[论文解读] FogROS G: Enabling Secure, Connected and Mobile Fog Robotics with Global Addressability

Kaiyuan Chen, Jiachen Yuan+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2022

IoT and Edge/Fog Computing被引用 5

一句话总结

FogROS G 通过为每个 ROS 节点分配一个与 IP 地址或网络位置无关的 256 位全局唯一名称，实现了安全、移动且全局可寻址的雾机器人技术。它利用安全的点对点全球数据平面（GDP）基础设施，在防火墙和管理域之间端到端路由消息，性能开销极小——平均仅增加 0.014 秒延迟——同时通过加密命名和路由确保身份验证和机密性。

ABSTRACT

Fog Robotics renders networked robots with greater mobility, on-demand compute capabilities and better energy efficiency by offloading heavy robotics workloads to nearby Edge and distant Cloud data centers. However, as the de-facto standard for implementing fog robotics applications, Robot Operating System (ROS) and its successor ROS2 fail to provide fog robots with a mobile-friendly and secure communication infrastructure. In this work, we present FogROS G, a secure routing framework that connects robotics software components from different physical locations, networks, Data Distribution Service (DDS) and ROS distributions. FogROS G indexes networked robots with globally unique 256-bit names that remains constant even if the robot roams between multiple administrative network domains. FogROS G leverages Global Data Plane, a global and secure peer-to-peer routing infrastructure between the names, guaranteeing that only authenticated party can send to or receive from the robot. FogROS G adopts a proxy-based design that connect nodes from ROS1 and ROS2 with mainstream DDS vendors; this can be done without any changes to the application code.

研究动机与目标

• 解决 ROS 和 ROS2 在雾机器人应用中缺乏安全、与位置无关的通信机制的问题。
• 使移动机器人能够在跨越网络域边界和防火墙的情况下维持持久的 ROS 连接。
• 通过加密命名和认证路由实现端到端安全，且无需修改应用代码。
• 确保与 ROS1 的向后兼容性，并在不修改代码的情况下实现与不同 DDS 供应商的互操作性。
• 支持在异构网络和云边架构之间无缝连接 ROS1 和 ROS2 节点。

提出的方法

• 为每个 ROS 节点分配一个基于其元数据（如名称、作者、功能）生成的全局唯一 256 位名称，确保唯一性并抵抗猜测攻击。
• 利用全球数据平面（GDP），一种安全的点对点路由基础设施，基于这些 256 位名称在管理域之间路由消息。
• 采用代理架构，将 ROS/DDS 消息转换为原始的第 2 层 GDP 数据包，实现与 ROS1、ROS2 及主流 DDS 实现之间的互操作性。
• 在每个路由交换机（RIB）处使用加密验证（哈希和凭证）来认证名称广告，防止伪造。
• 通过分层 RIB（路由信息库）系统实现最短路径路由，确保多跳路径上的低延迟消息传输。
• 在代理层实现数据包重组和排序，以处理固定长度的第 2 层数据包（如 1500 字节），确保消息完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖静态 IP 地址或网络特定配置的情况下，使 ROS 节点具备全局可寻址性和移动性？
• RQ2 能否构建一个安全的点对点路由基础设施，以实现在防火墙和异构网络之间 ROS 节点的端到端通信？
• RQ3 为基于 ROS 的雾机器人系统增加全局可寻址性和强安全性后，性能开销是多少？
• RQ4 如何在不修改应用代码的情况下实现与 ROS1 的向后兼容性以及与多个 DDS 供应商的互操作性？
• RQ5 GDP 路由能否支持消息持久化和类似任播的服务发现等高级功能，以满足机器人工作负载的需求？

主要发现

• 与原生 ROS2 搭配 CycloneDDS 相比，FogROS G 仅增加平均 0.014 秒的额外延迟，表明性能开销极小。
• 系统在 vSLAM 上实现端到端延迟 1.4 秒，运动规划延迟 4.3 秒，抓取规划延迟 0.6 秒，尽管增加了安全和路由层，仍处于可接受范围内。
• 所有评估应用的网络延迟开销可忽略不计（0.010–0.089 秒），总延迟主要由计算时间决定，而非通信开销。
• 代理架构成功实现了无需代码更改的 ROS1 和 ROS2 节点之间的无缝通信，支持跨 ROS 和跨 DDS 互操作性。
• 在每个 RIB 处实施的加密验证确保只有经过认证的实体才能发布或访问 ROS 节点，防止伪造和未授权访问。
• 系统在发生网络域变更时（如从企业网络切换到大学网络）仍能维持持久的 ROS 连接，即使 IP 地址改变且防火墙阻止直接访问。