Figure 4.2: MACsec communication between Peer1 and Peer2, with a switch in between.

1. Diagrammtyp & Architektur-Kontext

• Klassifikation: Netzwerk-Topologiediagramm / L2-Sicherheitsarchitektur (Hop-by-Hop Link Layer Security gemäß IEEE 802.1AE / AUTOSAR AP MACsec).
• Technischer Zweck: Visualisierung des Segmentierungs- und Terminierungsprinzips von MACsec bei Verwendung zwischengeschalteter Ethernet-Switches (Bridges).
• Funktionale Einordnung: Verdeutlicht, dass MACsec auf Schicht 2 (Data Link Layer) strikt link-basiert arbeitet. Im Gegensatz zu höheren Schichten (IPsec / TLS) kann ein MACsec-Frame nicht transparent durch Standard-Switches transportiert werden; der Switch terminiert die Security Association (SA) an Ingress-Ports und re-verschlüsselt an Egress-Ports.

2. Komponenten, Entitäten & Schnittstellen

• Peer1 (Endknoten / Sender):
  • AUTOSAR-Knoten (z. B. Adaptive Machine mit AUTOSAR AP Network Stack).
  • Beinhaltet eine MACsec-Instanz (SecY – Security Entity) sowie Schlüsselmaterial (SAK/CAK, symbolisiert durch Schlüssel-Icon).
• Switch (Zwischengeschaltete Layer-2-Bridge):
  • MACsec-fähiger Ethernet-Switch mit Hardware-Support (SecY-fähige MAC/PHY-Hardware).
  • Port1 (Ingress-Port): Schnittstelle mit eigener kryptografischer Terminierungs-Entität und zugeordnetem Schlüssel zur Absicherung des Links zu Peer1.
  • Port2 (Egress-Port): Schnittstelle mit separater kryptografischer Kapselungs-Entität und separatem Schlüssel zur Absicherung des Links zu Peer2.
  • Switch Core (interner Switching Fabric): Frame-Weiterleitung erfolgt im Klartext zwischen Port1 und Port2 (keine Verschlüsselung innerhalb der Switch-Backplane).
• Peer2 (Endknoten / Empfänger):
  • Ziel-ECU/Host mit MACsec-Terminierung und eigenem Schlüsselmaterial.
• Sicherheitsbeziehungen:
  • Link 1 (Peer1 ↔ Port1): Autonome Connectivity Association (CA) mit eigenem Secure Channel (SC) und spezifischem Session-Schlüssel (roter Richtungspfeil mit Shield-Icon: verschlüsselter/integritätsgeschützter L2-Traffic).
  • Link 2 (Port2 ↔ Peer2): Zweite, unabhängige CA/SC mit separatem Schlüsselmaterial.

3. Dynamisches Verhalten & Sequenzablauf

1. Initialisierung & Key Agreement (MKA):
   • Link 1: MKA-Protokoll (IEEE 802.1X / EAPoL) handelt zwischen Peer1 und Port1 einen gemeinsamen Secure Association Key (SAK) aus.
   • Link 2: Separater MKA-Handshake handelt unabhängig einen SAK zwischen Port2 und Peer2 aus.
2. Senden an Hop 1 (Peer1 → Port1):
   • Peer1 (SecY) kapselt Ethernet-Frames: Einfügen von SecTAG (Security Tag inkl. Packet Number PN und Short Secure Channel Identifier) und Berechnung des ICV (Integrity Check Value) via AES-GCM. Nutzdaten (Payload) werden optional/konfiguriert verschlüsselt.
   • Übertragung über das physische Medium (MII/RGMII/100/1000Base-T1).
3. Ingress-Verarbeitung im Switch (Port1):
   • Port1 validiert SecTAG, prüft Replay-Schutz anhand der Ingress-PN und verifiziert die Integrität (ICV).
   • Entschlüsselung des Payloads in den Klartext.
4. Switching & Egress-Verarbeitung (Port1 → Port2):
   • Der Switch leitet den ungeschützten Ethernet-Frame anhand der MAC-Address-Table (FDB) und VLAN-Konfiguration an Port2 weiter.
   • Port2 führt eine neue MACsec-Kapselung aus: Zuweisung einer neuen, lokalen Link-2-PN, Verschlüsselung mit dem SAK von Link 2 und Anhängen eines neuen ICV.
5. Empfang an Hop 2 (Port2 → Peer2):
   • Peer2 verifiziert und entschlüsselt den Frame unter Verwendung des Schlüssels von Link 2 und übergibt die Plaintext-PDU an den oberen Stack (z. B. TCP/IP, ara::com).

4. Normative Relevanz & Entwickler-Hinweise

• Trust-Modell & Sicherheitsgrenzen:
  • Da MACsec Link-Sicherheit bietet, ist der Switch Teil der Trust-Boundary. Wird der Switch kompromittiert, sind die Daten im Klartext abgreifbar/manipulierbar. Falls Zero-Trust über Switches hinweg gefordert ist, muss zusätzlich End-to-End-Sicherheit auf höheren Schichten eingesetzt werden (z. B. IPsec, TLS oder SecOC auf Application-Ebene).
• Hardware-Offloading & Determinismus:
  • Wegen der doppelten Transformation (Entschlüsselung an Port 1, Re-Verschlüsselung an Port 2) müssen Switch-Ports und Endknoten Hardware-Offloading (SecY in Hardware/ASIC/PHY) unterstützen. Software-Kapselung führt bei Automotive Ethernet zu inakzeptabler Latenz, Jitter und CPU-Last.
• Entkopplung der Sequenznummern (Replay Protection):
  • Die Packet Numbers (PN) sind link-lokal. Ein Replay-Schutz-Drop auf Hop 2 ist völlig unabhängig von Hop 1.
• Schlüsselmanagement-Aufwand:
  • Es existiert kein globaler Key zwischen Peer1 und Peer2. Das Key-Management-System (z. B. über ara::crypto oder dedizierte Key-Distribution-Services) muss zwei disjunkte Key-Paare/Pre-Shared-Keys verwalten und synchronisieren (Peer1-zu-Switch und Switch-zu-Peer2).