共享 3D 打印机的恶意 G-code 物理边界守门器

1 · 创新命题

中 面向学校 makerspace 和图书馆共享 3D 打印机，做一个打印前守门器：把 G-code 中的温度、运动、 挤出与固件命令还原为时间序列，与该机型已核实的物理边界比较，阻止超温、越界运动和危险宏，同时 生成可解释报告；相对肉眼检查切片预览，专门覆盖“外观正常但命令危险”的文件。 EN A pre-print gatekeeper for school and library 3D printers that reconstructs temperature, motion, extrusion and firmware commands from G-code, blocks out-of-envelope jobs, and explains why—catching files whose preview looks normal while their machine instructions are unsafe.

2 · 背景与空白

OctoPrint 可远程管理打印机并有插件生态，PrusaSlicer/Cura 做切片预览，Marlin/Klipper 固件内置限位与 热失控保护；但旧机固件、禁用保护、宏命令和机型配置差异会留下缝隙。学术界已有 3D 打印网络安全与 声学侧信道研究；本题不做攻击教程。空白在：为共享打印队列提供独立于固件的、机型特定物理包络 验证，并以受控台架证明误阻与危险拦截，而不是仅做字符串黑名单。

3 · 可检验假设

H1 对 ≥ 500 个正常作业与 ≥ 120 个合成危险变体，守门器对超温、越界、异常挤出与危险命令的 召回 ≥ 0.95、正常作业误阻 ≤ 2%，解析时间 ≤ 原切片时间的 20%。 H2（机制）状态机/物理包络相对关键词黑名单将绕过样本召回提高 ≥ 25 个百分点，尤其能识别相对 移动与宏展开后的越界。

4 · 量化验收标准

1. 【方法学校验 · 硬门槛】 用自建解析器复现 Marlin/Klipper 官方文档至少 30 个G-code 状态转换算例，最终坐标、挤出量和设定温度与参考模拟器偏差 ≤ 1%；用校准方块验证估计打印时长 偏差 ≤ 10%。此条不过，后续全部结论无效。
2. 500 正常文件按模型/切片配置划分；危险变体由公开命令语义合成，不发布可直接伤害设备的集合。
3. 极不平衡检测报 PR-AUC、召回、精确率、误阻率，明确不报 accuracy；同一 STL 的变体不得跨集。
4. 只在自有、成人监督、限温断电台架测试；真实加热器另设硬件热熔断，不以软件保护软件。
5. 基线含切片器预览、关键词规则、固件默认检查；报告每类漏报而非一个总分。

5 · 数据与工具

用途	来源 / 工具
文件/解析	Marlin、Klipper G-code 文档，PrusaSlicer/Cura 样例；方言差异需逐机型建档
管理接口	OctoPrint 插件或独立上传代理；插件能力边界按版本 需核实
台架	自有入门 FDM 打印机、外置温度记录器、带熔断/急停插座；价格 需核实
校验	固件官方状态算例与校准方块 —— 仅用于校验与对比，不计入数据贡献
安全	不执行未审查危险文件；公开数据只保留抽象特征和安全化变体

能力边界：正确 G-code 也可能因机械故障起火。致命错误是把守门器当作热失控保护的替代品； 它只能做上传前附加检查，硬件熔断和现场管理仍必需。

物理包络应由打印机铭牌、固件配置和管理员批准共同生成，不能照抄网络上同系列机型参数。复合命令、 单位切换、相对/绝对坐标和重置原点会改变后续全部状态，解析器必须保留完整轨迹；任何未实现方言都应 拒绝自动判绿。对误阻文件还要记录管理员最终是否放行，以估算真实工作流成本。 还须验证同一文件在模拟器与实机读取到的单位、原点和固件宏是否一致；一旦不一致，该方言只能显示 unknown。管理员覆盖警告后，系统应留下理由与文件哈希，便于事后追溯而不保存用户模型内容。

6 · 赛季执行路径

1. 第 1–2 周：30 个状态算例与校准方块硬门槛。
2. 第 3 周：冻结机型包络；第 4–5 周实现相对坐标、宏与温度状态机。
3. 第 6 周：整理 500 正常作业；第 7 周生成并人工审查 120 安全化变体。
4. 第 8 周：按模型分组评估；第 9 周做关键词基线与消融。
5. 第 10 周：限温台架和误阻工作流测试；第 11–12 周访谈管理员、简述和演示。

7 · 新颖性边界

不声称：不发明 G-code 解析；不保证防火；不发现打印机零日；不公开危险利用步骤。 已有工作：OctoPrint 管理队列；PrusaSlicer/Cura 预览；Marlin/Klipper 提供固件保护；学术界有 3D 打印网络安全研究。本项目贡献是共享 makerspace 的机型特定物理包络、上传前解释与公开的 危险拦截—误阻基准。护城河类型：存量改造（C）+ 极端具体（G）；机型/固件/宏规则库是壁垒。

8 · go/no-go

第 3 周末：打印时长或坐标校验偏差 > 15%，具名降级为 单一 Marlin 机型、禁用宏的静态检查器， 保留物理包络主结论。 第 7 周末：安全审查后可用危险变体 < 80 个，收窄到超温和越界两类；第 9 周若误阻 > 8%， 降级为上传警告 + 管理员确认，不自动拒绝。