電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文 / 吳子鵬）智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展，使車內(nèi)外的通信需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。以車內(nèi)通信場(chǎng)景為例，隨著汽車傳感器數(shù)量激增，以及輔助駕駛和智能座艙功能復(fù)雜度提升，傳統(tǒng)通信技術(shù)（如 CAN 總線）已難以滿足高帶寬、低延遲、強(qiáng)抗干擾的需求。從域控架構(gòu)開始，使用以太網(wǎng)作為車載通信的骨干網(wǎng)已成為主機(jī)廠的共識(shí)。中央計(jì)算架構(gòu)的普及，進(jìn)一步激發(fā)了車載以太網(wǎng)需求，同時(shí)也提出了更嚴(yán)苛的要求。

在車載以太網(wǎng)中，MACsec（介質(zhì)訪問控制安全）的核心價(jià)值在于，在以太網(wǎng)連接設(shè)備之間提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)安全保護(hù)，抵御攻擊、竊聽，從而使車載以太網(wǎng)更好地適配汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化帶來的高帶寬、多節(jié)點(diǎn)、高安全需求。

作為全球排名第一的芯片自動(dòng)化設(shè)計(jì)解決方案提供商、芯片接口 IP 供應(yīng)商，同時(shí)也是信息安全與軟件質(zhì)量的全球領(lǐng)導(dǎo)者，新思科技（Synopsys）始終致力于為汽車行業(yè)提供頂尖安全解決方案，其提供的汽車級(jí)MACsec 安全模塊和 IP，能幫助設(shè)計(jì)人員快速將安全性集成到系統(tǒng)中，從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間并降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

MACsec：為車載網(wǎng)絡(luò)提供全面的安全覆蓋

傳統(tǒng)汽車通信技術(shù)普遍采用 CAN、LIN 總線，在低速率、低復(fù)雜性的通信場(chǎng)景中表現(xiàn)良好。然而，在智能化和網(wǎng)聯(lián)化浪潮下，汽車數(shù)據(jù)傳輸需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和實(shí)時(shí)性提出了更高要求。以太網(wǎng)憑借自身優(yōu)勢(shì)，成為推動(dòng)汽車 EE（電子電氣）架構(gòu)升級(jí)的理想選擇，能夠更好地賦能軟件定義汽車。

目前，以太網(wǎng)在汽車中的應(yīng)用主要集中在信息娛樂系統(tǒng)、ADAS 等領(lǐng)域。在信息娛樂系統(tǒng)方面，通過以太網(wǎng)連接車輛的中控屏、儀表盤等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)高清視頻播放、實(shí)時(shí)導(dǎo)航等功能；在 ADAS 方面，以太網(wǎng)用于連接攝像頭、毫米波雷達(dá)等傳感器，以實(shí)現(xiàn)輔助駕駛功能。QYResearch 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2024 年全球汽車以太網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 44.89 億美元，預(yù)計(jì) 2031 年在樂觀情景下將突破 682 億美元，2025 - 2031 年期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá) 47.8%。

數(shù)據(jù)來源：QYResearch，電子發(fā)燒友網(wǎng)制圖

當(dāng)然，汽車以太網(wǎng)面臨的安全挑戰(zhàn)，是智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展過程中不可忽視的核心問題——隨著以太網(wǎng)在車載網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，其面臨的安全威脅日益復(fù)雜，需要采取數(shù)據(jù)機(jī)密性保護(hù)、數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證、防止重放攻擊、身份驗(yàn)證與授權(quán)等數(shù)據(jù)保護(hù)措施，并滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)復(fù)雜的汽車網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

在此過程中，MACsec的價(jià)值日益凸顯。它是基于 802.1AE 和 802.1X 協(xié)議的安全通信方法，也是基于 AES - GCM 加密的既定協(xié)議，能夠?yàn)檐囕d以太網(wǎng)提供全面的安全保護(hù)，有效應(yīng)對(duì)竊聽、篡改、重放攻擊等安全威脅，同時(shí)滿足車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)低延遲和高帶寬的要求。

