自主機(jī)器人的分布式規(guī)劃、通信和控制算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的一個(gè)主要的研究領(lǐng)域。但是在關(guān)于多機(jī)器人系統(tǒng)（multirobot system）的文獻(xiàn)中，安全性卻相對(duì)受到了冷遇。在最新一期的 Autonomous Robots 期刊中，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的研究員和他們的同事提出了一種新的技術(shù)，可以防止惡意黑客攻入機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的通信網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)可以在加密通信的系統(tǒng)中提供附加的安全層或者在加密不可實(shí)現(xiàn)的情況下提供一個(gè)替代選擇。

　　「機(jī)器人社區(qū)側(cè)重于開(kāi)發(fā)自主科學(xué)（science of autonomy）使多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或獲得更大的能力。在某種意義上，我們對(duì)系統(tǒng)級(jí)別的問(wèn)題做得還不夠多，比如網(wǎng)絡(luò)安全和隱私」，Daniela Rus（MIT 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的 Andrew and Erna Viterbi 教授，并且是這篇新論文的第一作者）說(shuō)道。

　　包括麻省理工學(xué)院教授 Daniela Rus（左）和研究科學(xué)家 Stephanie Gil（右）在內(nèi)的研究者開(kāi)發(fā)了一種防止惡意黑客攻入機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。為了驗(yàn)證理論預(yù)測(cè)，研究員使用了分布式 WiFi 發(fā)射器和一個(gè)自動(dòng)直升機(jī)實(shí)現(xiàn)了他們的系統(tǒng)。

　　「但是當(dāng)我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中部署多機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，我們的系統(tǒng)會(huì)遇到當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)面臨的所有的問(wèn)題，」她補(bǔ)充說(shuō)?！溉绻憬庸芰艘粋€(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，你可以使其公開(kāi)私人數(shù)據(jù)——你還可以做很多其他的壞事。對(duì)機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)攻擊既能通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的漏洞進(jìn)行，也能使用物理世界的破壞性動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以在某種意義上，我們應(yīng)該更緊迫地思考這個(gè)問(wèn)題?！?/p>

　　身份盜用

　　大多數(shù)多機(jī)器人系統(tǒng)的規(guī)劃算法依賴(lài)于某種投票程序（voting procedure）來(lái)確定其行動(dòng)路線(xiàn)。每個(gè)機(jī)器人基于其有限的、局部的觀察提出建議，然后聚合建議以產(chǎn)生最終的決定。

　　黑客侵入多機(jī)器人系統(tǒng)的一種自然的方式是在網(wǎng)絡(luò)上假冒大量的機(jī)器人并且施加足夠的假投票來(lái)影響集體決定，這是一種被稱(chēng)為「spoofing」的技術(shù)。這些研究者的新系統(tǒng)分析了這種獨(dú)特的方式——其中機(jī)器人通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸與環(huán)境交互，并且每一個(gè)機(jī)器人都被分配了自己的無(wú)線(xiàn)電「指紋」。如果系統(tǒng)檢測(cè)出了來(lái)自同一個(gè)發(fā)射器的多個(gè)投票，則將其視為欺詐并忽略。

　　Rus 的分布式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（Distributed Robotics Lab）的研究科學(xué)家和和新論文的合作者 Stephanie Gil 說(shuō)：「有兩種方式對(duì)其進(jìn)行思考。在某些情況下，加密技術(shù)難以以去中心化的形式實(shí)現(xiàn)。也許你只是沒(méi)有可以對(duì)其進(jìn)行保護(hù)的中央密鑰授權(quán)，并且你的代理需要不斷地進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)，這使得密鑰傳遞方案的實(shí)現(xiàn)的難度會(huì)大得多。在這種情況下，我們?nèi)匀豢梢蕴峁┍Ｗo(hù)。

　　「如果你可以實(shí)現(xiàn)加密方案，那么如果其中一個(gè)帶有密鑰的代理被破解，我們?nèi)耘f可以通過(guò)減輕甚至量化對(duì)手可以帶來(lái)的最大傷害來(lái)提供保護(hù)。」

　　堅(jiān)守陣地

　　在他們的論文中，研究者考慮了一種被稱(chēng)為「覆蓋（coverage）」的問(wèn)題，其中機(jī)器人定位自己以在地理區(qū)域上分布其服務(wù)——通信連接、監(jiān)控等。在這種情況下，每個(gè)機(jī)器人的「投票」僅僅是其位置的報(bào)告，其他機(jī)器人使用它來(lái)確定自己的位置。

　　本文包含了一個(gè)理論分析，該分析比較了正常情況下的常用的覆蓋算法的結(jié)果和當(dāng)新系統(tǒng)主動(dòng)阻止欺騙攻擊（spoofing attack）時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果。即使系統(tǒng)中的 75 % 的機(jī)器人已經(jīng)被這種攻擊入侵，機(jī)器人的位置也是在其應(yīng)該在的位置的 3 厘米之內(nèi)。為了驗(yàn)證該理論預(yù)測(cè)，這些研究者使用了分布式 WiFi 發(fā)射器和一個(gè)自主直升機(jī)實(shí)現(xiàn)了他們的系統(tǒng)。Rus 說(shuō)：「這能自然地推廣到覆蓋（coverage）以外的其他類(lèi)型的算法?！?/p>

