Blockchain in der industriellen Automatisierung: Potenziale und Hindernisse

Der vorangegangene Artikel erklärte, wie Blockchain funktioniert, warum sie sicher ist, und stellte den Einsatz für Logistik – Supply Chain und Asset Tracking – vor. In diesem Artikel liefern wir weitere Beispiele und potenzielle Anwendungen für Blockchain in der industriellen Automatisierung.

Blockchain und IoT

Das Internet der Dinge (IoT) hat weltweit Millionen Anwendungen, hat aber gleichzeitig viele Sicherheitsrisiken offengelegt. Wir hören oft in den Nachrichten, dass böswillige Akteure IoT-Produkte wie WLAN-Kameras, Amazon Alexa und smarte Thermostate hacken und Daten stehlen.

Blockchain kann helfen, die Sicherheitslücke bei IoT-Anwendungen zu schließen. Viele IoT-Anwendungen nutzen MQTT für die Kommunikation. MQTT kann durch Einführung blockchain-basierter OTP-Authentifizierung (One-Time-Password) in sein Schema gesichert werden.

In Abbildung 1 registriert ein Nutzer ein Remote-Gerät beim Broker, indem er eine Authentifizierungsanfrage vom lokalen Gerät an den Broker sendet. Der Broker generiert eine Transaktion und initiiert die Smart-Contract-Funktion. Er generiert ein OTP und sendet es zurück an den Nutzer. Anschließend publiziert der Nutzer das OTP auf der Blockchain, um die Originalität seiner Authentifizierungsanfrage zu demonstrieren.

Da das OTP eine Gültigkeitsdauer hat, muss der Nutzer den Smart Contract vom lokalen Gerät aufrufen, um zu verifizieren, dass das OTP nicht abgelaufen ist. Nach Validierung ruft das Remote-Gerät das OTP von der Blockchain ab und sendet es an den Broker. Schließlich ruft der Broker das OTP von der Blockchain ab und genehmigt die Geräteregistrierung.

Die gesamte Kommunikation erfolgt über das Ethereum-Gateway, und die IoT-Anwendung arbeitet daran, das OTP zu generieren und zu verifizieren sowie mit dem Ethereum-Gateway zu kommunizieren.

Industrielle Steuerungssystem-Cybersicherheit (ICS) mit Blockchain

Eine weitere Methode zur Absicherung des Zugriffs auf IoT-Geräte und deren Daten ist die Nutzung von Blockchain zur Speicherung der Geräteliste und Transaktionen. Die Blockchain kann auf einer Ethereum-Plattform mit Truffle Suite designed werden. Truffle Suite ist ein Tool zur Erstellung von Smart Contracts mittels Ethereum Virtual Machine (EVM). Es erstellt eine aufzeichnende, unveränderliche Datenbank für Authentifizierungszwecke und zur Sicherung von Transaktionen. 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 mittels HTTP-GET und HTTP-POST. Der Smart Contract ist so designed, dass er jede Transaktion jedes Mal authentifiziert. Ethereum-Blockchain wird für das private Blockchain-Netzwerk genutzt, und Java-basiertes Solidity definiert die Contracts.

Blockchain und Prozesssteuerung

Eine blockchain-basierte vertikale Integrationsarchitektur für ein Prozessautomatisierungssystem (PAS) kann einen industriellen Prozess steuern und überwachen. Vertikale Integration erfasst Daten auf der untersten Feld- und Geräteebene und ermöglicht den Informationsfluss zur höchsten Ebene – und umgekehrt, von der höchsten Ebene zu Feldgeräten wie dem Ändern von Sollwerten für Regelkreise.

Eine dezentrale, blockchain-basierte Netzwerkarchitektur kann in der vertikalen Integration der PAS-Hierarchieebenen implementiert werden, die parallel zum Echtzeitsystem arbeitet. Dies führt die Blockchain in die Aufgabenordnungen ein – Kompilierung, Ausführung und Überwachung, durchgeführt vom Operator auf der HMI-Ebene (Human-Machine Interface).

Wie in Abbildung 2 gezeigt, wird das Blockchain-Netzwerk als Middleware genutzt, um Unternehmensmanagement, Werksmanagement und Überwachungsebene zu verbinden, wobei jede Ebene als Blockchain-Client agiert und dezentral miteinander interagiert.

