Rust 在汽车 MCU 编程中的进展及安全特性剖析

在当今汽车行业，软件定义汽车的趋势正深刻改变着汽车的设计与用户体验。随着汽车电子系统复杂性的不断提升，对汽车微控制器（MCU）编程的安全性、可靠性和效率提出了更高要求。Rust 作为一种新兴的编程语言，凭借其独特的特性，在汽车 MCU 编程领域逐渐崭露头角，其在安全方面的表现更是备受关注。

一、Rust 在汽车 MCU 编程上的进展

（一）意法半导体与 HighTec 的合作成果

意法半导体（ST）与 HighTec EDV - Systeme 公司的合作成果显著。他们将 HighTec 的 Rust 编译器与意法半导体的 28 纳米 Stellar 微控制器相结合，为汽车行业带来了一套先进的解决方案。这一结合意义重大，Stellar 微控制器基于 Arm Cortex R2 + 内核，具备以安全为核心的硬件架构，且通过了 ISO 26262 ASIL D 级认证，同时符合 ISO 21434 网络安全标准以及 UN155 要求，满足了最新的安全规范。而 HighTec 的 Rust 编译器同样通过了 ISO 26262 ASIL D 级认证，它与 Stellar 微控制器的适配，使得开发者能够将 Rust 代码以及重要的 C/C++ 代码库集成到安全关键项目的 Stellar 芯片上。这不仅加快了安全关键的汽车系统的开发进程，缩短了产品上市时间，还确保了应用严格遵守汽车功能安全和网络安全要求。

HighTec 的 C/C++ 和 Rust 汽车级编译器，为构建汽车应用程序提供了便利。它能够将 Rust 在安全方面的优势与传统 C/C++ 代码进行集成，有助于开发人员充分利用意法半导体 Stellar MCU 的高可靠性和处理性能，适用于具有安全性和多核要求的实时控制环境应用，保障了系统的稳健性、安全性、高性能和数据安全性。

（二）英飞凌的积极推进

2023 年 3 月 7 日，英飞凌宣布其 32 位微控制器 AURIX™系列、TRAVEO™ T2G 系列和 PSoC™ MCU 系列支持 Rust 语言，成为全球领先正式支持 Rust 的半导体公司。英飞凌这一举措极大地推动了 Rust 在汽车 MCU 编程领域的应用。

对于 TRAVEO™，其使用官方 Rust 工具链和 Arm Cortex - M 目标编译器，而英飞凌的工具合作伙伴 HighTec EDV - Systeme 则为 AURIX™开发了专用 Rust 编译器。HighTec Rust 编译器专为 AURIX™ TC3xx 和 TC4x 微控制器量身定制，利用先进的开源 LLVM 技术，为具有安全、可靠、高性能和快速部署要求的应用提供全套 Rust 语言特性，包括内存安全、并发性和互操作性。并且，英飞凌后续还将对 PSoC 和 AURIX TC4x 提供支持，进一步完善其 Rust 生态系统。

英飞凌的 AURIX TC3xx 和 TRAVEO T2G MCU 产品系列本身就提供了广泛的用于功能安全和网络安全的集成硬件功能。引入 Rust 支持后，在软件层面上对这些硬件功能进行了补充。例如，为 AURIX 和 TRAVEO 提供了用于原生访问 MCU 外设的外设访问板条箱（PACS），这些 PACS 可通过工具 svd2rust 生成，并遵循相同的外设访问 API 标准。此外，在 GitHub 上还提供了代码示例，展示了如何在英飞凌 MCU 上使用 Rust，方便开发者学习和实践。

（三）实际项目中的应用案例

在实际项目中，Rust 也展现出了其独特的优势。例如，在一些自动驾驶 ECU 中间件软件的开发中，MCU 部分使用 RTOS 执行实时性要求最高的控制算法，以达到功能安全需要的 ASIL 等级。在这样的系统中，发布订阅服务完全使用 Rust 实现，其实现机制完全基于 Actor 模型，并使用了 Rust 社区知名的 Actor 库 Actix。中间件的底层 IPC 通讯使用 Apache Thrift 的 Rust 版本，提供了共享内存数据通道，让单系统内的多进程能得到更高效的数据传递。

