Speichermedien für industrielle Umgebungen Hart, aber hart genug?

Millionenfach sind sie rund um den Globus zu finden: mobile Speichermedien wie CF- und SD-Karten sowie USB-Sticks in einfacher Ausfertigung, als Schlüsselanhänger oder in Form eines VW Käfer, eines Hundes oder einer Erdbeere. Den Komfort, einen Datenträger von einem Ort zum anderen in der Hosentasche oder am Schlüsselbund mitzunehmen, schätzen immer mehr Menschen – leider auch in industriellen Umgebungen.

Robuste Gehäuse für die Speicherchips eines USB-Datenträgers sind problemlos verfügbar, wenn auch zu leicht erhöhten, aber meist noch gerechtfertigten Preisen. Damit ist jedoch nicht einmal die Hälfte des Problems gelöst. Denn dadurch sind die Chips zwar vor Sand, Feuchtigkeit, ölige Atmosphären, Salznebel oder Chemikalien geschützt, wie aber sieht es mit den vier Kontakten des USB-Steckverbinders aus? Sie bleiben oft zugänglich und damit ungeschützt.

Und auf der anderen Seite muss für jeden Datenträger eine entsprechende Buchse her. Es sind die tollsten, lustigsten und sogar haarsträubendsten Versuche unternommen worden, mittels zusätzlichen Außenhüllen, der großzügigen Anwendung von Feuchtraumsilikon und Kabelbinder oder Klappen an der Gehäusewand eine USB-Buchse wasserdicht oder halbwegs feuchtraumtauglich zu bekommen. Dabei sind viele Stunden sowie viele Euro verlorengegangen. Ob Selbermachen oder Einkaufen die bessere Alternative sei, ist oft nicht untersucht worden, weil es auf den ersten Blick sowieso keine Alternative zur weitverbreiteten USB-Buchse gibt. Eine einfache USB-Einbaubuchse Typ A kostet mittlerweile nur wenig Eurocent, kommerziell verfügbare wasserdichte Varianten sind je nach Design für zehn bis fünfzig Euro pro Stück zu bekommen. Selbst dieses höhere Investment garantiert nicht den zuverlässigen Betrieb über längere Zeit. Kurz gesagt: Ein System, das vor vielen Jahren für die wohlgeordnete Umgebung des heimischen Wohnzimmers oder gepflegten Büros entwickelt worden ist, kann den Strapazen des industriellen Gebrauchs nicht lange standhalten. Das liegt nicht zuletzt an den einseitigen Kontakten, die nur für eine sehr begrenzte Anzahl von Steckzyklen ausgelegt sind und außerdem keinen mechanischen Halt bieten.

Es gibt bereits Typ A, B, mini- und micro-USB, und jetzt kommt weiteres Chaos ins Spiel: Mit der Einführung der neuen USB-3.0-Steckverbinders vom Typ C Anfang 2015 will das »USB Implementers Forum« (USB-IF) eigentlich mit den verschiedenen Formaten und Inkompatibilitäten aufräumen. Leider wird dadurch nur eine weitere Runde an Neuentwicklungen rund um den Globus nötig sein, um für die Zukunft gerüstet zu sein. Die neue Buchse ist physikalisch wieder anders, wesentlich kleiner als die bisherigen und bietet, wenn überhaupt, noch weniger mechanischen Halt für einen eingesteckten Datenträger als vorher. Der Typ C ist hauptsächlich für Kabel und nicht für steckbares Zubehör gedacht.

Zwanzig Jahre lieferbar

Neu ist das Problem nicht. Vor über 25 Jahren standen zwei Brüder in den USA vor dem Problem, häufig Daten aus einer industri¬ellen Anwendung von einem Ort zum anderen – also offline – übertragen zu müssen. Die Lösung sollte so einfach, so robust und so intuitiv wie möglich sein. Das Ergebnis der Überlegungen war ein handlicher Datenträger in Schlüsselform (siehe großes Bild). Der passenden Buchse mit festem Halt der Datenträger und intuitiver Bedienung spendierten sie doppelte, selbstreinigende Goldkontakte. Damit sollten Wackelkontakte der Vergangenheit angehören.

Dieses Konzept war der Grundstein für Datakey Electronics. Mit ganz wenigen Ausnahmen sind Ersatzschlüssel für Systeme lieferbar, die schon vor über zwanzig Jahren in Betrieb genommen worden sind. Mit Speicher für die Unterhaltungselektronik ist so etwas bereits nach wenigen Jahren unmöglich, da sich Speichergröße und -formate alle paar Jahre ändern, was eine kostspielige Neuentwicklung oder Überarbeitung bestehender Produkte mit sich bringt.

Datakey hat über die Jahre EEPROM-Speicher mit Microwire, I²C sowie SPI in den Schlüsseln eingegossen (Bild 1). Sie halten mindestens 15 000 Steckzyklen, was bei viermaligem Betrieb täglich in einer Arbeitsumgebung eine Produktlebensdauer von über 15 Jahren verspricht. Das Material für die Ummantelung besteht aus einer über die Jahre optimierten Mischung, die zum Beispiel auf verschiedene Chemikalien oder Salznebel überhaupt nicht reagiert, die sich im Autoklav oder mit Ethylenoxid (EtO) sterilisieren lässt sowie äußerst hart ist und mit einem SUV überfahren werden kann, ohne darunter zu leiden. Die acht Goldkontakte auf beiden Seiten sind versenkt und damit auch mechanisch geschützt. Die Kunststoffummantelung lässt sich auch in anderen kundenspezifischen Formen und Farben gießen und stärkt damit die Corporate Identity der Anwendung.