　　Rus 說(shuō)：「對(duì)機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)攻擊既能通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的漏洞進(jìn)行，也能使用物理世界的破壞性動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以在某種意義上，我們應(yīng)該更緊迫地思考這個(gè)問(wèn)題?！?/p>

　　新系統(tǒng)源自一個(gè)早期項(xiàng)目，該項(xiàng)目涉及 Rus、Gil、Dina Katabi（MIT 的另一位電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的 Andrew and Erna Viterbi 教授）和 Swarun Kumar（他在 MIT 獲得碩士和博士學(xué)位，然后加入了卡內(nèi)基梅隆大學(xué)）。該項(xiàng)目試圖用 WiFi 信號(hào)確定發(fā)射器的位置并修復(fù) ad hoc 通信網(wǎng)絡(luò)。在這篇新論文中，麻省理工林肯實(shí)驗(yàn)室（Lincoln Laboratory）的 Mark Mazumder 也加入了這四位研究員。

　　通常，基于無(wú)線(xiàn)電的位置確定需要接收天線(xiàn)的陣列。在空中的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)不同的天線(xiàn)時(shí)會(huì)有輕微的時(shí)間差，使得信號(hào)的相位會(huì)有所不同，即電磁波的波峰和波谷的位置有所差異。根據(jù)該相位信息，可以確定信號(hào)到達(dá)的方向。

　　空間 vs. 時(shí)間

　　然而，一排天線(xiàn)對(duì)于自主直升機(jī)來(lái)說(shuō)實(shí)在太過(guò)笨重了，根本不能帶著飛。MIT 的這些研究者發(fā)現(xiàn)了一種只用兩根天線(xiàn)進(jìn)行精確定位測(cè)量的方法——這兩根天線(xiàn)的間隔大概為 8 英寸。這些天線(xiàn)必須在空間中移動(dòng)以模擬多個(gè)天線(xiàn)的測(cè)量。自主機(jī)器人容易滿(mǎn)足這樣的要求。例如，新論文中的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，自主直升機(jī)懸浮在適當(dāng)位置并圍繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)以進(jìn)行測(cè)量。

　　當(dāng) WiFi 發(fā)射器廣播信號(hào)時(shí)，其中一些信號(hào)直接向接收器前進(jìn)，但是其中的大部分都被環(huán)境中的障礙物反彈，從不同的方向到達(dá)接收器。對(duì)于位置的確定，這是一個(gè)問(wèn)題，但是對(duì)于無(wú)線(xiàn)電指紋來(lái)講，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)：從不同方向到達(dá)的信號(hào)的不同能量能給每個(gè)發(fā)射器一個(gè)獨(dú)特的標(biāo)識(shí)。

　　然而在接收器的測(cè)量中仍然存在一些誤差，所以研究員的新系統(tǒng)不能完全忽略可能的欺詐性傳輸。于是該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)對(duì)同一來(lái)源的信號(hào)的確定度來(lái)成比例地選擇信任程度。新論文的理論分析表明，對(duì)于一系列關(guān)于測(cè)量模糊的合理假設(shè)，系統(tǒng)將阻止欺詐攻擊，而不會(huì)過(guò)度懲罰恰好具有類(lèi)似指紋的有效傳輸。

　　新加坡國(guó)立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授 David Hsu 說(shuō)：「這項(xiàng)工作具有重要意義，另外還有許多同類(lèi)型的系統(tǒng)都在發(fā)展中——聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)、亞馬遜送貨無(wú)人機(jī)等等。安全性將是這樣的系統(tǒng)的一個(gè)主要問(wèn)題，甚至超出了今天的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)創(chuàng)造性的解決方案，完全脫離了傳統(tǒng)的防御機(jī)制。」

　　論文：確?？蛊垓_的多機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)（Guaranteeing spoof-resilient multi-robot networks）

　　多機(jī)器人系統(tǒng)使用無(wú)線(xiàn)通信來(lái)提供空中監(jiān)控和無(wú)人快遞等廣泛的服務(wù)。但是，多個(gè)機(jī)器人之間有效的協(xié)作需要信任，這使得它們特別容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。具體來(lái)說(shuō)，這種網(wǎng)絡(luò)可以被 Sybil 攻擊嚴(yán)重破壞，其中甚至一個(gè)單個(gè)的惡意機(jī)器人也能欺騙偽裝成大量虛假的客戶(hù)端。本論文提出了一種新的防御 Sybil 攻擊的解決方案，且無(wú)需高成本的密鑰分發(fā)。我們的核心貢獻(xiàn)是一種在商用 WiFi 無(wú)線(xiàn)電上實(shí)現(xiàn)的新算法，其可以使用無(wú)線(xiàn)信號(hào)的物理性質(zhì)來(lái)「感知（sense）」欺騙者。我們?cè)谝恍┓秶鷱V泛的多機(jī)器人系統(tǒng)問(wèn)題上推導(dǎo)了該算法對(duì) Sybil 攻擊的影響的限制作用的理論保證，這些問(wèn)題包括位置覆蓋（locational coverage）和無(wú)人快遞。我們使用一組 AscTec 四旋翼 server 和 iRobot Create 地面客戶(hù)端實(shí)驗(yàn)性地驗(yàn)證了我們的聲明，并表現(xiàn)出了超過(guò) 96% 的欺騙者檢出率。