IoT

Mit Sensoren und Blockchain ins Internet der Dinge

| Autor / Redakteur: Markus Haid * / Hendrik Härter

Sicherer Datenaustausch: Die Sensor-Daten aus einem industriellen Prozess lassen sich außerhalb eines Unternehmens mit Blockchain-Techniken austauschen.
Sicherer Datenaustausch: Die Sensor-Daten aus einem industriellen Prozess lassen sich außerhalb eines Unternehmens mit Blockchain-Techniken austauschen. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Sensible Sensordaten fallen in der vernetzten Industrie in großen Mengen an. Doch der Austausch außerhalb eines Unternehmens birgt Risiken. Hilfe verspricht die Blockchain.

Das Internet der Dinge oder auch IoT ist für viele Unternehmen interessant. Es sind allerdings gerade die kleinen und auch mittelständischen Unternehmen, die bei Thema Digitalisierung verstehen müssen und welche Möglichkeiten sich mit dem Internet der Dinge ergeben. Nach Datei-Transfer, E-Commerce und Social Media ist das Vernetzen von Geräten die nächste Generation des Internets. Internet of Things besagt, dass jeder Teilnehmer intelligent und vernetzt ist. Der industrielle Teil des Internet of Things wird gerade in Deutschland als Industrie 4.0 oder Industrial IoT (IIoT) genannt. Das Internet der Dinge lässt sich in vier Unterthemen aufteilen: intelligente Produkte, intelligente Fabriken, Big Data und intelligente Businessmodelle.

Intelligente Produkte sind Systeme wie ein intelligenter Kühlschrank, der feststellt, dass die Milch aufgebraucht ist und automatisch neue Milch bestellt, da der Kühlschrank intelligent und vernetzt ist. Ein anderes Beispiel für ein intelligentes Produkt ist ein Motor in einer Fabrik, der automatisch feststellt, dass seine Achse in zwei Wochen brechen wird und automatisch eine neue Achse bestellt, bevor die alte kaputtgeht.

Bei der intelligenten Fabrik ist es das Ziel, ein individuelles Produkt zu fertigen. Als Beispiel: Deutschland verfügt über einen Markt von 80 Mio. Menschen; zukünftig werden wir 80 Mio. Märkte haben. Um ein individuelles Produkt herzustellen, benötigt man eine intelligente Fabrik, die genau weiß, wo ein herzustellendes Produkt im Fertigungsprozess ist. Wenn beispielsweise bekannt ist, dass sich eine Karosse kurz vor dem Lackierungsprozess befindet, kann die Farbe just in time geändert und die Karosserie individuell lackiert werden. So kann im Herstellungsprozess eine Losgröße von Eins erreicht werden.

Sensoren als wichtiger Teil des Internet of Things

Sind alle Maschinen vernetzt sind, lassen sich unzählige Daten sammeln. Hier spricht man von Big Data. Allerdings müssen aus den vielen Daten diejenigen extrahiert werden, die wichtig sind. Der vierte und letzte Bereich ist der wichtigste. Die intelligenten Businessmodelle. Dies ist sicherlich die kritischste Komponente einer Digitalisierungsstrategie und die entscheidende, um erfolgreich in der Zukunft zu sein. Speziell die intelligenten Businessmodelle sind Chance und Herausforderung der Digitalisierung.

Ein Beispiel ist UBER: Es ist gesellschaftspolitisch und moralisch sehr kritisch zu betrachten. UBER hat ein intelligentes Businessmodell. Das Unternehmen verfügt über keine Taxen, verdient aber mit dem Transport von Personen Geld. Wie geht das? Während die Taxifahrerbranche als Marktführer und Monopolist die Taxen lackiert und die Zentralen tapeziert hat, kam UBER mit einem cleveren Businessmodell um die Ecke, welches unerfüllte Kundenbedürfnisse erfüllt und war als Neuling auf dem Markt erfolgreich.

In allen vier Teilbereichen des Internet of Things kommen Sensoren zum Einsatz, die eine wichtige Aufgabe übernehmen. Sensoren sind Treiber und Beschleuniger eines jeden Digitalisierungsprozesses. Um durchdachte Produkte, vernetzte Fabriken, Big Data und intelligente Businessmodelle zu realisieren, sind Sensoren sowohl im Produkt als auch in der Fabrik notwendig. Auf dem Weg der digitalen Transformation finden sich drei Showstopper, die eine Umsetzung in Gefahr bringen können:

Sicherheit beim Thema Sensordaten

Die erste Herausforderung ist fehlendes Vertrauen (engl. Trust). Die Industrie hat ihren Weg ins Internet der Dinge gestartet. Doch es gibt Unternehmen, die ihren Digitalisierungsprozess gestoppt haben oder noch gar nicht begonnen haben. Manche sind noch nicht so weit, wie sie sein könnten. Ein wichtiger Grund ist fehlendes Vertrauen, um Daten, Informationen und Wissen auszutauschen. Auch fehlendes Vertrauen in die existierenden Datenaustauschplattformen, meistens Cloud-Anwendungen.

