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Smart Factory: Per Fog Computing das Potenzial ausschöpfen

Fog Computing ist ein dezentraler Ansatz für IoT-Clouds und hilft dabei, die Vorteile vernetzter, digitalisierter Produktionsumgebungen zu nutzen und dabei Security umzusetzen.

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) und Cloud Computing haben Industrieunternehmen einen gangbaren Weg geebnet, ihre Arbeitsweise weiterzuentwickeln. Eine Smart Factory, neudeutsch für eine intelligente Fabrik, sammelt beispielsweise die Leistungsdaten ihrer vernetzten Maschinen (als Teil des Industrial IoT oder IIoT) und verarbeitet diese Daten in der Cloud.

Auf dieser Basis lassen sich prädiktive Analysen erstellen, die dazu dienen, die Produktion zu optimieren. Damit diese Idee allerdings in der Produktion und anderen industriellen Infrastrukturen tatsächlich funktioniert, muss man einige Vorüberlegungen anstellen. Sind die Cloud-Anwendungen in der Lage, das Volumen industrieller Workloads angemessen zu bewältigen? Welche Sicherheitsvorkehrungen sind unumgänglich, wenn man vernetzte Maschinen, Geräte und Prozesse schützen will?

Eine Smart Factory ist eine stark digitalisierte und vernetzte Produktionsumgebung mit einer Unzahl von Geräten, die über Computing- und Kommunikationsfähigkeiten verfügen. Einige dieser Geräte kommunizieren ausschließlich lokal mit anderen Geräten oder älteren IT-Systemen im Backend. Andere über das Internet auch mit weiteren Systemen.

Cloud Computing spielt für das IoT eine gewichtige Rolle. IoT-Geräte befinden sich an der Grenze zum Internet (daher bezeichnet man sie auch als Edge-Geräte). Diese Geräte kommunizieren über das Internet mit der Cloud bei der Datenverarbeitung, der Analyse und den daraus gewonnenen Ergebnissen und den Kommunikationsstrukturen einer Smart Factory.

Derzeit wird der größte Teil der durch das IoT gewonnenen Erkenntnisse über die Cloud realisiert – die Geräte dienen nur der grundlegenden Erfassung der Daten mittels Sensoren und einfacher Informationsverarbeitung (Aktorik).

Herausforderungen der Cloud-Anbindung

Wenn man beispielsweise ein Smartphone zum Einschalten einer Lampe verwendet, kommuniziert die Anwendung auf dem Smartphone mit einem Endpunkt in der Cloud. Die Cloud verwendet dann eine vorab eingerichtete, ständig aktive Verbindung zurück zum Gerät mit dem Befehl.

Diese Art Command-&-Control-Architektur ist für IoT-Produkte sehr typisch. Die aktuelle Architektur des IoT eignet sich für viele Anwendungsbereiche, insbesondere für den Endverbrauchermarkt. Allerdings eignet sich die Cloud nicht uneingeschränkt für Smart-Factory- und IIoT-Umgebungen.

Eines der wichtigsten Defizite der Cloud liegt im Bereich Zeit. IIoT-Systeme enthalten viele Komponenten, die auf Zeitverzögerungen empfindlich reagieren. Die in Smart Factories verwendete Betriebstechnik unterliegt Echtzeitbeschränkungen. Das gilt für industrielle Steuerungssysteme, speicherprogrammierbare Steuerungen und SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition).

Eine SPS fällt bereits aus, wenn sie innerhalb von Millisekunden kein Signal empfängt und weiterverarbeiten kann. Die Folge ist eine Betriebsunterbrechung. Wenn Smart Factories Daten zur Verarbeitung in die Cloud senden müssen, kann das zu einem Problem werden. Das Senden und Empfangen von Daten dauert für Echtzeit-Steuerungssysteme einfach zu lange.

Wie Fog Computing arbeitet

Genau an dieser Stelle kommt „Fog Computing“ ins Spiel, ein dezentraler Ansatz für IoT-Clouds. Das OpenFog-Konsortium definiert Fog Computing als „eine horizontale Architektur auf Systemebene, die Ressourcen und Dienste für Computing, Speicherung, Steuerung und Vernetzung überall entlang des Cloud-to-Thing-Kontinuums verteilt.“

Fog Computing bezeichnet also eine Cloud-Technologie, bei der die durch Endgeräte generierten Daten nicht direkt in die Cloud geladen werden, sondern zunächst in dezentralen Minirechenzentren vorverarbeitet werden. Die Netzwerkstruktur erstreckt sich dabei von den äußeren Rändern des Netzwerks, wo die Daten von IoT-Geräten generiert werden, bis hin zum zentralen Datenendpunkt in der Public Cloud oder einem privaten Rechenzentrum (Private Cloud).

