新技術可以保護機器人的通信網絡免受惡意黑客攻擊

分布式規劃，通信和控制的自主機器人算法做出了重大 領域的研究在計算機科學。但是在關于多機器人系統的文獻中，安全性已經相對較短。

在最新一期的自主機器人雜志上，來自麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室的研究人員及其同事提出了一種新技術，用于防止惡意黑客攻擊機器人團隊的通信網絡。該技術可以在加密通信的系統中提供額外的安全層，或者在加密不切實際的情況下提供替代方案。

“機器人社區致力于通過發展自治科學，使多機器人系統具有自主性，并且越來越有能力。從某種意義上說，我們在網絡安全和隱私等系統級問題方面做得還不夠，“麻省理工學院電子工程和計算機科學的Andrew和Erna Viterbi教授以及新論文的高級作者Daniela Rus說。

“但是當我們在實際應用中部署多機器人系統時，我們會將它們暴露給當前計算機系統所面臨的所有問題，”她補充道。“如果你接管一個計算機系統，你可以讓它發布私人數據 - 你可以做很多其他壞事。對機器人的網絡安全攻擊具有對計算機系統的攻擊的所有危險，并且機器人可以被控制以在物理世界中采取潛在的破壞性行為。所以在某種意義上，我們更加迫切地想到這個問題。“

身份盜竊

多機器人系統中的大多數規劃算法依賴于某種投票程序來確定行動過程。每個機器人根據自己有限的本地觀察結果進行推薦，并匯總建議以作出最終決定。

黑客入侵多機器人系統的一種自然方式是冒充網絡上的大量機器人并施放足夠的虛假投票來提示集體決策，這種技術稱為“欺騙”。研究人員的新系統分析了獨特的方式其中機器人的無線傳輸與環境相互作用，為每個機器人分配其自己的無線電“指紋”。如果系統將多個投票識別為來自同一個發射機，它可以將它們打折為可能是欺詐性的。

“有兩種方法可以考慮它，”羅斯分布式機器人實驗室的研究科學家斯蒂芬妮吉爾說，他是新論文的合著者。“在某些情況下，密碼學很難以分散的形式實施。也許您只是沒有可以保護的中央密鑰授權，并且您有代理不斷進入或退出網絡，因此密鑰傳遞方案變得更具挑戰性。在這種情況下，我們仍然可以提供保護。

“如果您可以實施加密方案，那么如果其中一個擁有密鑰的代理商遭到入侵，我們仍然可以通過減輕甚至量化對手可以造成的最大傷害來提供保護。”

堅守陣地

在他們的論文中，研究人員考慮了一個被稱為“覆蓋”的問題，其中機器人將自己定位為在一個地理區域內分配一些服務 - 通信鏈接，監控等。在這種情況下，每個機器人的“投票”只是其位置的報告，其他機器人用它來確定自己的位置。

本文包括一個理論分析，比較正常情況下的共同覆蓋算法的結果和新系統積極阻止欺騙攻擊時產生的結果。即使系統中有75%的機器人被這種攻擊滲透，機器人的位置也應該超出它們的3厘米。為了驗證理論預測，研究人員還使用一組分布式Wi-Fi發射器和一臺自主直升機實施了他們的系統。

“這自然地推廣到超出覆蓋范圍的其他類型的算法，”羅斯說。

新系統源自早期項目，涉及Rus，Gil，Dina Katabi(麻省理工學院電子工程和計算機科學的另一位Andrew和Erna Viterbi教授)和Swarun Kumar，他們在麻省理工學院獲得碩士和博士學位，然后轉到卡內基·梅隆大學。該項目試圖使用Wi-Fi信號來確定發射機的位置并修復 ad hoc通信網絡。在新的論文中，麻省理工學院林肯實驗室的Mark Mazumder加入了同樣的四位研究人員。

通常，基于無線電的位置確定需要接收天線陣列。在空氣中行進的無線電信號在稍微不同的時間到達每個天線，在接收信號的相位中顯示出差異，或者在它們的電磁波的波峰和波谷的對準中出現差異。從該階段信息中，可以確定信號到達的方向。

空間與時間

然而，一組天線對于自主直升機來說太笨重了。麻省理工學院的研究人員找到了一種方法，僅使用兩個相隔約8英寸的天線進行精確的位置測量。這些天線必須穿過空間才能模擬來自多個天線的測量結果。這是自動機器人很容易相遇的要求。例如，在新論文中報告的實驗中，自主直升機在原地盤旋并繞其軸線旋轉以進行測量。

當Wi-Fi發射器廣播信號時，其中一些信號以直接路徑向接收器傳播，但其中大部分從環境中的障礙物反彈，從不同方向到達接收器。對于位置確定，這是一個問題，但對于無線電指紋識別，它是一個優點：來自不同方向的信號的不同能量使每個發射機具有獨特的輪廓。

然而，接收器的測量仍然存在一些誤差的空間，因此研究人員的新系統并不完全忽略可能的欺詐性傳輸。相反，它會根據它們具有相同來源的確定性對它們進行折扣。新論文的理論分析表明，對于一系列關于測量模糊度的合理假設，系統將阻止欺騙攻擊，而不會過度懲罰碰巧具有類似指紋的有效傳輸。

新加坡國立大學計算機科學教授David Hsu表示：“這項工作具有重要意義，因為許多這類系統正在出現 - 網絡自動駕駛汽車，亞馬遜交付無人機等等。” “對于這樣的系統來說，安全性將是一個主要問題，甚至比現在的網絡計算機還要嚴重。這個解決方案具有創造性，完全脫離了傳統的防御機制。