Figure 4.1: Ethernet Frame including MACsec integrity and optionally confidentiality protection.

1. Diagrammtyp & Architektur-Kontext

• Klassifikation: Protokoll- und Frame-Layout / PDU-Strukturdiagramm (Data-Link Layer 2 Security gemäß IEEE 802.1AE).
• Technischer Zweck: Spezifikation des Ethernet-Frame-Formats für MACsec (Media Access Control Security) im Kontext von AUTOSAR Adaptive (und Classic) Platform.
• Architektonische Einordnung:
  • Schichtenmodell: Liegt direkt auf Layer 2 (Data Link Layer) zwischen MAC-Sublayer und Network Layer (IPv4/IPv6, SOME/IP, DoIP, AVB/TSN).
  • Wirkungsebene: Sichert die Punkt-zu-Punkt- bzw. Switch-zu-Endknoten-Kommunikation gegen Man-in-the-Middle-, Eavesdropping- und Replay-Angriffe ab.
  • Plattform-Verankerung:
    • AUTOSAR Adaptive Platform: Anbindung typischerweise über den Linux-Kernel (macsec-Modul), Hardware-Offloading im Ethernet-Controller/Switch oder hardwarenahe Treiber (Crypto-/Network-Daemon, z. B. wpa_supplicant mit MKA / IEEE 802.1X).
    • AUTOSAR Classic Platform: Relevanz in EthIf / EthDriver / Crypto Stack (CSM/CRYIF/Crypto Driver) bzw. dedizierten MACsec-Hardware-Beschleunigern (Offload im PHY/MAC).

2. Komponenten, Entitäten & Schnittstellen

Das Schaubild definiert die exakte Byte-Zerlegung und die kryptografischen Wirkbereiche des MACsec-Frames:

• Frame-Header (Unverschlüsselt, Integritätsgeschützt):
  • DMAC (Destination MAC, 6 Bytes): Ziel-MAC-Adresse. Fließt als Additional Authenticated Data (AAD) in die ICV-Berechnung ein.
  • SMAC (Source MAC, 6 Bytes): Quell-MAC-Adresse. Ebenfalls AAD.
• SecTAG (Security Tag, 8 oder 16 Bytes):
  • Kennzeichnet den Frame als MACsec-Frame und steuert die Assoziation zur Security Association (SA).
  • Sub-Felder des SecTAG:
    • MACsec EtherType (2 Bytes): Fest kodiert auf 0x88E5 gemäß IEEE 802.1AE.
    • TCI + AN (1 Byte): TAG Control Information (Bits für Versionsnummer, ES = End Station, SC = Secure Channel Identifier Present, SCB = Single Copy Broadcast, E = Encryption, C = Changed Text) kombiniert mit der Association Number (2 Bits, Kennung der aktiven SA im Secure Channel).
    • SL (1 Byte): Short Length. Definiert die Payload-Länge bei Frame-Größen unter 48 Bytes (verhindert Padding-Verfälschungen); 0, wenn Payload ≥ 48 Bytes.
    • PN (4 Bytes): Packet Number. Monoton steigender Zähler für Replay-Schutz (32-Bit Standard; bei Extended Packet Numbering / XPN 64-Bit).
    • SCI (optional) (8 Bytes): Secure Channel Identifier. Setzt sich zusammen aus der 6-Byte MAC-Adresse des Senders und einem 2-Byte Port Identifier. Entfällt (Bit SC = 0 im TCI), wenn Point-to-Point-Verbindungen vorliegen und der SCI implizit aus SMAC abgeleitet wird; dadurch reduziert sich das SecTAG von 16 auf 8 Bytes.
• Payload- und VLAN-Bereich (Verschlüsselung optional, Integrität obligatorisch):
  • 802.1Q (4 Bytes): Optionales VLAN-Tag (TPID + TCI). Befindet sich hinter dem SecTAG und ist somit der Vertraulichkeit (Verschlüsselung) unterworfen.
  • Payload (variabel, 46–1500+ Bytes): Eigentliche Nutzdaten (z. B. IP-Pakete, SOME/IP).
• Sicherheits- und Prüffelder:
  • ICV (16 Bytes / 128 Bits): Integrity Check Value. Authentifizierungstag, erzeugt durch AEAD (üblicherweise AES-GCM-128 oder AES-GCM-256).
  • CRC (4 Bytes): Standard-Ethernet-FCS (Frame Check Sequence, IEEE 802.3). Wird über den gesamten Frame (inkl. SecTAG und ICV) berechnet.

