文章总结： 本文系统分析了机器人操作系统ROS2的安全设计框架，重点阐述了其基于DDSSecurity规范构建的分布式通信安全机制。核心方案是通过SROS2工具链实现安全飞地划分、PKI证书体系和细粒度权限控制，为节点通信提供身份认证、访问控制和数据加密保护。文章指出该设计虽提升了工业级安全性，但仍存在操作系统依赖、密钥文件保护不足等局限性，需结合硬件安全模块等补充措施。
综合评分： 82
文章分类： IoT安全,应用安全,解决方案,技术标准
机器人操作系统ROS2的安全设计
原创
孙志敏
孙志敏
AI与安全
2026年5月10日 15:50
北京
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机器人操作系统ROS2（Robot Operating System 2)是当前各种机器人，机器狗等具身智能设备广泛应用的操作系统，甚至一些无人机，无人车等也在应用它。安全设计是系统设计的一部分，要研究机器人的安全，操作系统是重要的基础，ROS2是必须深入了解和分析的系统。
01
ROS2实际是一套中间件
1.1历史沿革
在机器人的开发中，有一些共同的功能都会涉及，包括通信，导航、控制、运动规划、视觉和仿真等。从头开发这么一套系统工作量非常大，也非常复杂。
ROS于2007 年由斯坦福人工智能实验室（SAIL）启动，最初是博士生 Eric Berger 和 Keenan Wyrobek 为 PR1 服务机器人写的开发框架，目的是让研究人员不用每次都从底层造轮子。
2008 年，硅谷创业孵化器 Willow Garage 接手并大力投入，配合自家的 PR2 机器人把 ROS 推向全球研究社区。2010 年 ROS 1.0（代号 Box Turtle）正式发布，从此每年一个发行版，迅速成为机器人学术圈的事实标准。
2012 年 Willow Garage 解散，OSRF（Open Source Robotics Foundation，后并入 Open Robotics）接管了 ROS 的维护，让它从一个公司项目变成了真正的开源基金会项目。
随着工业界对实时性、可靠性、跨平台、多机器人协作的需求增长，ROS 1 的架构（中央 roscore、TCPROS 协议）逐渐力不从心。2017 年起，团队推出了完全重写的 ROS 2，底层换成 OMG DDS 中间件，去中心化、支持 QoS、支持 Windows/RTOS、支持商业部署。ROS 1 的最后一个长期支持版本 Noetic 已于 2025 年 5 月停止维护，机器人社区正全面转向 ROS 2。
1.2 ROS架构
机器人操作系统（ROS）是一套开源算法、硬件驱动程序和工具，旨在开发机器人控制软件。尽管它的名称中带有“操作系统”字样，但它并非操作系统，如下图，它运行在底层操作系统（Linux,Windows或Macos)之上，可以认为是一个中间件。
ROS2主要的功能包括10个部分，如下图
1.3 ROS的通信机制
ROS 2支持三种通信模式，是构建机器人应用的基石，也是安全需要重点关注的地方。
话题 (Topic)：一种异步的发布-订阅模式，适用于持续、单向的数据流（如传感器数据）。一个发布者可以向一个话题发布数据，任意数量的订阅者都可以接收，实现了多对多的解耦通信。
服务 (Service)：一种同步或异步的请求-响应模式，适用于需要立即返回结果的短暂任务（如查询当前状态）。客户端发起请求并等待响应，服务端处理请求后返回结果，是一种一对一的通信。
动作 (Action)：一种异步、可取消、带周期性反馈的通信模式，是ROS 2的一大特色，适用于需要跟踪进度的长时间运行任务（如导航、机械臂运动规划）。它结合了话题和服务的特点，提供目标、反馈和结果三部分信息。
02
“多节点通信”是 ROS 2 的灵魂
很多人以为机器人是一台单机，其实不然，每台机器都是有多个主机组成的一个网络，以宇树的机器狗为例：
如图，它实际上由五台机器组成，主控制器（带一个以太网交换机），还有一个树莓派，三个NANO，共同组成了一个系统。每个主板都有IP地址：主控板：MCU（192.168.123.10） 运动控制板：树莓派 4B（192.168.123.161） 传感主板：Nano（头部，192.168.123.13）、Nano（身体，192.168.123.14）、Nano 或 NX（身体，192.168.123.15）。
这就是 ROS 2 多节点通信的真实战场。你不是在写”一段代码控制一只狗”——你是在编排一个跨越五台计算机、几十个进程、上百个话题的实时分布式系统：相机节点把图像发布到 /camera/front/image_raw 话题上，深度估计节点订阅它再发布 /depth/points，避障节点订阅深度，输出 /cmd_vel 给运动控制；运动控制节点把高层意图转成关节角，再走 UDP 发给底层 MCU。这个图谱可以横跨多台机器，也可以缩在一颗 SoC 里跑——节点之间根本不知道彼此在哪台设备上。这就是 DDS 中间件赋予 ROS 2 的”位置透明性”。
