AUTOSAR AP 防火墙（Firewall）规范导读

一、文档内容概述

该文档主要为AUTOSAR AP R23 - 11中自适应平台防火墙的规范，涵盖相关术语缩写，明确其管理和配置主机防火墙、依据清单规则配置引擎及提供运行时接口等功能，介绍与其他功能集群依赖关系，通过需求追溯关联需求与规范章节，详细说明功能规范包括架构、生命周期、网络包检查（含无状态、有状态、深度包检查及各协议检查）、过滤（如允许/阻止列表、速率限制、状态相关过滤）、规则管理、安全事件等，给出API规范（含头文件、数据类型、接口函数等），提及服务接口、清单元素，阐述与其他功能集群接口的相关情况及变更历史。

二、主要功能和服务描述

FC Firewall（功能集群防火墙）的主要功能和服务包括：

1. 管理和配置主机防火墙：在部署自适应平台的ECU上管理和配置主机防火墙。
2. 依据清单规则配置引擎：根据清单中的防火墙规则配置底层防火墙引擎。
3. 网络包过滤：包括无状态、有状态和深度包检查等多种过滤方式。
   • 无状态过滤：检查网络协议头（至OSI层4）并与预期值对比，支持子网或范围匹配，可验证协议校验和，还可通过EtherType检查或基于字节模式的通用检查处理未建模协议。
   • 有状态过滤：针对TCP协议的有状态特性，如超时检查、限制打开连接数以及依据TCP状态机进行状态转换检查。
   • 深度包检查：支持对应用层协议（如SOME/IP、DDS、DoIP）的深度包检查，可检查协议特定字段、长度验证、服务特定信息等，也支持通用深度包检查。
4. 提供运行时接口：提供接口以在运行时动态调整防火墙规则配置，适应不同车辆情境（如驾驶、诊断会话等）。
5. 支持入侵检测系统：通过向IdsM（入侵检测系统管理器）报告安全事件来支持入侵检测系统。
6. 管理防火墙规则：可通过OTA更新或在运行时（当前版本不支持）管理防火墙规则，规则部署通过清单实现。
7. 与其他功能集群交互：使用Intrusion Detection System Manager的EventReporter接口报告标准化安全事件，与其他功能集群进行交互和协同工作。

三、功能集群的含义

在文档的语境中，功能集群（Functional Cluster）是指自适应平台中具有特定功能的一组相关软件组件或模块的集合。

以防火墙功能集群（FC Firewall）为例，它是一个专门负责管理和实现防火墙功能的软件单元集合。这些功能包括但不限于配置底层防火墙引擎、执行网络包的检查和过滤、与其他功能集群（如入侵检测系统管理器）进行交互以报告安全事件、根据车辆状态管理防火墙规则以及提供相应的API等。

功能集群的设计旨在将相关的功能逻辑和操作封装在一起，使得系统架构更加清晰、模块化，便于开发、维护和升级。不同的功能集群可以在自适应平台上独立开发、部署和演进，同时通过定义良好的接口和交互机制，实现各个功能集群之间的协同工作，共同构建一个完整、可靠且灵活的汽车电子系统。每个功能集群专注于特定的任务或领域，从而提高整个系统的可扩展性、可维护性和可重用性。例如，防火墙功能集群专注于保障网络安全，而其他功能集群可能负责车辆的通信管理、诊断服务、应用程序执行等不同方面的功能。

四、防火墙架构

规则模式匹配机制

1. 防火墙规则构成与管理
   • 防火墙管理着一系列的防火墙规则（Firewall Rules），每个规则由预期的网络数据包模式（pattern）和与之关联的动作（action）组成。这些规则是在AUTOSAR方法论中建模定义的。例如，规则可能规定特定源IP地址范围、目的IP地址范围、端口号范围以及协议类型的数据包应该被允许或阻止通过。
   • 防火墙规则是静态部署到机器上的，通过机器清单（Machine Manifest）进行传递。在运行时，防火墙功能集群（FC Firewall）使用这些规则来配置底层的防火墙引擎。
2. 数据包检查与匹配过程
   • 对于每一个经过网络栈（ingress和egress）的网络数据包，防火墙会将其与所有已配置的预期模式（Firewall Rules中的pattern）进行比较。检查顺序是按照元模型配置中防火墙规则的顺序进行迭代，一旦找到第一个匹配的模式，就停止比较。
   • 匹配过程涉及对数据包各个层的协议头信息进行检查，包括数据链路层（DataLinkLayerRule）、网络层（NetworkLayerRule）、传输层（TransportLayerRule）等，以及应用层协议（如SOME/IP、DDS、DoIP）相关规则（如SomeipProtocolRules、DdsRules、DoIpRules等）。只有当所有聚合的各层规则都匹配时，才认为整个防火墙规则匹配成功。例如，一个数据包要匹配某个防火墙规则，其以太网帧的源MAC地址、目的MAC地址、EtherType（如果有定义），IP头中的源IP地址、目的IP地址、协议类型，TCP或UDP头中的端口号等都需要与规则中的相应部分匹配。
   • 如果数据包与某个防火墙规则匹配成功，防火墙将执行该规则关联的动作（如允许数据包继续在网络栈中传输或丢弃数据包）。如果没有规则与数据包匹配（no-match case），防火墙将执行默认动作，默认动作可以是允许或阻止数据包，具体取决于配置（由StateDependentFirewall.defaultAction指定）。

