Verwalten digitaler Zwillinge

Blockchain bietet neue Wege

25. August 2020, 8:14 Uhr | von Sven Heißmeyer und Johannes Kalhoff

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Blockchain führt zum Erfolg

Zur Pflege der Registratur ergeben sich also folgende Anforderungen: Der Ansatz muss die Unabhängigkeit von einer zentralen dritten Partei garantieren und zugleich eine konsistente Anlaufstelle zum Ermitteln der Eigentumsverhältnisse bilden. Als grundlegender Baustein dient das Darstellen der Eigentumsverhältnisse als geordnete Liste von Änderungen. Sämtliche Besitzerwechsel sind dauerhaft, sobald es das System bestätigt. Aus der letzten verifizierten Transaktion ergibt sich somit der aktuelle Eigentümer. Jede Transaktion kann beispielsweise mit einer digitalen Signatur des vorherigen Besitzers versehen sein. Als Vergleich kann der Eintrag in ein Grundbuch herhalten. In ihm werden die Eigentumsübergänge dokumentiert und sind jederzeit nachvollziehbar (Bild 4).

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Registratur DZ
Bild 4. Eigentumsübertragung als Eintrag in einer Registratur.
© Phoenix Contact

Möglich ist eine solches Nachvollziehen der Eigentumsübergänge ebenso mit einer Blockchain. Sie fungiert als transaktionales System, mit dem sich die Übergänge verbindlich sowie dezentral organisierbar abbilden lassen. In einer Blockchain sind mehrere, im Allgemeinen voneinander unabhängige Transaktionen jeweils zu einem Block zusammengefasst. Die Reihenfolge der Blöcke wird hergestellt, indem jeder Block einen nicht manipulierbaren Verweis auf den Inhalt des vorhergehenden Blocks enthält. Ein solcher Verweis ist in der Regel mit einer Einwegfunktion (Hash) über sämtliche Daten des vorangegangenen Blocks realisiert. Alle Teilnehmer am Wertschöpfungsnetzwerk können folglich eine redundante Liste sämtlicher im Netzwerk vorhandener Blöcke beziehen. Anhand der Liste der Blöcke ist jeder Teilnehmer in der Lage, die Gültigkeit aller Eigentumsübergänge selbständig nachzuvollziehen und den aktuellen Zustand zu ermitteln, etwa den Besitzer eines digitalen Zwillings (Bild 5).

Struktur Blockchain
Bild 5. Grundsätzliche Struktur einer Blockchain.
© Phoenix Contact

Sichern der Konsistenz

Grundsätzlich kann jeder Teilnehmer im Wertschöpfungsnetzwerk neue Blöcke erzeugen, verteilen und auf sie zugreifen. Um die Konsistenz im gesamten Netzwerk zu sichern, sind dazu jedoch zwei Konventionen nötig. Zum einen löst bei widersprüchlichen Blöcken jeder Teilnehmer einen Konflikt gemäß der Regel der längsten Kette selbst. Erhält ein Teilnehmer zwei unterschiedliche Blöcke mit der gleichen Nummer, betrachtet der Teilnehmer den Block mit der höchsten Zahl an vorhergehenden Blöcken – folglich der längsten Kette – als gültig und verwirft den anderen Block. Zum anderen ist das Generieren von neuen Blöcken an das Einbringen einer endlichen Ressource geknüpft. Das verhindert ein Überfluten des Netzwerks mit neuen Blöcken und somit eine Rücknahme bereits bestätigter Transaktionen.

Als frei verfügbare Ressourcen zum Sichern der Blockchain und somit der Verbindlichkeit der Transaktionen kommen folgende Parameter in Frage: Rechenleistung beziehungsweise Energie (Proof-of-Work), zurückgelegtes Kapital im Fall einer Kryptowährung (Proof-of-Stake) oder vorgehaltener Speicherplatz (Proof-of-Capacity). Jeder Teilnehmer, der die im Netzwerk akzeptierte Ressource erbringt, wird also ohne Zustimmung der übrigen Teilnehmer zum Betreiber des Netzwerks. Ist das Einverständnis der bisherigen Betreiber gewünscht, sind ebenso restriktivere Ressourcen möglich, beispielsweise eine per Mehrheitsbeschluss änderbare Liste von autorisierten Teilnehmern (Proof-of-Authority).

