无人机通信协议MAVLink简介

IoT 1年前 (2023) admin

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Micro Air Vehicle Link（简称MAVLink）用于无人系统（例如，机器人、无人机、无人车、无人船和无人潜航器）。它定义了一组无人系统和地面站之间的消息交换规则。此协议广泛用于无人驾驶系统中，特别是ArduPilot和PX4无人驾驶系统，MAVLink协议提供了强大的功能，不仅用于监视和控制无人系统任务，也将无人系统集成进入互联网。

图1 PX4飞控系统四轴固定翼无人机

1.MAVLink消息结构介绍

无人机集成了特殊的硬件和软件，通过这些硬件和软件实现自动驾驶。地面控制站与无人机之间通过交换MAVLink消息实现通信。MAVLink协议规则在2009年由Lorenz Meier以LGPL授权的方式发布。从发布至今，MAVLink由于消息短小，通信开销小，效率高等特点在无人机通信中得到广泛应用。下面分别介绍版本1.0和版本2.0的MAVLink消息结构。

无人机通信协议MAVLink简介图2 无人机和地面站通信示意图

MAVLink版本1.0，也是当前最流行，使用最广泛的MAVLink版本，其消息结构列表如下：

序号	名称	字节序号	含义
1	STX	0	一帧的开始，MAVLink 1.0中，该值固定为0xFE。
2	LEN	1	消息载荷的长度。
3	SEQ	2	消息的序列号，当开始发送消息时，该值从0增长到255，到255后又重置为0，重新开始增长。
4	SYS ID	3	系统编号，每个无人机系统都有一个系统编号用于在通信中标识自己，地面控制站的系统编号通常为255。
5	COMP ID	4	组件编号，无人机系统中不同的组件用组件编号来进行区分，组件编号标识发送消息的无人机系统的组件。在无人机系统中有27种不同类型的组件。
6	MSG ID	5	消息编号，标识不同种类的无人机消息。例如编号为0的消息是无人机的心跳消息。
7	PAYLOAD	6(N=1) 6~5+N (N>=2)	消息载荷，不同类型的消息的载荷在结构、内容和长度上不同。
8	CHECKSUM	6+N~7+N	校验和，通过计算和检查校验和来判断消息的有效性。需要注意的是校验和的计算不包括STX字段，并且根据MSG ID的不同，校验和计算前在消息的末尾会加入一个种子值一起计算。

MAVLink 2.0版本是在1.0版本的基础上扩展了消息类型和安全性签名的版本。版本2.0将消息ID字段扩展到3个字节，大幅度增加了可支持的消息类型，并且支持消息签名；签名是一种认证机制，旨在提高通信的安全性。消息签名占用13字节，放于载荷之后。MAVlink版本2.0的消息结构介绍如下：

序号	名称	字节序号	含义
1	STX	0	一帧的开始，MAVLink 1.0中，该值固定为0xFE。
2	LEN	1	消息载荷的长度。
3	INC FLAGS	2	不兼容性标志，如果实现不能识别该标志，则丢弃数据包。（签名消息中，该字段为0x01）
4	CMP FLAGS	3	兼容性标志，用于指示功能不会阻止MAVLink库处理数据包。即实现如果不识别该标志，数据包依然可以进入后续处理。
5	SEQ	4	消息的序列号，当开始发送消息时，该值从0增长到255，到255后又重置为0，重新开始增长。
6	SYS ID	5	系统编号，每个无人机系统都有一个系统编号用于在通信中标识自己，地面控制站的系统编号通常为255。
7	COMP ID	6	组件编号，无人机系统中不同的组件用组件编号来进行区分，组件编号标识发送消息的无人机系统的组件。在无人机系统中有27种不同类型的组件。
8	MSG ID	7~9	消息编号，标识不同种类的无人机消息。例如编号为0的消息是无人机的心跳消息。
9	PAYLOAD	10(N=1) 10~9+N (N>=2)	消息载荷，不同类型的消息的载荷在结构、内容和长度上不同。
10	CHECKSUM	10+N~11+N	校验和，通过计算和检查校验和来判断消息的有效性。需要注意的是校验和的计算不包括STX字段，并且根据MSG ID的不同，校验和计算前在消息的末尾会加入一个种子值一起计算。
11	SIGNATURE	N+12~N+25	签名，用于消息合法性认证的签名，非签名消息中无该字段，该字段由三部分组成，按照顺序分别是LinkID、Timestamp和Signature。

签名字段占用13个字节，该字段本身又由三个字段组成，按照先后顺序说明如下：

LinkID，占用一个字节，表示链接的ID（通道编号）用于发送数据包。链路或信道可以是WiFi或遥测，并且可以组合。每一个用于发送数据的通道应该有自己的LinkID。以（SYS ID, COMP ID, LINK ID)为一个通信链路的标识，这为多通道无人系统提供了一种使用MAVLink 2.0进行控制的手段。

Timestamp，即时间戳，占用6个字节，它是当前时间距离GMT时间2015年1月1日0时0分0秒的微秒数（微秒即百万分之一秒）。这个时间戳随着每次消息发送递增，可有效地抵抗重放攻击。

Signature，即签名，占用6字节，计算公式如下：

signature = sha256_48(secret_key + header + payload + CRC + link-ID + timestamp)

signature取计算结果的前48比特，通过签名可对消息的合法性进行验证，提高通信安全性。

2.MAVLink协议安全性分析

从版本1.0和2.0版本的消息结构中可以看出，MAVLink消息是不加密传输的，消息的私密性无法保障，攻击者可以监听并分析无人机和地面站之间的MAVLink通信，针对版本1.0和2.0非签名消息，攻击者可以实施伪造、重放、中间人、劫持、泛洪等攻击。多个研究者的论文也表明MAVLink协议，特别是版本1.0和版本2.0的非签名消息存在实施多种安全攻击的可能。但针对MAVLink 2.0签名版消息的攻击提得较少，究其原因，MAVLink 2.0签名版增加了签名认证机制，普通攻击难于突破这种认证机制；

MAVLink版本2.0的签名机制的安全性通过以下过程得以保障：

首先secret_key通过安全通信在无人机和地面站之间进行交换或同步；可通过加密或者物理安全机制发送secret_key数据；secret_key为32个字节，即便监听到消息后对secret_key进行反算的难度也非常高，反算在理论上需要遍历2的256次方种可能的组合，这在根本上保障了通信的安全性；

其次，由于timestamp的存在，重放和泛洪攻击方法也将失效；timestamp在每次消息之间不断增长，一旦增长，签名被重新计算，签名结果发生变化，这时候无论是重放还是泛洪的数据均会被丢弃。

如果使用MAVLink协议进行无人机控制系统开发，建议采用安全性更高的2.0版本签名消息，并且禁用1.0版本和非签名版的2.0消息，通过安全通道定期（如每次飞行前）更新secret key。