MEPHysto

In einer sicherheitsrelevanten Anwendung ist die fehlerfreie Übertragung der Daten notwendig. Somit sind die Maßnahmen zur Fehlervermeidung, Fehlererkennung und Fehlerbehebung erforderlich, um die sichere Kommunikation zu gewährleisten. Die Anforderungen an die relevanten Sicherheitsparameter und die erforderlichen Maßnahmen für das sichere Übertragen der Daten werden in zahlreichen Normen für die funktionale Sicherheit, wie z.B. IEC 61508, vorgeschrieben. Eine dieser Maßnahmen ist die Absicherung der ausgetauschten Nachrichten durch die sogenannte zyklische Redundanzprüfung (en. Cyclic Redundancy Check, CRC), eine mathematische Methode, welche auf der Polynomdivision basiert. Gegenwärtig wird die CRC-Prüfung statisch durchgeführt, mit einem im Vorfeld definierten Polynom für einen bestimmten Kommunikationsprozess. Jedoch, durch die heutigen Technologiemöglichkeiten und die Komplexität der industriellen Prozesse, können die Parameter in einem Kommunikationssystem während des Kommunikationsprozesses sehr stark variieren. Dies trifft insbesondere für die kabellosen Kommunikationssysteme (Wireless, Bluetooth, LTE, G5) zu, die in Industrie 4.0, IoT etc. eingesetzt werden sollen. Dadurch steigt die Notwendigkeit der variablen Gestaltung von Sicherheitsmaßnahmen während der laufenden Kommunikation. An dieser Stelle knüpft der Ansatz von MEPHysto an: Die klassische, statische CRC-Methode ist in eine neuartige dynamische Prozedur eingebunden worden, sodass mehrere Polynome zur Verfügung stehen und abhängig von den aktuellen Kommunikationsparametern eingesetzt werden können. Weiterhin können zusätzliche Sicherheitsmerkmale, je nach aktuell berechneter Wahrscheinlichkeit des Versagens pro Stunde (Probability of Error per Hour - PFH) und daraus resultierenden Sicherheitsstufe (Safety Integrity Level), abgeschaltet beziehungsweise angeschaltet werden. Das Forschungsprojekt MEPHysto hat ein Konzept der Prozedur zur dynamischen Anpassung der Absicherungsverfahren entworfen, prototypisch implementiert und validiert.

Zielgruppe sind alle, die kabelungebundene Kommunikation in der Industrie einsetzen wollen. Die kabelungebundenen Technologien (3G, 4G (LTE), 5G, Bluetooth) bieten Kostenersparnis, da keine Kabel verlegt werden müssen, birgt aber auch neue Risiken und sind störanfälliger. Die Kommunikation kann zwischen Prozess und Steuerung, von Steuerungssystem zu Steuerungssystem oder aber auch HMI (Human-Machine Interface) / Leitwarte zum Steuerungssystem erfolgen. Tendenziell nehmen die Datenmengen vom Leitsystem über Steuerungssysteme zu den Prozessen hin ab, die Übertragungsgeschwindigkeiten nehmen jedoch im gleichen Maße zu. Lediglich die CRCs, die ausgewählt werden sind andere. Das Grundproblem jedoch ist bei allen gleich. Es muss sichergestellt werden, dass auch die eigentliche Übertragung den Sicherheitsanforderungen der Sicherheitsstufen entspricht und eingehalten werden. Aber auch kabelgebundene Kommunikation kann durch diesen Ansatz profitieren, um vor allem die Datenkommunikation zu diagnostizieren und sicherzustellen, dass die geforderte Sicherheitsstufe während der Kommunikation eingehalten wird. Für die Industrie 4.0, IOT, (wireless) Edge Computing ist MEPHysto ein interessanter Ansatz, um in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt werden zu können.

Das Forschungsprojekt MEPHysto wurde im Fachgebiet Rechnerarchitektur und Systemprogrammierung an der Universität Kassel durchgeführt. Hier werden seit 2005 intelligente, zuverlässige und funktional sichere Systeme erforscht und entwickelt. Dabei werden alle Aspekte berücksichtigt: Entwurf von sicheren Hardwarearchitekturen, Entwicklung von funktional sicherer Software, Herleitung von mathematischen Modellen zur Sicherheits- und Zuverlässigkeitsbetrachtung, bis hin zu sicheren Kommunikationssystemen.