《IEEE Access》：Design and Implementation of ROS2 Security Module for Performance and Security Harmonization
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本文针对机器人操作系统ROS2面临的安全挑战，提出了一种新型安全模块ROS2Sec。该研究通过集中式认证管理、基于组的访问控制和消息级AES-GCM加密技术，在保证安全性的同时将安全凭证数量从SROS2的7个减少到3个，并实现约9%的通信延迟降低。这项工作为ROS2系统提供了既安全又高效的实际解决方案，对保障机器人系统安全运行具有重要意义。
随着机器人在各个行业的广泛应用，机器人操作系统ROS2已成为机器人软件开发的重要平台。然而，网络化通信带来的安全漏洞使得机器人系统面临严重威胁。恶意节点可能利用认证和访问控制机制的缺失，窃听或篡改通信数据，甚至导致机器人异常运行，危及操作人员和环境安全。
现有安全方案SROS2虽然提供了一定保护，但存在两个主要问题：每个节点需要管理7个安全凭证，系统规模扩大时管理复杂度急剧增加；同时，DDS安全的三层加密机制导致通信性能显著下降，特别是在订阅者数量增多时延迟急剧上升。
针对这些挑战，江原国立大学的研究团队在《IEEE Access》上发表了创新性研究成果，提出了ROS2Sec安全模块。该模块通过架构优化实现了安全与性能的平衡，为ROS2系统提供了更加实用的安全解决方案。
研究团队采用了几项关键技术方法：基于X.509证书的集中式认证管理，将安全凭证减少到每设备3个；基于SHA-256的组访问控制标识符验证机制；以及ROS2消息级的AES-GCM加密算法。实验在真实ROS2环境中进行，使用TurtleBot3机器人和多台PC机构建测试平台。
实验设置与安全验证
研究团队构建了包含Root CA(PC1)、受害者设备(PC2和TurtleBot3)和攻击者设备(PC3)的实验环境。通过四种攻击场景验证ROS2Sec的安全性：未授权订阅、未授权发布、中间人攻击和重放攻击。实验结果显示，ROS2Sec成功阻止了所有攻击尝试，而普通ROS2系统则容易受到攻击。
模糊测试与鲁棒性评估
研究还进行了全面的模糊测试，涵盖网络协议、ROS2消息、证书、加密密钥和访问控制标识符五个类别。ROS2Sec成功处理了所有异常输入，包括2800多个测试用例，证明了其在真实环境中的稳定性和鲁棒性。
通信性能评估
实验1比较了三种配置的往返时间：基础ROS2(4.980ms)、SROS2(5.909ms)和ROS2Sec(5.340ms)。ROS2Sec比SROS2延迟降低约9%，且避免了SROS2在认证过程中的消息丢失问题。
实验2评估了订阅者数量增加时的通信延迟。当订阅者达到10个时，SROS2延迟上升至1.712ms，而ROS2Sec保持稳定的1.363ms。在吞吐量方面，ROS2Sec维持在5.0050消息/秒，与基础ROS2性能相当，而SROS2则下降至4.9699消息/秒。
研究结论表明，ROS2Sec模块成功解决了SROS2在安全凭证管理和通信性能方面的局限性。通过集中式认证架构和优化的加密策略，在保证安全性的同时显著提升了系统性能。该方案不仅能够有效防御多种网络攻击，还保持了ROS2通信的实时性要求，为机器人系统的大规模安全部署提供了实用解决方案。
未来工作将重点扩展ROS2Sec的适用范围，包括增加主题信息加密机制、密钥撤销和更新功能，进一步提升系统的长期安全性。这项研究为ROS2安全架构设计提供了重要参考，推动了安全机器人系统的发展。
