AUTOSAR_AP_EXP_IPsecImplementationGuidelines
FIG-99b43c29687b5672
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Figure 2.2: Encapsulating Security Payload (ESP) frame
SHA-256 Inhalts-Fingerabdruck:
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KI-generierte Bildanalyse & technische Beschreibung
Modell: gemini-3.8-flash (via agy) · Rezept figure-series@1 · erstellt am 2026-10-08
1. Diagrammtyp & Architektur-Kontext
- Diagrammtyp: Protokoll-/PDU-Layout (Paket- und Kapselungsformat gemäß IETF RFC 4303 im AUTOSAR-Kontext).
- Architektur-Kontext: AUTOSAR Adaptive Platform (
AUTOSAR_AP_EXP_IPsecImplementationGuidelines). Spezifiziert die Kapselungsstrukturen sowie die kryptografischen Schutzgrenzen (Vertraulichkeit vs. Authentizität/Integrität) des Encapsulating Security Payload (ESP) Protokolls für die abgesicherte fahrzeuginterne und fahrzeugexterne IP-Kommunikation (z. B. SOME/IP, DoIP, HTTP/REST). - Technischer Zweck: Gegenüberstellung der Frame-Struktur und der Wirkbereiche von Verschlüsselung und Signierung/Integritätsprüfung für:
- Transport Mode: End-to-End-Absicherung zwischen zwei kommunizierenden Endknoten (Host-to-Host).
- Tunnel Mode: Kapselung vollständiger IP-Pakete (Security Gateway / Host-to-Gateway / Gateway-to-Gateway).
2. Komponenten, Entitäten & Schnittstellen
- Strukturelemente (Felder & Layer-Segmente):
- IP Header (blau):
- Transport Mode: Originaler IPv4- (RFC 791) bzw. IPv6-Header (RFC 8200). Feld
Protocol(IPv4) bzw.Next Header(IPv6) wird auf50(ESP) gesetzt. - Tunnel Mode: Neuer äußerer IP-Header (Outer Header), adressiert die Tunnelendpunkte (z. B. Telematics-Gateway).
- Transport Mode: Originaler IPv4- (RFC 791) bzw. IPv6-Header (RFC 8200). Feld
- ESP Header (gelb/orange): Enthält Security Parameters Index (SPI, 32 Bit) zur Zuordnung der Security Association (SA) sowie die Sequence Number (32 Bit, Replay-Schutz).
- IP Header (dunkelgrün, nur Tunnel Mode): Ursprünglicher innerer IP-Header (Inner Header) mit den Original-Endpunkt-Adressen der Applikation.
- IP Payload (hellgrün): Nutzdaten der Transportschicht (TCP-Segmente, UDP-Datagramme inkl. SOME/IP-Payloads, ICMP-Nachrichten).
- ESP Trailer (gelb/orange): Beinhaltet Padding (Auffüllbytes zur Erfüllung von Cipher-Blockgrößen/4-Byte-Alignment), Pad Length (1 Byte) und Next Header (1 Byte, identifiziert das gekapselte Protokoll, z. B. 6 für TCP, 17 für UDP, 4 für IPv4-in-IPv4, 41 für IPv6-in-IPv4).
- ESP Auth Trailer (rotbraun): Enthält den Integrity Check Value (ICV), d. h. den kryptografischen MAC (z. B. HMAC-SHA-256) oder das Authentication-Tag bei AEAD-Verfahren.
- IP Header (blau):
- Schutzbereich-Beziehungen (Kryptografische Grenzen):
- Encrypted by ESP header (Vertraulichkeit):
- Transport Mode: Erstreckt sich ab Beginn der
IP payloadüber den gesamtenESP trailer. - Tunnel Mode: Erstreckt sich ab Beginn des inneren
IP header(gesamtes inneres IP-Paket) über dieIP payloadbis zum Ende desESP trailer.
- Transport Mode: Erstreckt sich ab Beginn der
- Signed by ESP trailer (Integrität & Origin Authentication):
- In beiden Modi identisch definiert: Erstreckt sich vom Beginn des
ESP headerüber die verschlüsselte Payload bis zum Ende desESP trailer. - Abgrenzung: Der äußere IP-Header bleibt unauthentifiziert (Unterschied zum Authentication Header / AH, RFC 4302). Der
ESP Auth trailer(ICV) selbst ist nicht Teil der HMAC-Berechnung, sondern trägt das Ergebnis.
