電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（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。以車內(nèi)通信場景為例，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)已成為主機廠的共識。中央計算架構(gòu)的普及，進一步激發(fā)了車載以太網(wǎng)需求，同時也提出了更嚴苛的要求。

在車載以太網(wǎng)中，MACsec（介質(zhì)訪問控制安全）的核心價值在于，在以太網(wǎng)連接設(shè)備之間提供動態(tài)數(shù)據(jù)安全保護，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、高安全需求。

作為全球排名第一的芯片自動化設(shè)計解決方案提供商、芯片接口 IP 供應(yīng)商，同時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MACsec 安全模塊和 IP，能幫助設(shè)計人員快速將安全性集成到系統(tǒng)中，從而縮短產(chǎn)品上市時間并降低開發(fā)風(fēng)險。

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，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和實時性提出了更高要求。以太網(wǎng)憑借自身優(yōu)勢，成為推動汽車 EE（電子電氣）架構(gòu)升級的理想選擇，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，可實現(xiàn)高清視頻播放、實時導(dǎo)航等功能；在 ADAS 方面，以太網(wǎng)用于連接攝像頭、毫米波雷達等傳感器，以實現(xiàn)輔助駕駛功能。QYResearch 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2024 年全球汽車以太網(wǎng)市場規(guī)模達 44.89 億美元，預(yù)計 2031 年在樂觀情景下將突破 682 億美元，2025 - 2031 年期間的年復(fù)合增長率（CAGR）高達 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)機密性保護、數(shù)據(jù)完整性驗證、防止重放攻擊、身份驗證與授權(quán)等數(shù)據(jù)保護措施，并滿足行業(yè)標準，適應(yīng)復(fù)雜的汽車網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

在此過程中，MACsec的價值日益凸顯。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，能夠為車載以太網(wǎng)提供全面的安全保護，有效應(yīng)對竊聽、篡改、重放攻擊等安全威脅，同時滿足車載網(wǎng)絡(luò)對低延遲和高帶寬的要求。

車機上的 MACsec 流程，圖源：安卓官網(wǎng)

相較于 TLS 和 IPsec，MACsec 在硬件級別（鏈路或媒體訪問層 2）執(zhí)行加密，無論上層協(xié)議是什么，都能對所有以太網(wǎng)流量進行加密。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)鏈路層對數(shù)據(jù)進行對稱加密，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：MACsec 通過完整性檢查值（ICV）對每個數(shù)據(jù)幀進行完整性驗證，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中未被篡改，這對汽車以太網(wǎng)傳輸實時控制類信息（如動力系統(tǒng)、制動系統(tǒng)）尤為重要。

·防止重放攻擊：在沒有安全機制的情況下，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)幀中添加序列號和時間戳，能夠有效檢測并防止重放攻擊。

有設(shè)計人員可能會擔(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）實現(xiàn)卸載，減少 CPU 負載。通過這樣的設(shè)計，控制器或處理器的資源能夠留給控制程序，同時確保 MACsec 以盡可能高的速度運行，覆蓋完整的鏈路帶寬并保證極低的延遲。與在 OSI 堆棧更高層實現(xiàn)的方案相比，MACsec 硬件加密是延遲最低的安全保護方案。

除了技術(shù)本身，MACsec 模塊滿足行業(yè)標準與合規(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 等級要求，確保在隨機硬件故障或系統(tǒng)性錯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），該標準要求車載網(wǎng)絡(luò)具備持續(xù)安全防護能力，MACsec 通過密鑰管理和安全通道隔離，滿足其對通信機密性、完整性和訪問控制的要求。MACsec 作為一種成熟的安全協(xié)議，能夠幫助主機廠更好地滿足這些標準，契合智能汽車對功能安全與信息安全融合的需求，是構(gòu)建安全、可靠、可擴展車載網(wǎng)絡(luò)的基石。

新思科技汽車級 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，可在云計算、5G、移動和汽車應(yīng)用的交換機、路由器和橋 SoC 中實現(xiàn)機密性、完整性、原始身份驗證和重放保護。這些 MACsec 模塊與 IEEE 802.1AE、IEEE 802.1Qbu 和 IEEE 802.1Q 標準保持一致，基于流水線 AES - GCM 加密，可實現(xiàn)高達 10Gbps 以上的可擴展吞吐量，并實現(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，提供強大的加密和身份驗證功能來保護敏感數(shù)據(jù)。這些汽車級 MACsec 模塊符合 ASIL B 級功能安全要求，可防范隨機和系統(tǒng)性故障。這種合規(guī)性對于汽車安全應(yīng)用至關(guān)重要，因為在這些應(yīng)用中，可靠性和容錯能力是重中之重。同時，這些模塊還滿足 ISO 26262 嚴苛的安全流程和文檔要求，在系統(tǒng)性故障方面達到 ASIL D 功能安全等級。

新思科技汽車級MACsec 模塊框圖，圖源：新思科技

新思科技汽車級 MACsec 模塊不僅滿足嚴苛的功能安全標準，也符合現(xiàn)代車輛對強大網(wǎng)絡(luò)安全措施的強制性要求，遵循 ISO/SAE 21434 網(wǎng)絡(luò)安全標準。該標準要求嚴格的密鑰管理實踐以控制安全通信通道的訪問權(quán)限，并包含持續(xù)監(jiān)控和錯誤檢測機制以維持系統(tǒng)可靠性。通過遵循 ISO/SAE 21434，這些模塊確保所有網(wǎng)絡(luò)安全措施在整個車輛生命周期中得到系統(tǒng)化規(guī)劃、實施和維護，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)險能力。

在實際應(yīng)用中，新思科技汽車級 MACsec 模塊為設(shè)計人員提供符合標準的全雙工解決方案，支持幀搶占、可擴展數(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 標簽等多種功能。并且，這款汽車級 MACsec 模塊可與新思科技以太網(wǎng) MAC 和 PCS IP 無縫集成，支持可擴展的數(shù)據(jù)吞吐量，具有低延遲、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級和多樣性，適用于各種安全以太網(wǎng)連接。


為提升設(shè)計人員的開發(fā)效率，新思科技為汽車級 MACsec 解決方案提供全面的功能安全文檔，包括質(zhì)量手冊、設(shè)計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、安全案例報告、相關(guān)失效分析（DFA）和 ISO 26262 評估報告，幫助設(shè)計人員實現(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，“以太網(wǎng)化” 已成為重塑汽車EE架構(gòu)的核心趨勢，而網(wǎng)絡(luò)安全則是這一進程中不可逾越的關(guān)鍵關(guān)卡。MACsec 憑借其在數(shù)據(jù)鏈路層的硬件級加密能力、出色的完整性校驗與防重放攻擊機制，以及對低延遲、高帶寬的適配性，成為守護車載以太網(wǎng)安全的核心技術(shù)支柱。

新思科技汽車級 MACsec 模塊與 IP 滿足 ISO 26262 功能安全與 ISO/SAE 21434 網(wǎng)絡(luò)安全的嚴苛標準，通過貼合車載場景的深度優(yōu)化，以技術(shù)實力守護車載以太網(wǎng)安全，助力實現(xiàn)更安全、更可靠的智慧出行。