Das ebenfalls von Datakey später entwickelte Token-Format bietet eine in der Herstellung vereinfachte Konnektivität mit ebenfalls festem mechanischen Halt für den Datenträger sowie die Flexibilität, Speichergrößen von 1 KBit (zum Beispiel für einfache Verifizierungs- oder Identifikationsmaßnahmen) bis mittlerweile mehrere Gigabyte anzubieten. Die Token sind sowohl mit den maschinennahen Microwire-, I²C- und Flash-Protokollen als auch mit dem völlig kompatiblen SD- und USB-Protokoll erhältlich (Bild 2), wo sie vom Betriebssystem als Massenspeichergerät automatisch mit einer Laufwerksidentität versehen werden. Da die unzählbar vielen Hersteller von USB-Speicher für Konsumelektronikanwendungen oft nach deren eigener Interpretation der Spezifikation arbeiten und dadurch schwer zu lokalisierende Probleme verursachen können, betreibt Datakey laut eigener Aussage einen erheblichen Aufwand, um langfristige Rückwärtskompatibilität zu gewährleisten und achtet akribisch auf die Einhaltung der Spezifikationen.

Die Schlüssel- und Token-Datenträger eignen sich auch gut als Dongle. Ein paar Bits und Bytes, die nur der Anwendungsentwickler versteht, auf einem sonst für die breite Masse nicht anwendbaren Datenträger gespeichert, und die ausschließlich autorisierte Nutzung einer Anwendung oder einer Maschine ist gesichert, wo auch immer sie auch steht. Tokens und Schlüssel sowie ein neulich eingeführtes Bar-Format (Bild 3) sind häufig als CIK (Crypto Ignition Key) im Einsatz und können vor Spionage sowie dem mutwilligen Missbrauch von Systemen schützen.

Vor Missbrauch gut geschützt

Die besondere Anordnung der Kontakte hat einen positiven Nebeneffekt: eine erste Hürde gegen Missbrauch. Im Gegensatz zu USB-Sticks können die Datenträger von Datakey nicht einfach in jeden PC, Laptop oder irgendeine Maschine mit USB-Port gesteckt werden. Das hat für sich mehrere Vorteile: Zuerst hat der Lieferant – der OEM – die volle Kontrolle über das, was an sein Gerät angeschlossen wird. Er allein programmiert die Datenträger und kontrolliert deren Verteilung. Sie sind weder im Elektronikladen an der Ecke noch online verfügbar und werden explizit nur an verifizierte OEMs nach vorheriger Kontrolle ausgeliefert.

Ein verloren gegangener Schlüssel oder Token lässt sich daher recht einfach für ein System sperren. Bei anderen Installationen ist er ebenfalls nicht brauchbar, da die darauf gespeicherten Daten für ein anderes System keinen Sinn ergäben. Auch können nicht Eingeweihte die Daten mit ihrem PC zu Hause nicht auslesen, da sie zum einen mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit keine passende Buchse am Rechner haben und zweitens die Bedeutung der verschiedenen Bits nicht kennen. Wenn der Inhalt zusätzlich noch verschlüsselt ist, bildet sich ein mehrstufiges sicheres System, das ohne weiteres gegen Spionage und sonstigen Unfug gerüstet ist.

Da die Buchse ein Token oder einen Schlüssel bei Vibrationen und Schock mit bis zu 7 g festhält, eignet sie sich für den mobilen Einsatz in Fahrzeugen aller Art, in Güter- und Passagierzügen sowie in Flugzeugen. Die nächste Anwendung im In-Flight-Entertainment steht kurz bevor, denn kurzlebiges Programmmaterial lässt sich darauf speichern. Routeninformationen sind bereits auf Datakey-Datenträger in slowenischen Bussen gespeichert. In der tschechischen Transportbranche werden bei Lkw-Touren die Betriebsdaten der Fahrzeuge mit GPS-Daten verknüpft und auf den robusten Datenträgern für spätere Bearbeitung im Büro festgehalten.

Der US-Wetterdienst setzt Speichermodule des Unternehmens hoch auf den Bergen bei winterlichen Minusgraden sowie bei sengender Sommerhitze in der Wüste ein. Die für solche Anwendungen passende Buchse in IP66- oder IP67-Ausführungen sowie solche mit einem Gehäuse aus elektrisch leitendem Material, um den EMI-Schutz in elektromagnetisch belasteten Umgebungen zu gewährleisten, sind vorhanden. Damit werden sie nicht überdimensional groß sondern nehmen sogar viel weniger Platz auf der Frontplatte in Anspruch als ein Kartenleser.

Über den Autor:

David J. Jayne ist Geschäftsführer von DigiMem Deutschland.