在这个设计中，Rust 语言本身提供的内存安全机制，保证了绝大部分内存问题在编译期间被解决。Actor 设计模式一方面能提供高效的并发模型，另一方面，其监督者机制能够让出问题的 Actor 随时被重启而不影响系统的功能，从软件架构层级提高了软件的稳定性。同时，开发团队还开发了一个可以运行在 RTOS 中的轻量级 “Thrift 运行时” 的 C 语言实现，以及对应的代码生成工具，可以根据 Thrift IDL 生成 C 代码，并实现了 Linux 和 RTOS 之间的数据桥接。通过这样的设计，Rust 和 Actor 模式为系统提供了高性能和高稳定性，这也证明了 Rust 在汽车软件实际开发中的可行性和有效性。

二、Rust 在安全方面的优势

（一）内存安全保障突出

Rust 将内存安全置于首位，其独特的所有权系统规定同一时间只有一个实体可以访问一块内存。这种机制能有效防止许多与内存相关的错误，如缓冲区溢出、空指针解引用等。根据谷歌的安全博客数据，在 2019 年至 2022 年期间，使用 Rust 后内存安全漏洞从 223 个大幅减少到 85 个。如果在汽车固件和软件中广泛应用 Rust，预计汽车行业也会呈现类似的内存安全漏洞显著减少的趋势。在汽车电子系统中，内存安全问题至关重要，因为一个小的内存错误都可能导致严重的后果，例如影响车辆的行驶安全。

以汽车发动机控制单元为例，发动机的运行需要精确控制各种参数，如燃油喷射量、点火时间等。这些控制过程涉及大量的数据处理和内存操作，如果在内存管理上出现问题，如缓冲区溢出，可能导致错误的数据被写入内存，进而使发动机控制出现偏差，影响发动机性能，甚至可能引发安全事故。而 Rust 的内存安全特性可以有效降低因内存问题引发的故障风险，确保发动机控制单元的稳定运行，从而提高汽车电子系统的整体稳定性和可靠性。

（二）运行时效率与 C/C++ 媲美

在执行时间和内存占用方面，Rust 代码的运行时效率可与 C/C++ 相媲美。对于汽车 MCU 编程而言，这一点尤为重要。汽车电子系统对实时性要求极高，例如在发动机控制单元、制动系统等关键部件中，需要程序能够快速响应并高效运行。Rust 在保证内存安全的同时，不牺牲运行效率，使其能够很好地满足汽车 MCU 编程在性能方面的严苛要求，为汽车电子系统的高效运行提供了有力支持。

在汽车的制动系统中，当驾驶员踩下刹车踏板时，制动系统的 MCU 需要迅速处理各种传感器数据，计算出合适的制动力，并控制制动执行机构工作。这一过程对时间延迟极为敏感，稍有延迟就可能影响制动效果。Rust 代码能够以与 C/C++ 相当的效率运行，确保制动系统能够快速响应驾驶员的操作，保障行车安全。而且，Rust 在内存占用上也表现出色，在汽车 MCU 资源有限的情况下，能够合理利用内存，避免因内存占用过多导致系统性能下降。

（三）强大的类型系统和错误处理

Rust 拥有强大的类型系统，它能够在编译阶段检测出许多类型不匹配的错误。在传统的 C/C++ 编程中，类型错误可能在运行时才被发现，这增加了调试的难度和成本。而 Rust 的类型系统能够提前捕获这些错误，提高了代码的可靠性。例如，在定义变量时，Rust 要求明确指定变量的类型，并且在进行类型转换时，需要显式地进行转换操作，这避免了因隐式类型转换导致的错误。

同时，Rust 的错误处理机制也非常强大。它通过 Result 和 Option 枚举类型，提供了一种清晰、安全的方式来处理可能出现的错误。在汽车 MCU 编程中，经常会遇到各种可能出错的情况，如传感器数据读取失败、通信错误等。使用 Rust 的错误处理机制，开发人员可以清晰地定义函数可能返回的错误类型，并在调用函数时进行相应的错误处理，使代码更加健壮，增强了系统的稳定性。

（四）支持并发编程安全

随着汽车电子系统中多核处理器的应用越来越广泛，并发编程变得愈发重要。Rust 在并发编程方面提供了安全的支持，其所有权系统和借用规则能够有效防止数据竞争和死锁等并发问题。在传统的 C/C++ 并发编程中，开发人员需要手动管理锁机制，这容易出现因锁使用不当导致的死锁或数据竞争问题。而 Rust 通过编译器的检查，能够确保在并发环境下，内存访问的安全性。

例如，在汽车的信息娱乐系统中，可能同时存在多个任务，如播放音乐、导航计算、与手机进行蓝牙通信等。这些任务需要并发执行以提高用户体验。使用 Rust 进行编程，可以利用其并发编程特性，确保各个任务在共享资源时不会出现数据冲突，保证信息娱乐系统的稳定运行，为用户提供流畅的使用体验。