防火墙架构

1. 抽象与配置层
   • FC Firewall作为管理集群，主要起到抽象底层防火墙引擎的作用。它根据从清单中获取的防火墙规则来配置底层的防火墙引擎，使得上层应用和系统无需直接与复杂的防火墙引擎交互，降低了系统的复杂性和耦合度。
   • 防火墙规则的配置是通过读取机器清单中的相关信息来实现的，这些规则决定了防火墙如何对网络数据包进行过滤和处理。
2. 过滤执行层
   • 实际的网络数据包过滤工作由防火墙引擎来执行，防火墙引擎可以在不同层次上实现。一种方式是在操作系统提供的TCP/IP栈内进行数据包检查和过滤，利用操作系统的网络处理能力；另一种方式是借助硬件的检查能力，在硬件层面执行数据包过滤，这种方式可以提供更高的性能；还可以在更接近应用层的较高层次上对数据包进行深度检查，例如检查应用层协议的具体内容。
   • 防火墙引擎支持多种过滤机制，包括无状态过滤（Stateless filtering）、有状态过滤（Stateful filtering）和深度包检查（Deep packet inspection）。无状态过滤主要检查网络协议头字段（如以太网头、IP头、TCP/UDP头）的静态值或范围；有状态过滤针对TCP协议的状态特性，如跟踪连接状态、检查超时、限制打开连接数等；深度包检查则深入到应用层协议（如SOME/IP、DDS、DoIP），检查协议特定字段、服务相关信息以及进行通用的有效载荷检查。
3. 与其他组件交互层
   • FC Firewall与其他功能集群有一定的交互关系。例如，它需要使用Intrusion Detection System Manager（入侵检测系统管理器）的EventReporter接口来报告标准化的安全事件（SEvs）。当防火墙检测到异常的网络数据包（如因规则不匹配而被阻止的数据包）时，会通过这个接口向入侵检测系统发送相关信息，以便进行进一步的安全分析和处理。
   • 防火墙还提供了ara::fw::FirewallStateSwitchInterface API，用于在运行时切换防火墙的状态。应用程序可以通过调用这个API来根据车辆的不同状态（如驾驶、停车、诊断会话等）动态调整防火墙的行为，使得防火墙能够适应不同的车辆运行情境，提供灵活的网络安全策略。例如，在车辆进入诊断模式时，可以切换到特定的诊断防火墙状态，允许诊断设备与车辆诊断系统之间的通信，同时限制其他非必要的网络连接。

四、举例说明

应用场景描述

在一个智能汽车的电子系统中，有多个电子控制单元（ECU），包括负责车辆控制的ECU、信息娱乐系统的ECU以及车辆诊断系统的ECU等。这些ECU之间通过网络进行通信，为了确保车辆网络安全，防止恶意攻击和未经授权的访问，使用功能集群防火墙来保护网络通信。例如，车辆控制ECU只允许接收来自可信源（如其他车辆控制相关ECU）的特定控制指令数据包，信息娱乐系统ECU只能访问特定的网络资源（如音频、视频服务器），车辆诊断系统ECU仅在特定的诊断模式下允许外部设备连接。

C++ 示例代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <thread>
#include <mutex>

// 假设这是一个简化的表示网络数据包的结构体
struct NetworkPacket {
    std::string sourceIP;
    std::string destinationIP;
    int sourcePort;
    int destinationPort;
    std::string protocol;
    // 这里可以添加更多数据包相关的字段，如数据内容等
};

// 模拟防火墙规则结构体
struct FirewallRule {
    std::string action;  // "allow" 或 "block"
    std::string sourceIPRange;
    std::string destinationIPRange;
    int sourcePortRange[2];  // 最小和最大源端口
    int destinationPortRange[2];  // 最小和最大目的端口
    std::string protocol;
};

// 功能集群防火墙类
class Firewall {
public:
    // 初始化防火墙，加载规则等操作可以在这里进行
    Firewall() {
        // 这里可以从配置文件或其他地方加载防火墙规则
        FirewallRule rule1 = {"allow", "192.168.1.0/24", "192.168.2.0/24", {1000, 2000}, {3000, 4000}, "TCP"};
        FirewallRule rule2 = {"block", "10.0.0.0/8", "any", {0, 65535}, {0, 65535}, "UDP"};
        rules.push_back(rule1);
        rules.push_back(rule2);
    }