Ein Maschinenhersteller befürchtet, dass neben einer zugelassenen SAP-Applikation, die die Achse aufgrund der Condition-Monitoring-Daten nachbestellen soll, auch der Mitbewerber an diese Daten kommt und mitbekommt, wie oft die Achse der Maschine bricht. Es kann kein Datenaustausch über Unternehmensgrenzen hinweg erfolgen. So dürfen Zulieferer zum Austausch der Daten mit einem OEM keine Cloud-Plattform nutzen, da oft kein Vertrauen in Cloud-Plattformen besteht.

Algorithmen ziehen Informationen aus den Sensordaten

Die zweite Herausforderung sind fehlende Algorithmen. Der Bedarf an Sensorinformationen steigt unermesslich. Jeder möchte den Zustand der Maschinen, der Werkzeuge oder der Produktionsgüter wissen. Condition-Monitoring ist essentiell auf dem Weg ins Internet der Dinge. Genauso wichtig ist es zu wissen, wo ist meine Maschine, mein Werkzeug oder mein Hilfsgut. Wo ist mein Produkt gerade? Wo ist ein bestimmtes Werkzeug? Wo ist der Werker? Man benötigt Algorithmen, die diese Informationen liefern: intelligente Algorithmen, um diese Informationen aus den eigentlichen Sensordaten zu generieren. Sensordaten von meist kleinen, preiswerten und ungenauen Sensoren.

Die dritte Herausforderung ist Rechenleistung. Immer mehr Sensoren benötigen immer mehr Algorithmen und diese benötigen immer mehr Rechenleistung bzw. Computer- und Controller-Ressourcen. Dabei ist in der Nähe des einzelnen kleinen preiswerten Sensors meist kein Platz für eine zusätzliche Computerressource und keine Energieversorgung dafür vorhanden bzw. die Kosten für die Zurverfügungstellung von beidem bei jedem einzelnen Sensor zu hoch.

Blockchain verbindet Maschine mit der Anwendung

Ein Schritt auf dem Weg ins Internet der Dinge könnte ein vertrauensvoller Wissenslieferant sein. Die Idee ist, Sensoren und Maschinen auf der einen Seite und Applikationen auf der anderen Seite mit einer Blockchain zu verbinden. Es soll Vertrauen in die Vernetzung der Teilnehmer des Internet der Dinge durch eine vertrauensvolle Blockchain geschaffen werden. Die Blockchain ist der Mechanismus des sicheren Geldverkehrs der Internetwährung Bitcoin. Die Blockchain ist ein Register oder auch Ledger genannt, in dem alle Geldtransfers dokumentiert werden und welches von allen Beteiligten verifiziert wird. Die Blockchain verzichtet auf eine unabhängige Instanz, der man vertraut.

So wie eine Bank im Zahlungsverkehr. Man möchte sich nicht von einer Instanz abhängig machen, die das ausnutzen könnte, so wie eine Bank Kontogebühren erhebt oder Geldanlagen betreibt, die der Kunde nicht möchte. Man verteilt die Kontrollinstanz auf in der Blockchain vernetze Rechner. Einem einzelnen dieser Rechner vertraut man auch nicht, aber durch die vielen verteilten Kontrollinstanzen, die sich gegenseitig kontrollieren, können wir diesem System vertrauen.

Wie genau eine Blockchain funktioniert

Als Beispiel dienen drei Parteien, die Geldtransfer betreiben möchten. Jeder der drei Parteien hat ein Konto, ein sogenanntes Wallet. In einem Ledger oder Register werden die Kontostände festgehalten. So ein Register ist eine Tabelle und jeder beteiligte Rechner in der Blockchain hat die Tabelle. Und zwar exakt dieselbe. Keine Kopie oder vorherige Version, wie man das von einer Excel-Tabelle auf einem Server kennt. Erfolgt nun ein Geldtransfer, wird dieser der Blockchain mitgeteilt. Der Empfänger bestätigt den Geldtransfer und alle Teilnehmer müssen diesem Transfer zustimmen und diesen mit den aktualisierten Kontoständen bestätigen. Erst dann ist die Transaktion erfolgt und wird in einen neuen Datenblock in die Blockchain in das Register eingetragen und ist unwiderruflich erfolgt. Somit haben wir einen sicheren Zahlungstransfer. Die einzelnen Kontobesitzer bleiben anonym.