放到更大的工业场景里，这种多节点架构同样普遍。自动驾驶车里把感知、规划、控制拆成几十个 ROS 2 节点跑在多块异构计算板上；无人机集群里每架飞机是一个节点群，再通过 DDS 跨机互联；人形机器人 H1、Optimus 把视觉-语言-动作（VLA）模型部署在主算法板上，把高频运动控制单独跑在实时核上——这一切都是同一种”分布式机器人计算图”的不同呈现。
但只要你认真看过这张拓扑图，安全的问题就会立刻浮现：默认情况下，节点之间是互相可见、互相可发现、互相可订阅、互相可发指令的。一个被攻陷的视觉节点完全可以伪造话题数据骗过决策节点；一台接入热点的笔记本电脑只要知道 ROS_DOMAIN_ID，就能往 /cmd_vel 上灌一条任意速度指令把狗发飞。这正是过去几年安全研究者在 ROS 1 上反复演示过的攻击。ROS 2 必须给出答案。
03
安全基础：DDS Security 规范的设计思想
ROS 2 没有自己重新发明安全机制。它把安全这件事完整地”下沉”到了 DDS 层——确切地说，是由 OMG 在 2016 年首次发布、目前 1.1 版本仍是主流的 DDS-Security 规范来承担。要理解 ROS 2 的安全模型，必须先理解这份规范的思想。
DDS-Security的规范比较长，280多页，有兴趣的可以看原文：
https://www.omg.org/spec/DDS-SECURITY/1.1/PDF
DDS-Security 的核心设计哲学，可以浓缩成一个词：SPI（Service Plugin Interface）。规范没有规定一种固定的加密算法、一种固定的身份模型、一种固定的策略表达方式；它定义的是五个标准化的服务插件接口，让 DDS 厂商各自去实现，让用户根据场景去选择。OMG 的规范文档第 1 章就给出了一张总体架构图：
这五个插件分别承担不同的安全语义。Authentication 插件解决”你是谁”的问题——验证一个加入 DDS 域的参与者的身份，并支持参与者之间的双向认证、协商出共享密钥。Access Control 插件解决”你能干什么”的问题——一个已认证的参与者可以加入哪些域、可以发布或订阅哪些 Topic、甚至可以读写一个 Topic 中的哪些 instance。Cryptographic 插件解决”怎么保护数据”的问题——所有的加密、解密、签名、哈希都由它执行，前两个插件实际上也调用它来完成签名验证。剩下两个，Logging 与Data Tagging，分别处理安全事件审计和数据分级标签。
规范同时给出了内置实现，用以保证不同厂商之间的开箱即用与互操作。DDS:Auth:PKI-DH 是基于 PKI 的认证插件，每个参与者持有公私钥对与一份由 CA 签发的 X.509 证书；DDS:Access:Permissions 是基于 PKI 的访问控制插件，每个参与者要带一份签名的”权限文件”和一份描述域整体安全策略的”治理文件”；DDS:Crypto:AES-GCM-GMAC 是基于 AES-GCM 的加密插件，提供经过认证的加密。规范要求所有声称”DDS-Security 兼容”的实现都必须支持这三个内置插件，这就是 ROS 2 能跨 DDS 厂商保持一致安全行为的根本原因。
04
ROS 2 的安全设计：把 DDS 安全收编进 ROS 概念体系
DDS-Security 提供了底层能力，但它说的是 DDS 的语言——Domain Participant、Topic、Permission XML。这套语言对 DDS 工程师很自然，对 ROS 应用开发者却相当陌生。开发者熟悉的是 Node、Topic、Service、Action、Parameter。如果让每个机器人开发者都先去啃一遍 DDS-Security 规范，那 ROS 2 的安全特性永远不会被广泛采用。
ROS 2 的安全设计解决的就是这个鸿沟问题。它的核心思路是：复用 DDS-Security 的所有能力，但用 ROS 的概念把它包装起来，并提供工具链来自动化所有繁琐的密钥与策略管理工作。这套思路最终落地成了 SROS 2（Secure ROS 2），以及一组叫 ros2 security 的命令行工具。
简单来说，ROS 2的安全框架可以概括为：将整个系统划分为独立的“安全飞地”（Security Enclave），为每个飞地分配唯一的加密身份和精细的权限，并通过一个由证书、签名文件和私钥构成的信任链来确保其通信的保密性、完整性和真实性。
其整体思路如下：