Herausforderungen der Digitalisierung
Der sichere Austausch von digitalen Zwillingen über die gesamte Wertschöpfungskette stellt besondere Anforderungen an ein Vernetzen von Herstellern, Maschinenbauern und Betreibern. Am Beispiel der Weitergabe des Eigentums an einem digitalen Zwilling zeigen sich die Vorteile einer Blockchain-basierten Infrastruktur zur interoperablen Digitalisierung. Mehr Informationen gibt es unter:
www.phoenixcontact.de/industrie4_0

 

Signaturmechanismus zur Identifikation

In einem Blockchain-System identifizieren sich die Nutzer über einen digitalen Signaturmechanismus. Hierfür ist ein Public-Key-Schlüsselsystem nötig. Um die Sicherheit des Systems zu gewährleisten, sind öffentliche Schlüssel stets derselben Partei zuzuordnen. Als Schlüsselsystem lassen sich bestehende Public-Key-Infrastrukturen (PKI) einsetzen, die selbst eine zentrale logische Stelle – die sogenannte Root Certificate Authority (Root CA) – als Vertrauensanker besitzen.

Gibt es eine solche zentrale Stelle nicht, sind stattdessen anonymisierte Namen zu nutzen. Solche Kennungen sind von jedem Teilnehmer im Wertschöpfungsnetzwerk praktisch eindeutig erzeugbar: Verwendet wird ein großer Zufallswert, um ein asymmetrisches Schlüsselpaar zu generieren. Aus dem erstellten Schlüsselpaar lässt sich wiederum eine systemweit eindeutige, jedoch nicht sprechende Kennung ableiten. Sämtliche Transaktion, die mit dieser Kennung signiert wurden, sind von jedem anderen Teilnehmer des Wertschöpfungsnetzwerks ohne weitere Kenntnisse auf Gültigkeit prüfbar, was einen wesentlichen Vorteil des Systems darstellt.

»Life«-Erprobung

Mit dem digitalen Zwilling respektive der Verwaltungsschale gemäß Indus­trie-4.0-Definition – wurde ein wichtiger Schritt in Richtung der Digitalisierung von Assets und Wertschöpfungsketten vollzogen. Die Verwaltungsschale stellt dabei die technische Realisierung des digitalen Zwillings einer Komponente dar. Das Pilotvorhaben »Asset Life« der Unternehmen Bosch Rexroth und Phoenix Contact erprobt den digitalen Zwilling im Projekt »Technische Infrastruktur für Digitale Zwillinge (TeDZ)« des Spitzenclusters it´s OWL in einer Infrastruktur mit Blockchain-Mechanismen. Ziel ist ein transparenter, vor Manipulationen geschützter und sicherer Austausch von DZ über die kompletten Wertschöpfungsketten vom Hersteller über den Maschinenbauer bis hin zum Betreiber. Das Forschungsprojekt TeDZ wird mit Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie (MWIDE) des Landes Nordrhein-Westfalen im Rahmen des Spitzenclusters it´s OWL gefördert und vom Projektträger Jülich betreut.

Johannes Kalhoff
Johannes Kalhoff ist im Technology Management bei Phoenix Contact tätig.
© Phoenix Contact

Die Autoren

Johannes Kalhoff studierte Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Energietechnik an der Fachhochschule Bielefeld. 1990 begann er seine Berufslaufbahn bei Phoenix Contact, zunächst als Applikationsingenieur. Später wechselte er in das Produktmarketing Steuerungstechnik und war ab 2002 für den Bereich funktionale Sicherheit verantwortlich. Seit 2007 ist Kalhoff im Technology Management der Phoenix Contact-Gruppe in leitender Position tätig. Neben seiner Arbeit bei Phoenix Contact nimmt er weitere Aufgaben in verschiedenen Industrie- und Wissenschafts-­organisationen wahr. Im Forschungsbereich engagiert er sich im Technologienetzwerk it´s OWL und leitet dort das Pilotvorhaben »Asset Life« im Forschungsprojekt »Technische Infrastruktur für Digitale Zwillinge (TeDZ)«.

Sven Heißmeyer absolvierte von 1999 bis 2004 ein Studium zum Dipl.-Informatiker an der Technischen Universität (TU) München. Anschließend war
er bei Kuka Innotec in Augsburg als Entwicklungsingenieur im Bereich Software-Entwicklung und als Projektingenieur bei IPH – Institut für Inte­grierte Produktion Hannover tätig. Seit 2013 ist er bei Phoenix Contact als Technologiemanager Software beschäftigt. Während sich Heißmeyer anfangs mit der Einführung eines Leitsystems sowie von Product Lifecycle Management (PLM)-Software befasste, liegen seine aktuellen Aufgaben im Technologie-Scouting für digitale Wertschöpfungsketten.

Sven Heißmeyer
Sven Heißmeyer ist Technologiemanager Software bei Phoenix Contact.
© Phoenix Contact

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