三、Rust 在安全方面的劣势

（一）学习曲线陡峭与 “不安全” 特性风险

Rust 的内存安全机制基于全新的所有权等原则，与传统编程语言差异较大，这使得开发人员需要花费更多时间和精力去学习和掌握，从而导致了较陡峭的学习曲线。对于习惯了 C/C++ 编程的汽车行业开发人员来说，理解和适应 Rust 的所有权、借用规则以及生命周期等概念并非易事。这在一定程度上增加了软件开发项目的前期成本和时间投入。例如，开发团队可能需要安排专门的培训课程，让开发人员学习 Rust，并且在项目初期，开发人员可能会因为对 Rust 不熟悉而导致开发效率低下。

并且，Rust 包含 “unsafe ()” 特性，该特性旨在处理一些无法严格遵循 Rust 内存安全规则的特殊情况。然而，这一特性存在被滥用的风险，如果开发人员在不必要的情况下使用该特性，绕过编译器检查，就可能会在代码中留下安全隐患，使得原本因 Rust 特性而避免的内存安全问题重新出现。例如，一些开发人员可能为了追求代码的执行效率，在并非必要的情况下使用 “unsafe ()” 块，从而引入潜在的内存错误，降低了代码的安全性。

（二）语言及工具链存在漏洞风险

尽管 Rust 致力于解决内存安全问题，但 Rust 语言本身及其工具链并非无懈可击。例如，在 2024 年 4 月，曾披露了一个被标识为 CVE - 2024 - 24576 的严重漏洞，该漏洞允许在 Windows 环境中通过 cmd.exe 执行任意代码。此外，编译器生成的机器代码也可能与语言规范不完全一致，或者包含错误，这些都可能在编译过程中引入安全风险，危及源代码的安全性。在汽车 MCU 编程中，任何潜在的漏洞都可能对车辆的安全性造成严重威胁，因此 Rust 语言及工具链的这些漏洞风险不容忽视。

在汽车的自动驾驶系统中，软件的安全性至关重要。如果 Rust 工具链中存在漏洞，可能导致编译后的代码存在安全隐患，在自动驾驶过程中，这些隐患可能引发系统故障，如错误的路径规划、对障碍物的误判等，从而严重威胁行车安全。而且，一旦发现 Rust 语言或工具链中的漏洞，修复这些漏洞并确保其不会对已开发的汽车软件造成负面影响，也是一个复杂且耗时的过程。

（三）生态系统及第三方库带来的安全隐患

Rust 生态系统相对较新，在发展过程中依赖于其他更成熟语言的组件。在复用其他语言组件时，虽然可能会加快开发速度，但这也可能损害 Rust 本身的安全特性。例如，调用其他语言的函数可能会使 Rust 的内存安全保证失效。类似于 Node 包管理器（NPM）生态系统中曾出现的恶意软件包事件，在 Rust 生态系统中也可能发生。在开发汽车电子控制单元（ECU）固件时，如果大量使用第三方库，虽然能够加快交付速度，但也极有可能引入潜在的安全漏洞，对汽车系统的安全性构成威胁。

在开发汽车的电池管理系统时，可能会使用一些第三方的 Rust 库来处理电池数据的采集和分析。如果这些第三方库存在安全漏洞，比如存在数据泄露风险或者对电池状态的误判逻辑，那么可能会导致电池管理系统出现故障，影响电池的使用寿命，甚至可能引发电池过热等安全问题。而且，由于 Rust 生态系统中第三方库的质量参差不齐，开发人员在选择和使用第三方库时，需要花费大量时间进行审查和测试，以确保其安全性。

（四）无法应对非内存相关安全问题

虽然 Rust 在解决内存相关安全问题上表现出色，但在整个软件安全领域，内存相关问题只是其中一部分。在 2023 年十大常见弱点枚举（CWE）中，内存相关问题仅占一半，这意味着另一半的安全问题与内存安全无关。Rust 无法缓解诸如输入验证不足等设计缺陷，而这类缺陷可能导致命令注入或通过路径遍历进行未经授权的访问。例如，在汽车的远程控制系统中，如果对用户输入的指令没有进行充分的验证，黑客就可能通过发送恶意指令，实现对车辆的非法控制。