3. Dynamisches Verhalten & Sequenzablauf

TX-Pfad (Frame-Generierung & Kapselung)

1. PDU-Übergabe: Übergabe des unverschlüsselten L2-Frames (Payload inkl. optionalem 802.1Q-VLAN-Tag) vom Network Layer an den MACsec-Sublayer/Treiber.
2. SA-Selektion & PN-Inkrement:
   • Ermittlung des passenden Secure Channel (SC) anhand des Zielkontexts.
   • Auswahl der aktiven Security Association (SA) über die AN (0–3).
   • Monotone Erhöhung der PN. Bei Überlauf (2^32-1 bzw. 2^64-1 bei XPN) muss ein SA-Key-Rollover (via MKA / IEEE 802.1X) erfolgen; andernfalls wird die SA invalidiert und der TX-Pfad blockiert.
3. SecTAG-Konstruktion: Serialisierung von EtherType (0x88E5), TCI/AN, SL, PN und ggf. SCI.
4. AEAD-Transformation:
   • AAD (Additional Authenticated Data): DMAC + SMAC + SecTAG.
   • Plaintext: 802.1Q + Payload.
   • Verschlüsselung (Confidentiality ON): Verschlüsselung der Plaintext-Daten via AES-GCM; Generierung des 16-Byte ICV.
   • Nur Integrität (Confidentiality OFF): Nutzdaten bleiben im Klartext; Generierung des 16-Byte ICV über alle Felder (DMAC bis Payload).
5. Frame-Finalisierung: Anhängen des ICV und abschließende Berechnung der Ethernet-CRC über den gesamten physischen Frame.

RX-Pfad (Validierung & Entkapselung)

1. CRC-Prüfung: Standardmäßige Layer-1/2-Validierung.
2. SecTAG-Inspektion:
   • Auswertung des EtherTypes (0x88E5).
   • SCI-Auflösung (entweder explizit aus SecTAG oder implizit aus SMAC).
   • Bestimmung der zuständigen SA anhand von SCI und AN.
3. Replay-Window-Check:
   • Validierung der PN gegen das konfigurierte Replay-Fenster. Liegt PN außerhalb des zulässigen Fensters oder ist dupliziert → Frame Drop, Inkrementierung von Fehlermetriken.
4. ICV-Verifikation & Entschlüsselung:
   • Prüfung des ICV via AES-GCM.
   • Fehlschlag: Frame verworfen, Audit-Log/Security-Event an SM/IDS (Security Event Memory).
   • Erfolg: Freigabe der entschlüsselten Nutzdaten (802.1Q + Payload) an den oberen Stack (z. B. TCP/IP-Stack).

4. Normative Relevanz & Entwickler-Hinweise

• MTU- und Overhead-Kompensation (Buffer Sizing):
  • MACsec fügt 24 bis 32 Bytes Overhead pro Ethernet-Frame hinzu:
    • SecTAG: 8 Bytes (ohne SCI) bzw. 16 Bytes (mit SCI).
    • ICV: 16 Bytes.
  • Auswirkung: Die maximale Transmission Unit (MTU) muss entweder im TCP/IP-Stack um 24–32 Bytes reduziert werden (Vermeidung von L3-Fragmentierung), oder Ethernet-Controller/Switches müssen auf Jumbo Frames bzw. Babyling-Giant-Frames (mindestens 1532 bzw. 1536 Bytes) konfiguriert werden.
• VLAN-Sichtbarkeit im Netzwerk (802.1Q Position):
  • Da sich das 802.1Q-Tag hinter dem SecTAG befindet, wird der VLAN-Header mitverschlüsselt (bzw. verborgen).
  • Einschränkung: Zwischengeschaltete Standard-Ethernet-Switches können kein VLAN-basiertes QoS/VLAN-Switching auf Basis dieses Tags durchführen, es sei denn, sie agieren als authentifizierte MACsec-Endpunkte (Hop-by-Hop MACsec) oder das VLAN-Tag wird vor dem SecTAG platziert (Provider Bridging Style / WAN-Mode).
• Hardware-Offloading vs. CPU-Last:
  • Software-basierte AES-GCM-Transformation für 100BASE-T1 / 1000BASE-T1 führt auf Embedded-Mikrocontrollern (CP) oder Applikationsprozessoren (AP) ohne Kryptobeschleunigung zu massiven Latenzen und hohem Core-Load.
  • Architektur-Anforderung: Primär Hardware-Offloading im Ethernet-MAC (z. B. Synopsys DWC QoS, NXP S32G PFE) oder MACsec-fähigen PHYs nutzen.
• Key Management (MKA) & TSN/PTP-Interaktion:
  • Schlüsselvereinbarung erfolgt asynchron über das MACsec Key Agreement Protocol (MKA, IEEE 802.1X-2010).
  • Präzisions-Timing (IEEE 802.1AS / PTP): PTP-Timestamping muss Hardware-seitig vor der Verschlüsselung bzw. nach der Entschlüsselung erfolgen oder PTP-Frames müssen per Security-Policy von MACsec ausgenommen (Bypass) werden, um Jitter durch Krypto-Engines zu verhindern.