Der Fog rückt Cloud-artige Ressourcen näher zum Edge wo Dinge und „Netzwerke von Dingen“ fortschrittlichere Rechnerkapazitäten mit weniger Netzwerkverzögerungen nutzen können. Die „Fog-Computing-Ebene“ umfasst mit dem Internet verbundene Systeme zwischen Edge und Cloud, die als Fog-Computing-Ressource verwendet werden. Das können Switches und Router in der Nähe des Edge sein, lokale Rechenzentren und sogar dedizierte Fog-Rechenknoten, die sich am Edge von Networks of Things befinden.

Fog Computing ist der Schlüssel, wenn man die Vorteile des IIoT nutzen will: eine höhere Produktivität, eine bessere Produktqualität und mehr Sicherheit. In Smart Factories liegt ein hohes wirtschaftliches Potenzial. Das haben zuletzt die Marktforscher des Capgemini Research Institute berechnet.

Demnach verfügten 2017 43 Prozent der Unternehmen über laufende Smart-Factory-Projekte, heute sind es bereits 68 Prozent. Solche intelligenten Fabriken sollen der Weltwirtschaft bis 2023 einen Mehrwert von mindestens 1,5 Billionen US-Dollar bescheren.

Aber Smart Factories versprechen auch eine umweltfreundlichere Produktion und eine völlig neuartige Form wie Anbieter mit ihren Kunden zusammenarbeiten können. Stichworte sind „Mass Customization“ und „Individual Customization“ in großem Maßstab. Das sind nur einige Beispiele, die lediglich an der Oberfläche der Möglichkeiten einer Smart Factory kratzen.

IIoT: Die Herausforderungen in Sachen Sicherheit

Neben diesen optimistischen und durchaus realistischen Prognosen gibt es noch beträchtliche Herausforderungen gerade im Bereich Cybersicherheit. Hier gilt es einige nicht unbeträchtliche Hindernisse aus dem Weg zu räumen, wenn man die Potenziale des IIoT ausschöpfen will.

maximillian Gilg, Tripwire

„Fog Computing ist der Schlüssel, wenn man die Vorteile des IIoT nutzen will: eine höhere Produktivität, eine bessere Produktqualität und mehr Sicherheit.“

 Maximilian Gilg, Tripwire

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Konnektivität und neue Technologien, die in Smart Factories zum Einsatz kommen sorgen für komplexe Systeme und Umgebungen. Mit modernen IIoT-Systemen entstehen innerhalb der gesamten Anlage neue Angriffsvektoren für Cyberangriffe.

Je mehr wir diesem Fakt Beachtung schenken und je früher wir Cybersicherheit beim Umsetzen der digitalen Transformation integrieren, desto mehr lässt sich von den Vorteilen des industriellen Internets profitieren. Wenn diese Vision des Smart Manufacturing Realität werden soll, geht das nicht ohne Zusammenarbeit und entsprechende Ausbildung. „Security by Design“ wird eine entscheidende Rolle für die smarte und vernetzte Zukunft spielen.

Wer auch immer beteiligt ist, die bestehenden Grenzen auszuweiten, kommt nicht umhin, gleichzeitig sein Verständnis für Cybersicherheit zu verbessern. Einschließlich derer, die IIoT-Technologien und IIoT-Geräte entwickeln, bauen und verwenden. Es sollte eine starke interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen allen Beteiligten geben.

Cybersicherheit ist kein Silo. Für zukünftige Generationen sollte Cybersicherheit zu einem essentiellen Ausbildungsbestandteil werden. Das trifft für alle auf Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik (STEM) basierenden Inhalte zu. Mindestens Grundlagen der Cybersicherheit sollten berücksichtigt werden. Konnektivität ist bereits heute allgegenwärtig, und sie nimmt weiter zu. Cybersicherheit ist damit nicht mehr allein ein Spezialbereich innerhalb der IT. Sie ist in fast jede Technologie eingebettet, mit der wir in Kontakt kommen.

Innovationen wie Fog Computing tragen dazu bei, das Potenzial von Smart Factories auszuschöpfen. Wie Fog Computing wird Sicherheit ein entscheidender Faktor sein, und es liegt an allen beteiligten Akteuren, das IIoT mit Blick auf die Sicherheit weiterzuentwickeln.

Über den Autor:
Maximilian Gilg ist Security Engineer, Industrial Control Systems bei Tripwire.

Die Autoren sind für den Inhalt und die Richtigkeit ihrer Beiträge selbst verantwortlich. Die dargelegten Meinungen geben die Ansichten der Autoren wieder.

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