此外，Rust 对于针对硬件的攻击，如侧信道攻击（利用系统物理实现泄露的信息）或故障注入（故意向系统中引入错误），也无能为力。例如，2023 年 8 月，柏林工业大学的研究人员成功对特斯拉的硬件进行了电压毛刺攻击，绕过了安全启动协议，此类攻击就超出了 Rust 能够防范的范围。在汽车面临越来越多网络安全威胁的今天，Rust 在非内存相关安全问题上的局限性，使得其在保障汽车系统全面安全方面存在一定的不足。

四、应对 Rust 在汽车 MCU 编程中安全劣势的策略

（一）针对学习曲线和 “不安全” 特性的策略

针对 Rust 学习曲线陡峭的问题，汽车行业的企业可以采取一系列措施。首先，组织内部培训课程，邀请 Rust 领域的专家为开发人员进行系统的培训，从基础知识到实际项目案例，逐步引导开发人员掌握 Rust 编程。其次，可以鼓励开发人员参与开源的 Rust 汽车项目，通过实践来加深对 Rust 的理解和运用。同时，建立内部的 Rust 开发社区，让开发人员可以在社区中交流经验、分享问题解决方案，促进共同学习和成长。

对于 “unsafe ()” 特性的滥用风险，企业应制定严格的代码审查制度。在代码审查过程中，重点关注 “unsafe ()” 块的使用情况，要求开发人员详细说明使用该特性的必要性和安全性措施。对于不必要的 “unsafe ()” 使用，及时进行纠正。此外，开发团队可以封装一些安全的 Rust 库，将常用的功能进行抽象，避免开发人员在不必要的情况下直接使用 “unsafe ()” 特性，降低代码的安全风险。

（二）应对语言及工具链漏洞的策略

为了应对 Rust 语言及工具链可能存在的漏洞，企业需要密切关注 Rust 官方发布的安全公告，及时了解和评估新出现的漏洞对汽车项目的影响。建立漏洞预警机制，一旦发现相关漏洞，能够迅速采取措施。例如，及时更新 Rust 编译器和工具链版本，以获取修复漏洞的补丁。同时，在每次更新后，进行全面的回归测试，确保更新不会对已有的汽车软件功能造成负面影响。

此外，企业可以投入一定资源参与 Rust 社区的安全研究，与 Rust 开发者共同探讨和解决潜在的安全问题。通过反馈使用过程中发现的问题，为 Rust 语言及工具链的完善贡献力量，同时也能提高自身在应对相关漏洞时的能力和话语权。

（三）解决生态系统及第三方库安全隐患的策略

在使用 Rust 生态系统中的第三方库时，企业应建立严格的第三方库审查流程。在引入第三方库之前，对其进行全面的安全审查，包括代码质量、漏洞扫描、依赖关系分析等。选择知名、活跃且有良好口碑的第三方库，降低安全风险。并且，定期对已使用的第三方库进行更新和安全复查，确保其安全性始终得到保障。

另外，企业可以考虑自主开发一些核心的 Rust 库，减少对外部第三方库的依赖。对于一些关键的汽车软件功能，如车辆控制算法、安全通信协议等，通过自主开发库来实现，这样可以更好地控制代码的安全性和质量。同时，在开发过程中，遵循严格的安全规范和设计原则，提高代码的可靠性。

（四）弥补非内存相关安全问题防护不足的策略

针对 Rust 无法应对非内存相关安全问题的局限性，企业需要在整体软件设计和安全防护体系上进行补充。在软件设计阶段，加强对输入验证、访问控制等方面的设计，采用安全的设计模式和架构，避免出现常见的设计缺陷。例如，在设计汽车信息娱乐系统的用户交互模块时，对用户输入进行严格的格式验证和权限检查，防止恶意输入导致的安全问题。

在安全防护体系方面，引入其他安全工具和技术。例如，使用入侵检测系统（IDS）来监测车辆网络中的异常流量，及时发现和阻止可能的攻击行为。对于硬件层面的攻击，采用硬件防护技术，如加固硬件设计、增加物理防护措施等，降低硬件被攻击的风险。通过综合运用多种安全手段，弥补 Rust 在非内存相关安全问题防护上的不足，构建全面的汽车系统安全防护体系。

Rust 在汽车 MCU 编程领域已经取得了一定的进展，并且在内存安全保障、运行时效率、类型系统和并发编程等方面展现出明显优势。然而，其在安全方面也存在诸多劣势，如学习曲线、“不安全” 特性、语言及工具链漏洞、生态系统与第三方库隐患以及对非内存相关安全问题的局限性等。在未来汽车 MCU 编程中应用 Rust 时，需要充分权衡其优势与劣势。