Potenzielle Anwendungen und Herausforderungen für Blockchain in der industriellen Automatisierung

Im vorherigen Artikel wurde erläutert, wie Blockchain funktioniert, warum es sicher ist, und wurde mit Blockchain für die Logistik, wie die Lieferkette und das Asset-Tracking, eingeführt. In diesem Artikel werden wir weiterhin Beispiele und potenzielle Anwendungen für Blockchain in der industriellen Automatisierung vorstellen.

Blockchain und IoT

Das Internet der Dinge (IoT) hat weltweit Millionen von Anwendungen, hat aber gleichzeitig viele Sicherheitsrisiken ausgesetzt. Wir hören oft aus den Nachrichten, dass böswillige Akteure IoT-Produkte wie drahtlose Kameras, Amazon Alexa und intelligente Thermostate gehackt und Daten gestohlen haben.

Blockchain kann helfen, die Sicherheitslücke für IoT-Anwendungen zu schließen. Viele IoT-Anwendungen verwenden MQTT für die Kommunikation. MQTT kann durch die Einführung einer blockkettenbasierten OTP-Authentifizierung (Einmalpasswort) in sein Schema gesichert werden.

In 1 registriert ein Benutzer ein entferntes Gerät beim Broker, indem er unter Verwendung eines lokalen Geräts eine Authentifizierungsanfrage an den Broker sendet. Der Broker generiert eine Transaktion und löst die Funktion eines Smart Contracts aus. Es generiert dann ein OTP und sendet es an den Benutzer zurück. Danach veröffentlicht der Benutzer das OTP in der Blockchain, um die Originalität seiner Authentifizierungsanfrage zu demonstrieren.

Abbildung 1. IoT mit Blockchain implementiert. Bild mit freundlicher Genehmigung der U.S. National Library of Medicine

Da das OTP abgelaufen ist, muss der Benutzer den Smart Contract vom lokalen Gerät aufrufen, um zu überprüfen, ob das OTP nicht abgelaufen ist. Sobald das OTP validiert ist, ruft das Remote-Gerät es von der Blockchain ab und sendet es an den Broker. Schließlich ruft der Broker das OTP von der Blockchain ab und genehmigt die Geräteregistrierung.

Alle oben genannten Kommunikationen werden über das Ethereum-Gateway durchgeführt, und die IoT-Anwendung arbeitet daran, das OTP zu generieren und zu überprüfen und mit dem Ethereum-Gateway zu kommunizieren.

Industrial Control System (ICS) Cybersicherheit mit Blockchain

Eine weitere Methode zur sicheren Zugriffskontrolle auf die IoT-Geräte und deren Daten ist die Verwendung von Blockchain zum Speichern der Geräteliste und der Transaktionen. Die Blockchain kann auf einer Ethereum-Plattform mit Truffle Suite entworfen werden. Truffle Suite ist ein Tool zum Erstellen von Smart Contracts mit Ethereum Virtual Machine (EVM). Es erstellt eine datensatzverfolgende und unveränderliche Datenbank zu Authentifizierungszwecken und um Transaktionen sicher zu halten. Die Daten in der unveränderlichen Datenbank können nicht gelöscht oder aktualisiert werden.

Die erstellte Ethereum-Blockchain ist ein privates Netzwerk hinter einer Firewall, und der Server kommuniziert mit der Ethereum-Blockchain mithilfe der Methoden HTTPGet und HTTPPost. Der Smart Contract wurde entwickelt, um jede Transaktion jedes Mal zu authentifizieren. Ethereum Blockchain wird für das private Blockchain-Netzwerk verwendet und Java-basierte Solidity definiert die Verträge.

Blockchain und Prozesskontrolle

Eine Blockchain-basierte vertikale Integrationsarchitektur für ein Prozessautomatisierungssystem (PAS) kann einen industriellen Prozess steuern und überwachen. Eine vertikale Integration sammelt Daten auf der untersten Feld- und Geräteebene und lässt die Informationen auf die oberste Ebene gelangen. Und umgekehrt, von der obersten Ebene zu den Feldgeräten wie zum Beispiel Sollwertänderungen für Regelkreise.

In der vertikalen Integration von PAS-Hierarchieebenen, die parallel zum Echtzeitsystem arbeitet, kann eine dezentrale Blockchain-basierte Netzwerkarchitektur implementiert werden. Dadurch wird die Blockchain in die Aufgabenreihenfolgen wie Kompilieren, Ausführen und Überwachen eingeführt, die vom Bediener auf der Ebene der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ausgeführt werden.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, wird das Blockchain-Netzwerk als Middleware verwendet, um die Unternehmensführungs-, Werksmanagement- und Überwachungsebenen zu verbinden, wobei jede Ebene als Blockchain-Client agiert und dezentral miteinander interagiert.

Geräte auf Prozessleitebene vermitteln die Kommunikation zwischen Feldgeräten und Sensoren über die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Es kommuniziert auch mit den drei Ebenen des PAS über Smart Contracts, die die Aufgabenausführung und Rohdatenerfassung definieren und die Zugriffskontrolle und das Sicherheitsmanagement durchführen. Die Informationen können die Entscheidungsfindung in Unternehmen und Fertigung unterstützen.