車機(jī)上的 MACsec 流程，圖源：安卓官網(wǎng)

相較于 TLS 和 IPsec，MACsec 在硬件級(jí)別（鏈路或媒體訪問層 2）執(zhí)行加密，無論上層協(xié)議是什么，都能對(duì)所有以太網(wǎng)流量進(jìn)行加密。因此，MACsec 在以下三方面能力極為出色：
·數(shù)據(jù)加密：MACsec 使用 AES - GCM 在數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱加密，確保即使數(shù)據(jù)被截獲，未經(jīng)授權(quán)的第三方也無法讀取其內(nèi)容。此過程涉及預(yù)共享密鑰 (PSK) 、關(guān)聯(lián)密鑰名稱 (CKN)、關(guān)聯(lián)密鑰 (CAK)、安全關(guān)聯(lián)密鑰 (SAK) 等加密環(huán)節(jié)。

·完整性校驗(yàn)：MACsec 通過完整性檢查值（ICV）對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行完整性驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中未被篡改，這對(duì)汽車以太網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)控制類信息（如動(dòng)力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)）尤為重要。

·防止重放攻擊：在沒有安全機(jī)制的情況下，攻擊者可能捕獲并重新傳輸合法的數(shù)據(jù)包，從而引發(fā)未經(jīng)授權(quán)的操作。MACsec 通過在數(shù)據(jù)幀中添加序列號(hào)和時(shí)間戳，能夠有效檢測(cè)并防止重放攻擊。

有設(shè)計(jì)人員可能會(huì)擔(dān)心支持 MACsec 帶來的延遲問題，不過 MACsec 功能可通過專用硬件（如 PHY 芯片）實(shí)現(xiàn)卸載，減少 CPU 負(fù)載。通過這樣的設(shè)計(jì)，控制器或處理器的資源能夠留給控制程序，同時(shí)確保 MACsec 以盡可能高的速度運(yùn)行，覆蓋完整的鏈路帶寬并保證極低的延遲。與在 OSI 堆棧更高層實(shí)現(xiàn)的方案相比，MACsec 硬件加密是延遲最低的安全保護(hù)方案。

除了技術(shù)本身，MACsec 模塊滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)要求也極為重要，這能確保為汽車以太網(wǎng)及其相關(guān)功能提供最高級(jí)別的安全保障。首先是功能安全（ISO 26262），MACsec 模塊需符合 ASIL B/D 等級(jí)要求，確保在隨機(jī)硬件故障或系統(tǒng)性錯(cuò)誤下仍能提供可靠安全服務(wù)；其次是網(wǎng)絡(luò)安全（ISO/SAE 21434），該標(biāo)準(zhǔn)要求車載網(wǎng)絡(luò)具備持續(xù)安全防護(hù)能力，MACsec 通過密鑰管理和安全通道隔離，滿足其對(duì)通信機(jī)密性、完整性和訪問控制的要求。MACsec 作為一種成熟的安全協(xié)議，能夠幫助主機(jī)廠更好地滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，契合智能汽車對(duì)功能安全與信息安全融合的需求，是構(gòu)建安全、可靠、可擴(kuò)展車載網(wǎng)絡(luò)的基石。

新思科技汽車級(jí) MACsec 方案

為全面賦能以太網(wǎng)安全應(yīng)用，新思科技擁有豐富的 MACsec 產(chǎn)品組合，可在云計(jì)算、5G、移動(dòng)和汽車應(yīng)用的交換機(jī)、路由器和橋 SoC 中實(shí)現(xiàn)機(jī)密性、完整性、原始身份驗(yàn)證和重放保護(hù)。這些 MACsec 模塊與 IEEE 802.1AE、IEEE 802.1Qbu 和 IEEE 802.1Q 標(biāo)準(zhǔn)保持一致，基于流水線 AES - GCM 加密，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 10Gbps 以上的可擴(kuò)展吞吐量，并實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)流量的端到端安全性和低延遲。