划分安全边界：以“安全飞地”（Security Enclave）为单元，为每个或每组程序（进程）定义独立的通信规则和权限范围。
颁发数字护照：为每个安全飞地签发一个唯一的“数字护照”，其中包含一个公私钥对，用于在网络中证明自身身份的合法性。
制定行为准则：通过详细的权限清单，严格定义每个安全飞地可以访问的具体资源，例如发布到某个话题或调用某个服务的许可。
搭建信任根基：引入一个证书颁发机构（Certificate Authority, CA），作为整个公钥基础设施（PKI）的“奠基人”，负责为所有安全飞地签发并担保其身份证书的有效性。
🔑 安全飞地：划分通信权限边界
你可以将“安全飞地”理解为一个执行统一安全策略的逻辑分组。一个飞地可以保护一个节点、整个机器人应用，甚至机器人集群的通信。
这种设计能有效替代ROS 1时期安全策略与单个节点绑定的做法，允许将一组节点划入同一飞地，方便统一安全管理，解决了ROS 2一个进程中可运行多个节点带来的难题。
📄 核心安全文件：飞地的“身份证”与“行为守则”
根据DDS安全规范，每个安全飞地的身份和权限都由六份核心文件明确定义。这些文件存放于 enclaves 目录下以飞地（如 /talker_listener）命名的子文件夹中。其中：
身份文件三件套：飞地的数字护照
- identity_ca.cert.pem：飞地信任其身份由哪个CA签发。
- cert.pem：飞地的身份证明，由CA签名后颁发。
- key.pem：飞地的核心机密，在握手阶段用于解密身份证书，证明身份。
权限文件三件套：飞地的行为规范
- permissions_ca.cert.pem：飞地信任其权限由哪个CA签发。
- permissions.xml：明文权限清单，定义了飞地能发布到哪个话题、调用哪个服务等。
- permissions.p7s：由权限CA签名后的只读副本，通信时实际使用。
⚙️ 密钥库（Keystore）：组织与管理安全资产
“密钥库”是一个包含密钥和证书的文件夹，由环境变量ROS_SECURITY_KEYSTORE指定路径。它定义了密钥库的根目录，所有安全文件都存放在此处。其内部结构为：
keystore/
├── enclaves # 存放各安全飞地自己的六份身份和权限文件
├── private # 存储CA的私钥 (ca.key.pem)，必须离线保存严防泄露
└── public # 存放CA的公钥证书 (ca.cert.pem)，可自由分发
🔏 私钥（Private Keys）的保护原则
私钥是整个信任链的核心，一旦泄露，整个系统的安全性将荡然无存。最佳实践尤为严格：
离线保存：私钥文件仅在生成安全飞地文件时访问，切勿随同节点部署到生产设备。
最小权限：设备上的安全飞地文件应设为只读。
硬件加密：生产环境中，私钥应存储在硬件级安全模块（HSM，一种专业硬件）中保管。
🛡️ 信任链的基石：证书颁发机构（CA）
CA是整个安全体系中最底层的信任根源。所有飞地的身份和权限信任都追溯到CA的根证书。CA的作用体现在：
签署身份：像护照局签发护照一样，用自己的私钥为各飞地的cert.pem文件签名。
签署权限：用自己的私钥为飞地的权限文件permissions.xml签名，生成用于通信的permissions.p7s。
提供信任锚点：CA自身的公钥证书 (ca.cert.pem) 被安全地放置在public目录，作为所有交互方默认信任的根证书。
💎 设计权衡：灵活性与复杂性的取舍
这套基于PKI的细粒度安全模型，也为开发者带来了新的考量：
灵活的集成：设计上易于集成企业已有的PKI，并支持通过ROS_SECURITY_STRATEGY等变量动态调整安全策略。
变化的威胁面：启用安全机制后，攻击面可能从节点通信转向PKI体系，因此证书的保管和管理变得同等重要。
管理复杂性：为每个飞地管理独立的身份和权限文件，增加了配置和部署的复杂性。
总的来说，ROS 2的安全设计是一项旨在满足工业级和商业级应用需求的系统工程，它以“安全飞地”为核心，通过构建一套层次分明、逻辑严谨的体系，为机器人应用提供了可定制、可扩展的安全保障。
05
总结
总体看，ROS2在通信上较好地考虑了安全问题，有一些好的安全设计，但对于机器人整体来说，还远远不够。
1.ROS2整体运行于通用操作系统之上，操作系统的安全问题，需要完整的解决。
2.ROS2对于安全的关键文件，尤其是证书部分，都以文件存储，只增加了访问控制，这是远远不够的。根密钥应该有硬件保护措施。
3.机器人是一个非常复杂的系统，不仅有机器人自身，还有云，APP等，这些安全同样重要。
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孙志敏《机器人操作系统ROS2的安全设计》