    // 检查网络数据包是否符合防火墙规则
    bool checkPacket(const NetworkPacket& packet) {
        for (const auto& rule : rules) {
            if ((rule.sourceIPRange == "any" || packet.sourceIP.find(rule.sourceIPRange) == 0) &&
                (rule.destinationIPRange == "any" || packet.destinationIP.find(rule.destinationIPRange) == 0) &&
                (packet.sourcePort >= rule.sourcePortRange[0] && packet.sourcePort <= rule.sourcePortRange[1]) &&
                (packet.destinationPort >= rule.destinationPortRange[0] && packet.destinationPort <= rule.destinationPortRange[1]) &&
                (rule.protocol == "any" || packet.protocol == rule.protocol)) {
                return rule.action == "allow";
            }
        }
        return false;
    }

    // 设置防火墙状态（模拟API中的状态切换功能）
    void setFirewallState(const std::string& state) {
        currentState = state;
        std::cout << "Firewall state set to: " << currentState << std::endl;
    }

private:
    std::vector<FirewallRule> rules;
    std::string currentState;
};

// 模拟一个网络数据包生成函数（这里只是简单生成固定数据包用于测试）
NetworkPacket generatePacket() {
    NetworkPacket packet;
    packet.sourceIP = "192.168.1.10";
    packet.destinationIP = "192.168.2.20";
    packet.sourcePort = 1500;
    packet.destinationPort = 3500;
    packet.protocol = "TCP";
    return packet;
}

// 模拟车辆网络通信函数，用于测试防火墙功能
void vehicleNetworkCommunication(Firewall& firewall, std::mutex& mutex) {
    NetworkPacket packet = generatePacket();
    mutex.lock();
    bool allowed = firewall.checkPacket(packet);
    mutex.unlock();
    if (allowed) {
        std::cout << "Packet allowed to pass through the firewall." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Packet blocked by the firewall." << std::endl;
    }
}

代码说明与防火墙功能及API调用体现

1. 防火墙规则配置与加载（对应防火墙初始化功能）
   • 在Firewall类的构造函数中，模拟了防火墙规则的配置和加载过程。这里创建了两个示例规则，一个允许来自特定IP范围（192.168.1.0/24）到另一个IP范围（192.168.2.0/24），源端口在1000到2000之间，目的端口在3000到4000之间，且协议为TCP的数据包通过；另一个规则阻止来自10.0.0.0/8网段的所有UDP数据包。这类似于防火墙在实际应用中根据配置文件或系统设置加载规则的过程，体现了防火墙规则管理功能。
2. 网络数据包检查（核心过滤功能）
   • checkPacket函数实现了对网络数据包的检查功能，它遍历已配置的防火墙规则，根据源IP范围、目的IP范围、源端口范围、目的端口范围和协议等条件与数据包进行匹配。如果找到匹配规则且动作是allow，则返回true，表示数据包允许通过；否则返回false，表示数据包被阻止。这是防火墙的核心功能之一，用于保护车辆网络免受未经授权的访问。在实际场景中，这个函数会被应用于车辆内部各个ECU之间的通信数据包检查，确保只有符合安全策略的数据包才能在网络中传输。
3. 防火墙状态设置（模拟API中的状态切换）
   • setFirewallState函数模拟了防火墙状态切换的API功能。在实际应用中，防火墙状态可能根据车辆的运行状态（如驾驶、停车、诊断等）进行切换，不同状态下可能应用不同的防火墙规则集。这里通过简单设置一个字符串表示防火墙状态，并打印状态信息，展示了防火墙状态管理功能。例如，在车辆进入诊断模式时，可能会切换到特定的诊断防火墙状态，允许诊断设备与车辆诊断系统ECU之间的通信，同时限制其他非必要的网络连接。
4. 模拟车辆网络通信测试（整体功能测试）
   • generatePacket函数用于生成一个模拟的网络数据包，用于测试防火墙功能。vehicleNetworkCommunication函数模拟了车辆网络中的通信过程，它获取一个数据包，调用防火墙的checkPacket函数检查数据包是否被允许通过，并根据结果打印相应信息。通过在多线程环境下（这里只是简单模拟多线程调用）多次调用这个函数，可以测试防火墙在不同数据包情况下的过滤行为，模拟了实际车辆网络中多个ECU同时进行通信时防火墙的工作场景。例如，在车辆运行过程中，车辆控制ECU可能会不断接收来自其他传感器或控制单元的数据包，防火墙会对这些数据包进行实时检查，确保车辆控制系统的安全性和稳定性。

请注意，上述代码只是一个简化的示例，用于说明功能集群防火墙的主要功能和API调用概念。在实际实现中，防火墙的功能会更加复杂，涉及到更底层的网络编程、与操作系统的交互、更精确的协议解析以及与其他汽车系统组件的集成等。同时，真正的防火墙API也会提供更丰富和精确的功能调用，以满足汽车网络安全的严格要求。