3. 机器人网络通信基础

机器人不是一台孤立的计算机，而是一个由传感器、执行器、控制器、上位机和云端服务组成的分布式系统。要让这些部件协同工作，必须依赖网络通信。理解有线与无线协议、ROS/ROS2 通信机制、工业总线以及 5G/Wi-Fi/蓝牙的适用场景，是后续进行威胁建模与防护设计的前提。因为每一种通信方式都对应着不同的攻击面：有线网络可能被物理接入，无线信号可能被嗅探或劫持，工业总线可能被恶意节点注入报文，而 ROS 话题若未做鉴权，任何接入同一网络的节点都能发布控制指令。

一、有线与无线通信协议的分层视角

机器人通信可以按 OSI 模型简化理解。物理层与数据链路层决定“怎么连”，包括以太网、CAN、RS-485、Wi-Fi 射频、蓝牙射频；网络层与传输层决定“怎么找到对方并可靠传输”，包括 IP、TCP、UDP；应用层决定“传什么语义”，包括 ROS 话题、Modbus 寄存器、MQTT 主题、HTTP 接口。

有线通信的典型代表是以太网和工业总线。以太网带宽高、延迟稳定，适合激光雷达点云、摄像头视频流和上位机通信；但线缆接口是物理攻击入口，攻击者拔插网线或接入交换机即可进入内网。无线通信的典型代表是 Wi-Fi、蓝牙和 5G。Wi-Fi 部署成本低、带宽较高，适合机器人与固定 AP 之间的数据回传；蓝牙低功耗适合手柄、传感器等短距离低速率场景；5G 则提供低延迟、大带宽和蜂窝级覆盖，适合远程遥控和移动机器人广域联网。

二、ROS 与 ROS2 通信机制

ROS1 采用基于 TCPROS/UDPROS 的集中式架构，依赖 roscore 作为名称服务和消息路由中心。节点通过发布/订阅话题、调用服务、设置参数进行交互。其典型问题是：roscore 是单点故障，且默认没有加密和鉴权，任何能访问 ROS_MASTER_URI 的主机都可以注册节点、订阅话题甚至发布控制指令。

ROS2 则基于 DDS（数据分发服务）实现去中心化通信，取消了 roscore。节点通过 DDS 域发现彼此，支持 QoS 策略配置，例如可靠性、历史深度、截止时间和生命周期。ROS2 原生支持 SROS2，可对节点身份进行认证、对话题加密。但若未启用安全策略，DDS 的发现报文和用户数据仍可能被同一域内的恶意节点监听或伪造。

# ROS1 环境变量示例
export ROS_MASTER_URI=http://192.168.1.10:11311
export ROS_IP=192.168.1.20

# ROS2 域与安全环境变量示例
export ROS_DOMAIN_ID=42
export ROS_SECURITY_ENABLE=true
export ROS_SECURITY_STRATEGY=Enforce

从威胁建模角度看，ROS1 的 roscore 是“信任中心”，一旦被攻陷，攻击者可伪造任意话题；ROS2 的 DDS 域是“信任边界”，域内节点默认互信，因此必须通过 SROS2 或网络隔离限制域成员。

三、工业总线与实时控制

工业总线用于连接电机驱动器、PLC、IO 模块和安全控制器，强调实时性、确定性和抗干扰能力。常见总线包括 CAN/CANopen、EtherCAT、Modbus RTU/TCP、PROFINET 和 RS-485。CAN 总线采用广播式报文，节点通过标识符仲裁优先级，但报文本身没有源地址认证，攻击者接入总线后可以注入伪造帧或重放控制指令。Modbus TCP 同样缺乏认证和加密，寄存器读写可被中间人篡改。EtherCAT 和 PROFINET 虽然性能更高，但若未做网络分段，仍可能被上位机侧的攻击横向渗透。

四、5G、Wi-Fi 与蓝牙在机器人中的应用场景

Wi-Fi 适合室内移动机器人、AGV 和协作机器人。它通常与 ROS2 结合，将点云、图像和状态话题传输到上位机。但 Wi-Fi 的开放性和共享介质特性使其容易受到去认证攻击、 Evil Twin 伪造 AP 和 WPA2 握手包离线破解。防护上应使用 WPA3-Enterprise、802.1X 认证、MAC 过滤与无线入侵检测。

蓝牙适合低速率、短距离的人机交互设备，例如急停手柄、示教器和电池传感器。蓝牙低功耗的配对方式若使用 Just Works，则无法抵御中间人攻击。建议启用 LE Secure Connections，并对关键控制指令增加应用层签名。

5G 适合室外巡检机器人、远程操控和车路协同。5G 网络切片可为机器人控制分配独立带宽和低延迟通道，但切片配置错误可能导致跨切片访问。SIM 卡克隆和伪基站也是需要关注的威胁。部署时应启用双向认证、IPSec 或 TLS，并在边缘侧部署防火墙。

五、案例与常见误区

某移动机器人项目使用 ROS1 进行导航，roscore 部署在机器人本体上，上位机通过 Wi-Fi 接入同一网段。攻击者连接同一 Wi-Fi 后，设置 ROS_MASTER_URI 指向机器人，即可订阅 /cmd_vel 话题并发布伪造速度指令，导致机器人失控。复盘发现：ROS1 默认无鉴权、Wi-Fi 使用弱口令、未做 VLAN 隔离。改进措施包括升级 ROS2 并启用 SROS2、将控制网与办公网分段、启用 WPA3-Enterprise。