Enhancing Communication Security in ROS 2

Abstract

This master thesis explores the intersection of robotics, cybersecurity, and post-quantum cryptography, focusing on enhancing the communication security of the Robot Operating System 2 (ROS 2). As robotic systems become increasingly interconnected and deployed in sensitive applications, the need for robust security measures has never been more pressing. This research addresses the growing concern that current cryptographic methods, including those implemented in ROS 2’s security framework, may be vulnerable to future quantum computing attacks. The thesis begins with an overview of networking in robotics, emphasizing the unique challenges faced in teleoperation, telemetry, Robot-to-Robot communication (R2R) and networked robotics. It then analyzes ROS 2’s communication architecture, examining the transition from ROS 1 and the adoption of the Data Distribution Service (DDS) as the primary middleware. The new ROS 2 alternative middleware, Zenoh, is also considered. Special attention is given to the security features of DDS and the Secure Robot Operating System 2 (SROS2) framework. A significant portion of the research is dedicated to post-quantum cryptography (PQC) and its potential integration into ROS 2. The thesis presents a novel approach to enhancing ROS 2 security by designing and implementing a PQC plugin for DDS. This includes an exploration of adapting PQC for alternative middlewares, particularly Zenoh, which has emerged as a promising option for addressing some of the limitations of DDS in certain robotic applications. The practical implications of integrating PQC into ROS 2 are considered. Finally, the thesis discusses the challenges encountered during the research, proposes potential improvements, and outlines future research directions in the field of secure robotic communications. The findings of this study contribute to the ongoing efforts to secure robotic systems against evolving cyber threats. By addressing the need for quantum-resistant security in robotic communications, this research aims to enhance the security of ROS 2-based systems in various applications, from industrial automation to healthcare robotics.

Este Trabajo de Fin de Máster explora la intersección de la robótica, la ciberseguridad y la criptografía post-cuántica, centrándose en mejorar la seguridad de las comunicaciones del Sistema Operativo de Robots 2 (ROS 2). A medida que los sistemas robóticos se interconectan cada vez más y se implementan en aplicaciones sensibles, la necesidad de medidas de seguridad sólidas es más importante que nuca. Esta investigación aborda la creciente preocupación de que los métodos criptográficos actuales, incluidos los implementados en el marco de seguridad de ROS 2, puedan ser vulnerables a futuros ataques de computación cuántica. La tesis comienza con una descripción general de las redes en robótica, enfatizando los desafíos únicos que enfrentan la teleoperación, la telemetría, la comunicación robot-robot y las redes robóticas. Luego profundiza en un análisis de la arquitectura de comunicaciones de ROS 2, examinando la transición de ROS 1 y la adopción del Servicio de Distribución de Datos (DDS) como el middleware principal. También se considera Zenoh, un nuevo middleware alternativo para ROS 2. Se presta especial atención a las características de seguridad de DDS y el marco del Sistema Operativo de Robots Seguros 2 (SROS2). Una parte importante de la investigación está dedicada a la criptografía post-cuántica (PQC) y su posible integración en ROS 2. La tesis presenta un enfoque novedoso para mejorar la seguridad de ROS 2 mediante el diseño e implementación de un complemento PQC para DDS. Esto incluye una exploración de la adaptación de PQC para middlewares alternativos, en particular Zenoh, que ha surgido como una opción prometedora para abordar algunas de las limitaciones de DDS en ciertas aplicaciones robóticas. Se consideran las implicaciones prácticas de la integración de PQC en ROS 2. Finalmente, la tesis analiza los desafíos encontrados durante la investigación, propone posibles mejoras y describe futuras direcciones de investigación en el campo de las comunicaciones robóticas seguras. Los hallazgos de este estudio contribuyen a los esfuerzos en curso para proteger los sistemas robóticos contra las amenazas de ciberseguridad en evolución. Al abordar la necesidad de seguridad resistente a la computación cuántica en las comunicaciones robóticas, esta investigación tiene como objetivo mejorar la seguridad de los sistemas basados en ROS 2 en varias aplicaciones críticas, desde la automatización industrial hasta la robótica sanitaria.