Abbildung 2. Prozesssteuerung mit Blockchain implementiert. Bild mit freundlicher Genehmigung der Cornell University [PDF]

In dieser Architektur werden die Verwaltungs- und Kontrollinformationen der SPS-Geräte in den Ledgern im Blockchain-Netzwerk gespeichert, wo Transaktionen validiert werden. Jede Transaktion wird durch eine eindeutige Adresse identifiziert und speichert alle relevanten Informationen, die zwischen verschiedenen Ebenen im PAS ausgetauscht werden sollen.

Die bevorstehende Herausforderung mit Blockchain

Trotz des Erfolgs von Blockchain-basierten Netzwerken in Kryptowährung kann Blockchain nicht kopiert und in andere industrielle Anwendungen eingefügt werden. Im Folgenden sind einige der Herausforderungen aufgeführt, die von Blockchain-Entwicklern berücksichtigt werden müssen, um Blockchain erfolgreich in industrielle Automatisierungs- und Fertigungsanwendungen zu integrieren.

• Blockchain-Miner :In der Kryptowährung werden Miner monetär belohnt, wenn sie eine komplexe mathematische Gleichung lösen. In einer industriellen Anwendung müssen die Aufgaben des Miners durch Rechenprozesse oder Einheiten ersetzt werden, um diese intensiven Aufgaben zu erfüllen. Dies erhöht den Umfang und die erforderlichen Ressourcen und damit die Kosten für den Aufbau des IoT- oder Kontrollnetzwerks.
• Sicherheit :Wir hören immer noch gelegentlich aus den Nachrichten, dass Hacker den Weg finden, die Konten von Kryptowährungsbenutzern zu leeren. Es gibt einige Sicherheitslücken im Blockchain-Netzwerk. Die dezentrale Natur der Blockchain kann ihre Sicherheit erhöhen, schafft aber auch mehr Angriffsziele für Hacker. Forscher müssen einen besseren Weg finden, um die Sicherheit in der Protokollschicht zu erhöhen.
• Geschwindigkeit :Die Zeit zum Mining von 1 Bitcoin beträgt aufgrund der Komplexität des Algorithmus und der Zeit, die er zum Durchlaufen des Mining-Netzwerks benötigt, 10 Minuten. Auf einem Finanzmarkt mag das in Ordnung sein, aber für ein Echtzeit-Kontrollsystem ist es möglicherweise nicht machbar. Forscher müssen die Bandbreite und Verschlüsselungsgeschwindigkeit erhöhen und die Verschwendung von Rechenleistung reduzieren, damit Blockchain in industriellen Anwendungen besser anwendbar ist.
• Langsame Akzeptanz :Blockchain ist ein Ökosystem, das eine breite Akzeptanz erfordert, um effektiv zu funktionieren. Zum Beispiel würde das Tracking und Tracing in Lieferkettennetzwerken nicht nur von einer Organisation die Einführung eines Blockchain-Netzwerks erfordern, sondern auch von ihren Lieferanten. Unternehmen neigen dazu, neue Technologien nur langsam einzuführen, wenn sie einen Konsens mit anderen finden müssen. Verschiedene Geschäftseinheiten müssen zusammenarbeiten und sich gegenseitig vertrauen, um kompatible Blockchains zu bilden, in denen Sicherheit und Transaktionen einwandfrei untereinander funktionieren.
• Qualifizierte Entwickler :Blockchain ist eine aufstrebende Technologie. Die für die Entwicklung und Beherrschung erforderlichen Fähigkeiten sind auf dem Markt nicht allgemein verfügbar. Es ist eine Herausforderung für ein Unternehmen, Blockchain-Entwickler und -Ingenieure zu gewinnen, und ihre Gehälter sind sehr wettbewerbsfähig. Diese Akquisition von Talentbarrieren kann die Integration von Blockchain in Legacy-Systeme verlangsamen. Wie wir jedoch bei anderen Technologien gesehen haben, können Bildungseinrichtungen und die technische Gemeinschaft bei Bedarf helfen, aufzuholen und genügend ausgebildete Arbeitskräfte bereitzustellen.

Auch wenn es bei Blockchain einige Herausforderungen zu geben scheint, ist die gute Nachricht, dass viel daran gearbeitet wird, diese Mängel zu bekämpfen. Organisationen und Technologieführer haben die Vorteile und Potenziale der Blockchain erkannt und investieren in diese Technologie. Wie bei anderen neuen Technologien wird die Blockchain Zeit haben, sich einer rigorosen Herausforderung zu stellen, bevor sie zum Mainstream wird.

Nur die Zeit kann sagen, ob Kryptowährung ein Boom oder eine Pleite ist. Aber die Blockchain-Technologie, zu deren Entwicklung sie beiträgt, wird ihren Wert im Bereich der industriellen Anwendung noch lange behalten.