Prozesssteuerungs-Ebene-Geräte schlichten Kommunikation zwischen Feldgeräten und Sensoren über die SPS (PLC). Sie kommunizieren auch mit den drei PAS-Ebenen über Smart Contracts, die Aufgabenausführung und Rohdatenerfassung definieren, sowie Zugriffskontrolle und Sicherheitsmanagement durchführen. Die Informationen können Geschäfts- und Fertigungsentscheidungen unterstützen.

In dieser Architektur werden SPS-Gerätemanagement- und Steuerungsinformationen in den Ledgern des Blockchain-Netzwerks gespeichert, wo Transaktionen validiert werden. Jede Transaktion wird durch eine eindeutige Adresse identifiziert und speichert alle relevanten Informationen für den Austausch zwischen verschiedenen Ebenen im PAS.

Die Herausforderungen bei Blockchain

Auch mit dem Erfolg blockchain-basierter Netzwerke in Kryptowährungen lässt sich Blockchain nicht einfach in andere industrielle Anwendungen kopieren. Im Folgenden einige Herausforderungen, die Blockchain-Entwickler für eine erfolgreiche Integration in industrielle Automatisierung und Fertigung berücksichtigen müssen:

• Blockchain Miner: In Kryptowährungen werden Miner monetär belohnt, wenn sie eine komplexe mathematische Gleichung lösen. In industriellen Anwendungen müssen die Miner-Aufgaben durch Rechenprozesse oder -einheiten ersetzt werden, die diese intensiven Verantwortlichkeiten übernehmen. Dies erhöht Umfang und benötigte Ressourcen – und damit die Kosten für den Aufbau des IoT- oder Steuerungsnetzwerks.
• Sicherheit: Wir hören gelegentlich, dass Hacker Wege finden, Kryptowährungsnutzerkonten zu leeren. Es gibt Sicherheitslücken im Blockchain-Netzwerk. Die dezentrale Natur kann die Sicherheit erhöhen, schafft aber auch mehr Angriffsziele für Hacker. Forscher müssen bessere Wege finden, die Sicherheit auf Protokollebene zu erhöhen.
• Geschwindigkeit: Das Schürfen von 1 Bitcoin dauert 10 Minuten aufgrund der Algorithmenkomplexität und der Zeit für die Traversierung im Mining-Netzwerk. In Finanzmärkten mag das akzeptabel sein, für Echtzeit-Steuerungssysteme ist es nicht machbar. Forscher müssen Bandbreite erhöhen, Verschlüsselungsgeschwindigkeit steigern und Rechenleistungverschwendung reduzieren, damit Blockchain in industriellen Anwendungen anwendbarer wird.
• Langsame Adoption: Blockchain ist ein Ökosystem, das breite Adoption benötigt, um effektiv zu funktionieren. Tracking und Tracing in Lieferketten erfordert nicht nur, dass eine Organisation ein Blockchain-Netzwerk adoptiert, sondern auch deren Lieferanten. Unternehmen zögern oft, neue Technologien zu adoptieren, wenn Konsens mit anderen nötig ist. Verschiedene Geschäftseinheiten müssen zusammenarbeiten und sich vertrauen, um kompatible Blockchains zu bilden, wo Sicherheit und Transaktionen fehlerfrei untereinander funktionieren.
• Fachkräfte: Blockchain ist eine aufstrebende Technologie. Die Skills für Entwicklung und Beherrschung sind am Markt nicht breit verfügbar. Es ist eine Herausforderung für Organisationen, Blockchain-Entwickler und -Ingenieure zu gewinnen, und deren Gehälter sind hochkompetitiv. Diese Talentbarriere kann die Integration in Legacy-Systeme verlangsamen. Doch wie bei anderen Technologien können Bildungseinrichtungen und die technische Community bei Nachfrage aufholen und genügend ausgebildete Arbeitskräfte bereitstellen.

Auch wenn es Herausforderungen gibt: Die gute Nachricht ist, dass viel Arbeit im Gange ist, um diese Defizite zu bekämpfen. Organisationen und Technologieführer haben die Vorteile und Potenziale von Blockchain erkannt und investieren in diese Technologie. Wie bei anderen neuen Technologien wird es Zeit brauchen, bis Blockchain einer rigorosen Prüfung standhält, bevor es Mainstream-Adoption findet.

Nur die Zeit wird zeigen, ob Kryptowährung Boom oder Bust ist. Aber die Blockchain-Technologie, die sie hervorgebracht hat, wird ihren Wert in der industriellen Anwendungsarena lange behalten.