新思科技以太網(wǎng)安全解決方案框圖，圖源：新思科技

在汽車領(lǐng)域，新思科技將 MACsec 與現(xiàn)有的汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)無縫集成，提供強(qiáng)大的加密和身份驗(yàn)證功能來保護(hù)敏感數(shù)據(jù)。這些汽車級(jí) MACsec 模塊符合 ASIL B 級(jí)功能安全要求，可防范隨機(jī)和系統(tǒng)性故障。這種合規(guī)性對(duì)于汽車安全應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，可靠性和容錯(cuò)能力是重中之重。同時(shí)，這些模塊還滿足 ISO 26262 嚴(yán)苛的安全流程和文檔要求，在系統(tǒng)性故障方面達(dá)到 ASIL D 功能安全等級(jí)。

新思科技汽車級(jí)MACsec 模塊框圖，圖源：新思科技

新思科技汽車級(jí) MACsec 模塊不僅滿足嚴(yán)苛的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，也符合現(xiàn)代車輛對(duì)強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)安全措施的強(qiáng)制性要求，遵循 ISO/SAE 21434 網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格的密鑰管理實(shí)踐以控制安全通信通道的訪問權(quán)限，并包含持續(xù)監(jiān)控和錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制以維持系統(tǒng)可靠性。通過遵循 ISO/SAE 21434，這些模塊確保所有網(wǎng)絡(luò)安全措施在整個(gè)車輛生命周期中得到系統(tǒng)化規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)，從而減輕潛在網(wǎng)絡(luò)威脅，提升整體車輛安全性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

在實(shí)際應(yīng)用中，新思科技汽車級(jí) MACsec 模塊為設(shè)計(jì)人員提供符合標(biāo)準(zhǔn)的全雙工解決方案，支持幀搶占、可擴(kuò)展數(shù)量的安全通道和安全關(guān)聯(lián)、SecTag 插入和移除、巨型幀、各種 xMII 接口（包括 USXGMII）以及 VLAN 標(biāo)簽等多種功能。并且，這款汽車級(jí) MACsec 模塊可與新思科技以太網(wǎng) MAC 和 PCS IP 無縫集成，支持可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)吞吐量，具有低延遲、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)和多樣性，適用于各種安全以太網(wǎng)連接。


為提升設(shè)計(jì)人員的開發(fā)效率，新思科技為汽車級(jí) MACsec 解決方案提供全面的功能安全文檔，包括質(zhì)量手冊(cè)、設(shè)計(jì)失效模式與影響分析（DFMEA）、故障模式、影響及診斷分析（FMEDA）、安全手冊(cè)、安全案例報(bào)告、相關(guān)失效分析（DFA）和 ISO 26262 評(píng)估報(bào)告，幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)極致優(yōu)化的低延遲和 PPA（功耗、性能、面積）。

寫在最后

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)據(jù)傳輸需求加速向高帶寬、高安全演進(jìn)，“以太網(wǎng)化” 已成為重塑汽車EE架構(gòu)的核心趨勢(shì)，而網(wǎng)絡(luò)安全則是這一進(jìn)程中不可逾越的關(guān)鍵關(guān)卡。MACsec 憑借其在數(shù)據(jù)鏈路層的硬件級(jí)加密能力、出色的完整性校驗(yàn)與防重放攻擊機(jī)制，以及對(duì)低延遲、高帶寬的適配性，成為守護(hù)車載以太網(wǎng)安全的核心技術(shù)支柱。

新思科技汽車級(jí) MACsec 模塊與 IP 滿足 ISO 26262 功能安全與 ISO/SAE 21434 網(wǎng)絡(luò)安全的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，通過貼合車載場(chǎng)景的深度優(yōu)化，以技術(shù)實(shí)力守護(hù)車載以太網(wǎng)安全，助力實(shí)現(xiàn)更安全、更可靠的智慧出行。