- In beiden Modi identisch definiert: Erstreckt sich vom Beginn des
- Encrypted by ESP header (Vertraulichkeit):
3. Dynamisches Verhalten & Sequenzablauf
- Tx-Pfad (Paketversand / Egress):
- Policy-Matching: Socket/Stack leitet Paket an IPsec-Subsystem; Security Policy Database (SPD) triggert Zuordnung zu einer Security Association (SA) in der Security Association Database (SAD).
- Kapselung:
- Bei Tunnel Mode: Ursprüngliches Paket wird als inneres IP-Paket gekapselt.
- Trailer-Generierung: Padding berechnen (Alignment gemäß Algorithmus, z. B. AES-CBC 128 Bit Blockgröße),
Pad LengthundNext Headersetzen.
- Verschlüsselung: Symmetrische Verschlüsselung des Bereichs (
IP Payload+ESP Trailerbzw. innererIP Header+IP Payload+ESP Trailer). - Header-Generierung: ESP-Header voranstellen (SPI aus SA, Sequence Number inkrementieren).
- Integritätssicherung: ICV über
ESP HeaderbisESP Trailerberechnen und alsESP Auth Traileranhängen (entfällt als separater Schritt bei integrierten AEAD-Ciphers wie AES-GCM). - IP-Framing: Äußerer IP-Header voranstellen; Übergabe an Ethernet-Treiber / Network Interface.
- Rx-Pfad (Paketempfang / Ingress):
- Erkennung
Protocol/Next Header == 50im äußeren IP-Header. - SA-Lookup in SAD anhand Ziel-IP und SPI aus dem ESP-Header.
- Anti-Replay-Prüfung über Sequence Number gegen das konfigurierte Sliding-Window.
- Verifikation des ICV (
ESP Auth Trailer) über den signierten Bereich. Bei Mismatch: Verwerfen des Pakets, Fehlereintrag / Security-Event. - Entschlüsselung des Chiffrats.
- Padding-Entfernung, Auswertung des
Next Header-Felds aus dem ESP-Trailer und Übergabe an L4-Protokollstack (Transport Mode) bzw. Re-Routing des inneren IP-Pakets (Tunnel Mode).
- Erkennung
4. Normative Relevanz & Entwickler-Hinweise
- MTU-Budgetierung & Fragmentierungsvermeidung:
- ESP erzeugt dynamischen Frame-Overhead: ESP Header (8 Byte) + IV (typ. 8–16 Byte) + Padding (0–255 Byte) + Trailer (2 Byte) + ICV (typ. 12–16 Byte).
- Im Tunnel Mode addieren sich zusätzlich 20 Byte (IPv4) bzw. 40 Byte (IPv6) für den äußeren IP-Header.
- Konsequenz: Maximal nutzbare TCP-MSS bzw. maximale UDP-Payload-Größe (z. B. SOME/IP TP PDU-Limits) muss zwingend reduziert konfiguriert werden, um IP-Fragmentierung im Automotive-Ethernet (typ. MTU 1500 Byte) zu verhindern.
- Architekturauswahl Transport vs. Tunnel Mode:
- Transport Mode: Zu wählen für direkte ECU-zu-ECU-Verbindungen (Host-to-Host) auf der Adaptive Platform zur Minimierung von Latenz und 20/40 Byte Header-Overhead.
- Tunnel Mode: Verbindlich bei Gateway-Knoten, die Subnetze (z. B. Domänen-Controller zu Telematik-Einheit) absichern oder fahrzeugexterne VPN-Tunnel terminieren.
- Hardware-Offloading & Performance:
- AES-GCM (AEAD) wird in AUTOSAR AP bevorzugt, da Encryption und Authentication in einem Durchlauf erfolgen.
- Embedded-Entwickler müssen sicherstellen, dass der POSIX-Kernel (Linux/QNX) Crypto-Engines (z. B. per XFRM-Offload auf SoC/Crypto-Beschleunigern wie NXP HSE, TI HSM) nutzt, da Software-ESP den CPU-Budgetrahmen bei hohem SOME/IP-Durchsatz überschreitet.
- Transparenz für Applikationen:
- Der IPsec-Betrieb erfolgt für Applikationsentwickler (
ara::com, POSIX-Sockets) vollständig transparent auf Netzwerkstack-Ebene; Security-Richtlinien werden deklarativ in der Maschinen-/Netzwerkkonfiguration hinterlegt.
- Der IPsec-Betrieb erfolgt für Applikationsentwickler (
Zugeordnete Anforderungen
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