Strategien zur IIoT-Implementierung in Automatisierungslösungen

Security als Wettbewerbsvorteil

Die digitale Transformation verändert die Fertigung grundlegend: Ethernet setzt sich immer mehr durch, die IT- und die OT-Ebene konvergieren. Dadurch gewinnt das Thema Cybersecurity auf Produktionsebene zunehmend an Bedeutung. Hier gilt es für Anbieter aktuelle und zukünftige Standards zu unterstützen und sichere Schnittstellen zu implementieren. Modulare Lösungen ermöglichen eine schnelle Integration der Cybersecurity auf hohem Niveau - und damit entsprechende Wettbewerbsvorteile.
 Das Anybus-Kommunikationsmodul von HMS wickelt zusätzlich zur Buskommunikation auch die Kommunikation via OPC UA und MQTT ab.
Das Anybus-Kommunikationsmodul von HMS wickelt zusätzlich zur Buskommunikation auch die Kommunikation via OPC UA und MQTT ab.Bild: HMS Industrial Networks GmbH

Hersteller von Automatisierungsgeräten müssen im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung auch die Anbindung von IoT-Plattformen in ihre Kommunikationsschnittstelle integrieren. Die Herausforderung besteht dabei insbesondere darin, die von der industriellen Anwendung geforderte Sicherheit und Leistung nicht zu beeinträchtigen. Gleichzeitig gilt es neue Cybersecurity-Anforderungen umzusetzen, die in ebenfalls neue Standards einfließen, z.B. die IEC62443 für die Security-Implementierungen.

IIoT-Kommunikation in der Anlage

Um innerhalb einer Produktionsanlage von der IT-Ebene auf die Daten von Robotern, Antrieben, Sensoren oder I/O-Modulen zuzugreifen, bieten sich mit OPC UA und MQTT gleich zwei Kommunikationsstandards an. Beide haben jedoch ihren eigenen Schwerpunkt: OPC UA fokussiert die Standardisierung der Datenmodelle in bestimmten Segmenten, etwa Robotik, Bildverarbeitung oder Spritzguß. Ziel ist eine einfache Integration bei Endkunden. MQTT kann als schlankes Lightweight-Protokoll hingegen schnell und einfach auch in sehr kleine Geräte implementiert werden, bietet dafür aber keine standardisierte Datenmodellierung. Beide Technologien haben ihre Anhänger, aber auch verschiedene Einsatzbereiche. Anbieter von Automatisierungslösungen müssen deshalb eigentlich beide Protokolle implementieren, um alle Seiten zufriedenzustellen. Das ist in der Praxis aufwendig und kostet Zeit.

HMS Industrial Networks hat für die Produktreihe Anybus CompactCom, eine Familie von Embedded-Kommunikationsschnittstellen, ein IIoT-Secure-Modul entwickelt, das sowohl Feldbus- als auch OPC UA- und MQTT-Protokolle integriert. Die Software-Schnittstelle zwischen dem Modul und dem Applikationsprogramm des Automatisierungsgerätes ist standardisiert. Somit haben Hersteller, die bereits ein Anybus-Modul für die Buskommunikation einsetzen, keinen zusätzlichen Aufwand, um Daten über OPC UA und MQTT zu übertragen. Beide Protokolle wurden sicher implementiert und erfüllen somit auch die notwendigen Cybersecurity-Anforderungen. Damit bietet HMS Geräteherstellern eine einfache und schnelle Möglichkeit, ihre Geräte auch ohne Expertenwissen IIoT-fähig zu machen.

Neue Security-Anforderungen

Mit dem steigenden Kommunikationsbedarf im industriellen Bereich nimmt auch die Anzahl der Cyber-Attacken und deren Präzision zu. Die Folgen können dramatisch sein: Wasser- oder Energieversorgung können unterbrochen, die Funktionale Sicherheit in Anlagen kann umgangen werden. Deswegen arbeiten die unterschiedlichen Nutzerorganisationen an neuen Sicherheitskonzepten. Die Modbus Organization hat dafür 2018 eine Modbus-Security-Erweiterung publiziert, um die Kommunikation zu verschlüsseln. Die ODVA hat die Ethernet/IP-Kommunikation 2015 um CIP Security erweitert. Die Spezifikation wird ständig verbessert, um die Implementierung dieser Sicherheitsprozesse für die Anwender einfacher zu machen. Die Robustheit und der Determinismus der Feldbusschnittstelle ist für die nahtlose Steuerung einer kritischen Anlage essenziell. Auch bei der Profibus Nutzerorganisation (PNO) ist das Thema Security stark im Fokus, und die PNO hat 2020 eine erste Sicherheitsklasse (Security Class) vorgestellt, die diese Robustheit garantiert.

Aber auch die Sicherheit der Geräte selbst muss berücksichtigt werden. Eine sichere Kommunikation ist nutzlos, wenn Unbefugte vertrauliche Gerätezertifikate lesen oder diese durch Manipulation der Firmware austauschen können. Die IEC62443-4-1 und -2 beschreiben einen Rahmen dafür, wie Komponentenhersteller bei einer sicheren Implementierung vorgehen müssen. Der erste Teil umfasst den Entwicklungsprozess bis hin zum gesamten Lebenszyklus des Gerätes, der zweite Teil beschreibt die Sicherheitsanforderungen an die Geräte.

Bei HMS stellt man fest, dass Kunden in Projekten die Einhaltung der IEC62443 immer stärker fordern. Daher hat das Unternehmen diese Sicherheitsverfahren in seine Entwicklungsprozesse integriert und im IIoT-Secure-Modul entsprechende Sicherheitsfunktionen implementiert. Das Modul verfügt über eine sichere Verwaltung der Zertifikate, die für die verschlüsselte Kommunikation verwendet werden. Vertrauliche Daten wie private Schlüssel werden auf einem separaten Sicherheits-Chip gespeichert. Beim sicheren Booten wird auch geprüft und sichergestellt, dass nur signierte Software von HMS verwendet wird. Darüber hinaus verschlüsseln die Sicherheitsfunktionen des Moduls die IIoT-Datenverbindungen (OPC UA und MQTT) und unterstützen auch die Sicherheitsanforderungen der jeweiligen industrielle Protokolle.

Für Hersteller von Automatisierungsgeräten bedeutet das: Mit dieser Lösung können sie ohne umfassender Sicherheitskompetenz ein hohes Security-Niveau in ihren Geräten unterstützen. Und in einem Markt, in dem das Thema Security gerade mal in den Startlöchern steht, kann das ein entscheidender Wettbewerbsvorteil sein. Auch im Hinblick auf eine zukunftssichere Lösung.

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