Die zweite Blockchain-Generation heißt Ethereum und der Coin Ether. Dieser Blockchain-Ansatz hat zum einen Nachteile des Blockchain-Ansatzes des Bitcoins ausgemerzt und bietet zudem ein sogenanntes Smart-Contracting. Die Ethereum-Blockchain kann nicht nur eine Währung transferieren, sondern auch einen Hausverkauf abwickeln. Wenn ein Teilnehmer A einem Teilnehmer B sein Haus verkaufen möchte, dann erfolgt das über die Ethereum-Blockchain mithilfe eines Smart-Contractings. Das ist eine vorher festgelegte IF-THEN-Bedingung. Wenn der Teilnehmer A das Geld an Teilnehmer B transferiert, dann wird automatisch Teilnehmer A als neuer Besitzer des Hauses ins Grundbuch eingetragen. Das wird in Honduras bereits umgesetzt.

Maschinen, Sensoren und Applikationen als Teil der Blockchain

Mit einem Smart-Contracting ließen sich Sensordaten sicher austauschen. Maschinen, Sensoren und Applikationen sind dann Teil der Blockchain. Das Vertrauen in die Blockchain erlaubt den Datenaustausch. Zudem stellt die Blockchain ein Bezahlsystem für die zur Verfügung gestellte Information zur Verfügung. Das Smart-Contracting der Blockchain als Lösung und als Vertrauenslieferant für sicheren Datenaustausch.

Eine Applikation könnte über ein Smart-Contracting Daten einer Maschine anfragen. Mit der Anfrage würden direkt die Anforderungen Art des Datums, Qualität der Daten und Zeitraum des Zugriffs übermittelt. Die Maschine würde die Anfrage bestätigen und die Menge an Coins bestimmen, die bezahlt werden müssen. Somit wäre das Contracting vollzogen. Die Maschine selbst könnte einen Algorithmus anfragen und ein Smart-Contracting abschließen. Abschließend fragt der Algorithmus über ein Smart-Contracting eine Rechenressource in der Blockchain an, die ihn ausführt.

Sichere Sensordaten dank Blockchain

Somit wären vier Vertragsparteien und drei Smart-Contracts vorhanden: Applikation – Maschine, Maschine-Algorithmus und Algorithmus-Rechenressource. Die Maschine lässt sich durch einen Sensor ersetzen, auch hier hätte man vier Vertragsparteien und drei Smart Contracts: Applikation – Sensor, Sensor-Algorithmus und Algorithmus-Rechenressource. Jede Partei hat nun einen ihm zugehörigen Public Key (entspricht einer Kontonummer im herkömmlichen Zahlungsverkehr) und einen sogenannten Private Key (entspricht einer TAN im herkömmlichen Zahlungsverkehr) authentifiziert. Der eigentliche Datenaustausch erfolgt weiterhin über eine Cloud-Plattform, aber durch den Mechanismus des Smart-Contractings der Blockchain, dem Public Key und dem Private Key ist der Datenaustausch jetzt vertrauenswürdig. Das bisher mangelnde Vertrauen in einen Datenaustausch vertraulicher Daten über eine Cloud wird durch den darüber liegenden Blockchain-Ansatz garantiert.

Mögliche Szenarien wären Condition Monitoring einer Maschine und die Bereitstellung der Daten an eine SAP-Applikation, die im Bedarfsfall die Achse nachbestellt. Contracting ist in der Logistik denkbar. Container werden bereits heute mit Sensorsystemen versehen, um sie zu orten und ihren Zustand zu überwachen. Hierbei handelt es sich um kritische Daten, die über ein Smart-Contracting sicher an bestimmte Teilnehmer übertragen werden sollen. Ein weiterer Use-Case wären Automobilzulieferer, die ihre Entwicklungsdaten mit dem OEM als Auftragsgeber über eine Cloud austauschen würden, das aber nicht dürfen.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis erschienen.

* Prof. Markus Haid ist Professor für Sensorik und Software-basierte Messdatenverarbeitung an der Hochschule Darmstadt und Gründer des CCASS.

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