1. 课程导入

机器人正在从工厂围栏内走向仓储、医院、商场、农田甚至家庭。它们不再只是执行固定轨迹的机械装置，而是通过 Wi-Fi、5G、蓝牙、ROS 2、MQTT、OPC UA 等通道与云端、边缘控制器、调度系统和移动应用持续交换数据。一旦通信链路、控制逻辑或固件更新环节被攻击者利用，机器人就可能出现任务篡改、轨迹偏移、传感器欺骗、急停失效，甚至被批量劫持。因此，机器人安全的核心不是“给机器人装一个杀毒软件”，而是围绕资产、威胁、脆弱性、攻击路径与防护控制建立可复用的建模与防护体系。

一、核心概念：从机器人系统到威胁模型

机器人网络威胁建模，是对机器人本体、控制器、传感器、执行器、通信链路、边缘网关、云平台和运维工具进行结构化分析，识别其中可能被攻击的入口、信任边界和关键数据，并据此推导攻击路径与防护策略的过程。它包含五个基础概念：

• 资产：需要保护的对象，如运动控制指令、激光雷达点云、视觉模型、固件、标定参数、安全急停回路、任务调度数据。
• 信任边界：不同信任级别区域之间的接口，如现场总线与工业以太网之间、边缘网关与云平台之间、运维笔记本与控制器之间。
• 威胁：可能造成损害的事件，如未授权控制、重放攻击、中间人篡改、固件植入、拒绝服务、数据泄露。
• 脆弱性：可被威胁利用的弱点，如默认口令、未加密的 ROS 2 DDS 通信、开放调试端口、未签名固件、过宽的网络访问策略。
• 风险：威胁利用脆弱性造成资产损失的可能性与影响，通常用“可能性 × 影响”进行排序。

与通用 IT 威胁建模相比，机器人威胁建模必须额外关注物理后果。信息泄露可能只是数据问题，但控制指令被篡改可能直接导致机械臂碰撞、AGV 撞人、无人机坠毁。因此，机器人安全分析必须把网络域与物理域放在同一张图上。

二、整体框架：五层结构与双闭环

本课程采用“五层结构 + 双闭环”的整体框架。五层结构自下而上分别是：物理执行层、感知与控制层、通信与网络层、平台与应用层、运维与管理层。双闭环则指威胁建模闭环与防护运营闭环：前者从资产识别到风险排序，后者从防护部署到监测响应与复盘改进。

图中左侧五层结构说明机器人系统不是单一设备，而是跨域组合；右侧两个闭环说明安全工作是持续迭代过程，而不是一次性检查表。威胁建模闭环回答“可能怎么被打”，防护运营闭环回答“怎么防、怎么发现、怎么恢复”。

三、方法流程：从资产清单到防护验证

本课程推荐一条可执行的方法流程，共七步：

1. 资产与数据流梳理：列出机器人本体、控制器、传感器、网关、云服务、运维终端，标注它们之间的数据流向与协议。
2. 信任边界划分：识别现场网络、边缘网络、云网络、运维网络之间的接口，明确哪些接口允许跨域访问。
3. 威胁建模：使用 STRIDE、攻击树或 MITRE ATT&CK for ICS 等框架，逐条推导欺骗、篡改、否认、信息泄露、拒绝服务、权限提升路径。
4. 脆弱性映射：把默认口令、未加密通信、未签名固件、开放端口、过宽权限等弱点映射到具体资产与接口。
5. 风险排序：按“可能性 × 影响”排序，优先处理可导致人身伤害、产线停机、批量劫持的高风险项。
6. 防护控制设计：采用网络分段、身份认证、消息完整性、固件签名、最小权限、安全急停独立回路等措施。
7. 验证与运营：通过渗透测试、异常注入、日志审计和应急演练验证防护有效性，并持续更新威胁模型。

下面给出一个简化的资产与威胁登记清单示例，便于在项目初期快速建立基线：

资产编号  资产名称          信任区域      主要威胁          风险等级
A-001    运动控制器        控制层        未授权指令注入    高
A-002    ROS 2 DDS 通信    通信层        重放/中间人篡改   高
A-003    固件更新通道      运维层        恶意固件植入      高
A-004    激光雷达          感知层        点云欺骗/致盲     中
A-005    云调度平台        平台层        越权任务下发      高
A-006    运维笔记本        运维层        凭据泄露/横向移动 中

四、案例与场景：一个 AGV 被劫持的复盘

某仓储 AGV 使用未加密的 MQTT 通道接收任务，控制器保留默认口令，固件更新未做签名校验。攻击者接入现场 Wi-Fi 后，先通过默认口令登录控制器，再伪造调度平台下发“前往充电桩”指令，实际把 AGV 引导至货架密集区并关闭避障。复盘发现三个关键问题：第一，通信层没有消息完整性保护；第二，运维层没有对固件和配置做签名；第三，威胁建模时只考虑了“数据泄露”，没有评估“物理碰撞”后果。

五、学习路径与章节安排

本课程共 30 章，建议按“概念—建模—防护—运营”四段推进。前段建立机器人系统与安全术语的共同语言；中段学习威胁建模、攻击树、风险排序与典型攻击面；后段进入防护控制、网络分段、身份认证、固件与供应链安全；末段聚焦监测响应、应急演练与持续改进。学习时建议每章完成一个小练习：画一张数据流图、列一份资产清单、写一条攻击路径或做一次防护验证。