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Wie man das Internet der Dinge „verlässlicher“ macht

Egal ob bei den Robotern in einer Fabrik oder den autonomen Autos: Im Internet der Dinge ist es unerlässlich, dass „die Verbindung hält“. Systemausfälle oder Angriffe hätten weitreichende Konsequenzen. Forscher an der TU Graz haben Lösungen entwickelt, mit denen man die Verlässlichkeit im Internet der Dinge erhöhen kann. Und das ist erst der Anfang …

Die Aufgaben, die smarte Systeme übernehmen, werden immer komplexer. Daher braucht es im Internet der Dinge umso mehr Verlässlichkeit. „Damit ist sowohl die Daten- als auch die Ausfallssicherheit gemeint“, erläutert Kay Römer vom Institut für Technische Informatik der TU Graz. Er leitet das Leadprojekt „Verlässlichkeit im Internet der Dinge“, bei dem die mit 2 Millionen Euro dotierte erste 3-jährige Projektphase unlängst abgeschlossen wurde. Die nächsten 3 Jahre, abermals mit 2 Millionen Euro, wurden bereits genehmigt.

 

Bereits in der ersten Projektphase hat das Team beachtliche Ergebnisse erzielt. Unter anderem waren dies:
1. Ortungssystem für IoT-Geräte entwickelt
2. Risiko für Seitenkanäle als „Datenleck“ minimiert
3. Korrekte Zusammenarbeit von IoT-Geräten sichergestellt
4. Vernetzte Regelung von IoT-Geräten entwickelt

 

1. Ortungssystem für Geräte im Internet der Dinge entwickelt

Je kleiner und mobiler die IoT-Geräte werden, desto wichtiger ist es, sie genau orten zu können – auch innerhalb einer Fabrik. Gerade in geschlossenen Gebäuden ist die Sichtverbindung zu den GPS-Satelliten blockiert. Dadurch erreichen die Satellitensignale nur mittels Reflektionen auf Umwegen die IoT-Geräte. Somit sind die gemessenen Abstände zu den Satelliten falsch. Römer und sein Team haben ein Ortungssystem für Innenräume entwickelt, wo nur eine Basisstation (analog zu einem GPS-Satelliten) benötigt wird. „Wir nutzen die Reflektion der Signale an den Wänden und benötigen so nur eine einzige Basisstation. Das macht die Ortung genauer und auch verlässlicher.“

 

2. Risiko für Seitenkanäle als „Datenleck“ minimiert

„Ein System ist immer nur so verlässlich, wie seine einzelnen Komponenten“, sagt Römer. Umso wichtiger ist es daher, das verlässliche Zusammenspiel zu gewährleisten. Ein Fokus sind dabei die sogenannten Seitenkanäle. Damit ist zum Beispiel gemeint, dass man Informationen über ein Passwort bekommt, wenn man jemandem nur zuhört (ohne dass man auf die Tastatur schaut). Allein durch die Tastengeräusche – in diesem Beispiel der Seitenkanal – werden Informationen verraten (hier zum Beispiel die Anzahl der Zeichen), die Angriffe vereinfachen und so die Verlässlichkeit vermindern. Das Projektteam hat sich hier eine Lösung überlegt, mit der man ein Programm auf seine Seitenkanäle hin überprüfen kann. Und so entweder nachweisen kann, dass keine Seitenkanäle existieren oder Hinweise bekommt, wie diese behoben werden können.

 

Tastatur mit Caution-Symbol

Beim Passwort eintippen vorsichtig sein – es könnte jemand zuhören …

 

3. Besseres Zusammenspiel von mehreren Geräten im Internet der Dinge

Man kennt es von Präsentationen, die man bei Kunden, auf Konferenzen etc. hält: Man steckt den eigenen Laptop an den vorhandenen Beamer. Und da kommt es immer wieder vor, dass die beiden Geräte aus unerklärlichen Gründen einfach nicht kompatibel sind. Zwar ist das auch bei einer Präsentation nicht unbedingt das „Idealszenario“, die Tragweite ist aber – im Vergleich zu anderen Bereichen – überschaubar. Wenn im (autonomen) Verkehr oder bei smarten Energiesystemen 2 Systeme nicht richtig kommunizieren, kann das im schlimmsten Fall Menschenleben kosten. Dazu Römer: „Wir haben hier einen lernfähigen Algorithmus entwickelt, mit dem man das korrekte Zusammenspiel von IoT-Geräten entweder nachweisen kann, oder Hinweise bekommt wo Korrekturen notwendig sind.“

 

4. Vernetzte Regelung von IoT-Geräten

Das Fahren mit Tempomat ist längst zum Alltag geworden – und damit teilautonomes Fahren. Hier funktioniert die Steuerung meist über Kabel (innerhalb des Autos). Beim Platooning, also dem Hintereinanderfahren von autonom gesteuerten LKW im Konvoi, braucht es aber eine drahtlose Verbindung. Immerhin muss sich das Tempo auch an den anderen LKW in der Kolonne orientieren. Bei drahtlosen Verbindungen ist bislang sowohl die Übertragungsdauer als auch der Verlust von Nachrichten eine Herausforderung. Auch hier haben Römer und sein Team einen Lösungsansatz entwickelt: „Wir haben einen Regelungsansatz entwickelt, der selbst dann noch verlässlich funktioniert, wenn Sensordaten verzögert oder gar nicht übertragen werden.“

 

Die Ideen werden nun sukzessive weiterentwickelt. Dazu hat man unter anderem Kooperationen mit AVL List und anderen Firmen gestartet.

 

Verlässlichkeit für das gesamte Internet der Dinge

Für die kommenden 3 Jahre des Projekts steht nun das „Hochskalieren“ im Fokus. „Es ist ein großer Unterschied, ob man sich die Kommunikation zwischen 2 IoT-Geräten anschaut oder zwischen 2 Millionen davon. Die Lösungsansätze sollten aber auch mit den Millionen IoT-Geräten funktionieren.“

 

Sicherheit by Design

Was die Cybersicherheit angeht, gab es bislang meist einen Wettlauf zwischen Entwicklern und Hackern. Die Hacker fanden eine Lücke, die Entwickler schlossen sie – bis zur nächsten Lücke. Römers Vision sind Systeme, „wo ein Hacken von vornherein gar nicht möglich ist“. Dass die TU Graz mit ihren Forschungen im Bereich Cybersicherheit international in der ersten Liga mitspielt, bewies unlängst der entwickelte ASCON-Algorithmus, der vor allem für smarte Systeme und die Industrie 4.0 interessant ist.

 

Verlässlichkeit intelligenter Systeme

In Zeiten von Künstlicher Intelligenz kommt in Bezug auf Sicherheit noch hinzu, dass sich Systeme laufend verändern – da sie ja „dazu lernen“. Damit können die Systeme einerseits auch lernen, immer verlässlicher zu werden indem sie intelligent auf Störungen reagieren. Andererseits ergibt sich für Römer und sein Team die Herausforderung, „die Verlässlichkeit eines System nachzuweisen, dass sich laufend verändert“.

 

Kontakt zu Kay Römer, Institut für Technische Informatik der TU Graz …

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