

   • Mka_ValidateFramesType：帧验证模式枚举(禁用/检查/严格)
   • Mka_ConfidentialityOffsetType：保密性偏移枚举(0/30/50)
   • Mka_PaeStatusType：PAE状态枚举，反映MKA协议状态
   • Mka_MkaStatusType：MKA启用状态枚举(启用/禁用)
   • Mka_PermissiveModeType：宽容模式枚举(允许/不允许)

3. 统计和监控数据：

   • Mka_Stats_SecYType：MACsec实体统计信息，包括发送和接收统计
   • Mka_Stats_Tx_SecYType：发送统计，如未标记包数和超长包数
   • Mka_Stats_Rx_SecYType：接收统计，如无效标签包数和未知SCI包数

这些数据结构形成了MKA模块的完整数据模型，支持模块的配置、运行和监控。特别是配置数据结构，它们通过分层组织，使得MKA能够适应不同的网络拓扑和安全需求，从单端口单密钥场景到多端口多密钥的复杂配置。

4.2 关键API接口

MKA模块提供了一系列API接口用于初始化、控制和监控MACsec Key Agreement过程。关键API包括：

1. 初始化和版本信息API：

   • Mka_Init(configPtr)：使用指定配置初始化MKA模块
   • Mka_GetVersionInfo(versioninfo)：获取MKA模块版本信息

2. 状态控制API：

   • Mka_SetCknStatus(PaeId, CknId, status)：设置特定CKN的启用状态
   • Mka_GetCknStatus(PaeId, CknId, status)：获取特定CKN的启用状态
   • Mka_SetEnable(PaeId, status)：启用或禁用特定PAE的MKA功能
   • Mka_GetEnable(PaeId, status)：获取特定PAE的MKA启用状态

3. PAE操作API：

   • Mka_GetPaeStatus(PaeId, status)：获取PAE状态
   • Mka_SetPaePermissiveMode(PaeId, mode)：设置PAE的宽容模式
   • Mka_StartPae(PaeId)：启动PAE的MKA协议处理
   • Mka_LinkStateChange(PaeId, LinkUp)：通知链路状态变化

4. 统计和监控API：

   • Mka_GetMacSecStatistics(SecYId, statistics)：获取MACsec统计信息

5. 回调通知函数：

   • Mka_RxIndication(PaeId, dataPtr, length)：接收MKA消息通知
   • Mka_TxConfirmation(PaeId)：发送确认通知
   • Mka_MacSecUpdateSecYNotification(SecYId, config)：更新MACsec实体配置通知
   • Mka_MacSecAddTxSaNotification(SecYId, SAId, pn, sakPtr, confidentiality)：添加发送SA通知

6. 周期任务函数：

   • Mka_MainFunction()：处理MKA模块的周期性任务，如MKPDU发送和超时检查

这些API接口为上层模块(如EthIf和应用程序)提供了控制和监控MKA功能的能力，使得MACsec安全通信能够与车载网络的其他功能有效集成。

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5. 总结

5.1 MKA模块优势

AUTOSAR MACsec Key Agreement模块为车载以太网安全通信提供了以下关键优势：

1. 标准兼容性：

   • 完全符合IEEE 802.1X-2020和IEEE 802.1AE-2018标准
   • 遵循AUTOSAR经典平台规范，确保与其他AUTOSAR组件的兼容性

2. 安全性：

   • 提供基于预共享密钥的身份认证
   • 支持安全密钥交换和周期性密钥更新
   • 使用标准加密算法保护通信内容

3. 灵活性：

   • 支持多端口配置，适应不同的网络拓扑
   • 支持多密钥(CKN)管理，允许不同安全域的隔离
   • 可配置的绕过规则，允许部分流量不受MACsec保护

4. 可靠性：

   • 完善的状态管理和错误处理机制
   • 支持失败恢复和重新认证
   • 详细的统计和监控能力

5. 性能：

   • 针对汽车环境优化的启动时间和协议收敛时间
   • 低资源消耗，适合嵌入式系统实现

5.2 应用场景

MACsec Key Agreement模块适用于多种车载网络安全场景：

1. 域间通信安全：

   • 保护不同车载域控制器之间的通信，如底盘域与动力域的数据交换
   • 为车内区域网络提供安全隔离

2. 外部连接保护：

   • 保护车辆与外部诊断设备的连接
   • 防止未授权设备接入车载网络

3. 关键系统保护：

   • 为ADAS(高级驾驶辅助系统)和自动驾驶系统提供通信安全
   • 保护安全关键功能的数据传输

4. 多层安全架构：

   • 作为车载网络安全的第一道防线
   • 与上层安全机制(如传输层安全TLS)配合，形成深度防御架构

通过在链路层提供强大的安全保障，MACsec Key Agreement模块为现代车载网络应对日益增长的网络安全威胁提供了坚实基础，是实现安全互联汽车的关键技术组件。