Sicher digital wirtschaften

Cloud Computing, Industrie 4.0, Smart Data, das Internet der Dinge und Dienste – die digitale Transformation der Wirtschaft hat begonnen. Doch um die ökonomischen Potenziale dieses Wandels nutzen zu können, muss nicht nur die Datensouveränität gewährleistet sein, sondern es bedarf auch sicherer und zuverlässiger Kommunikationssysteme.

Die digitale Transformation der Produktion bietet insbesondere Deutschland als einem der bedeutendsten Industrienationen der Welt enorme Chancen. Das haben auch die Unternehmen erkannt. Schon jetzt sind Industrie 4.0-Anwendungen auf dem Vormarsch wie Sensorik-Lösungen, Cyber-physische Systeme oder der Austausch von Planungsdaten mit Zulieferern und Kunden. Bis 2020 will die deutsche Wirtschaft 40 Milliarden Euro pro Jahr in Anwendungen der digitalen Produktion investieren. Das hat eine Studie der Beratungsgesellschaft PricewaterhouseCoopers ergeben. Zwei Drittel der befragten Unternehmen arbeiten bereits aktiv an der Digitalisierung und Vernetzung ihrer Wertschöpfungskette.

Doch damit steigen auch die Sicherheitsanforderungen. Schon jetzt sind moderne Produktionsanlagen miteinander vernetzt. Im Zuge von Industrie 4.0 entwickeln sich Produktionsnetze zunehmend zu Unternehmensnetzwerken oder gar zu Netzen mit externen Firmen weiter. Das eröffnet neue Möglichkeiten, Industrieanlagen anzugreifen. Neben Viren und Trojanern bedrohen maßgeschneiderte Schadprogramme die über das Internet verbundene Fertigung. Sie können Anlagenparameter ausspionieren, Maschinen fremdsteuern, Steuerungen manipulieren oder Prozesse lahmlegen.

Dass dies keine düsteren Zukunftsvisionen sind, sondern bereits Realität, zeigte der Computerwurm Stuxnet, der speziell entwickelt wurde, um Industrieanlagen zu befallen. Und auch im Sicherheitsbericht des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) sind Beispiele zu finden, wie gefährlich Attacken auf Produktionsstätten sein können. So gelang es Hackern, die Kontrolle über einen Hochofen in einem Stahlwerk zu übernehmen. Die Folge: Der Hochofen ließ sich nicht mehr herunterfahren und die gesamte Anlage wurde beschädigt. Schon jetzt verursachen Cyberattacken Produktionsausfälle. Und mit der zunehmenden Vernetzung steigt die Gefahr.

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IT-Sicherheitslabor checkt die Produktionsnetze

Um Sicherheitslücken aufdecken und zuverlässig schließen zu können, bedarf es ausgefeilter Netztechnik und effektiver Prüfmethoden. Mit einem speziell für Produktions- und Automatisierungstechnik ausgestatteten IT-Sicherheitslabor bietet das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe eine gesicherte Testumgebung, um potenzielle Angriffe auf Produktionsnetze nachzustellen, die Auswirkungen zu untersuchen und so Strategien und geeignete Abwehrmaßnahmen abzuleiten.

Die Forscher können darüber hinaus auch die Sicherheitsfunktionen der gängigen Kommunikationsstandards und -protokolle für industrielle Automatisierungssysteme bewerten. Das IT-Sicherheitslabor verfügt über eine eigene Modellfabrik mit realen Automatisierungskomponenten, die eine simulierte Produktionsanlage samt Förderbändern, Elektromotoren, Roboter und Hebeeinrichtungen steuern. Alle Netzwerk-Ebenen einer Produktionsstätte sind mit typischen Komponenten vorhanden, darunter Firewalls, Schaltungen und kabellose Bauteile. Eine eigene Private Cloud erlaubt es den Forscherinnen und Forschern des IOSB, unterschiedliche Konfigurationen flexibel einzurichten und die Modellfabrik auf verschiedene Szenarien einzustellen.

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Mehr Schutz für SPS-basierte Industriesteuerungssysteme

Experten vom Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC im München entwickelten gemeinsam mit ihren Kollegen von Infineon Technologies ein Konzept, das SPS-basierte Industriesteuerungssysteme (speicherprogrammierbare Steuerung) vor unerlaubtem Zugriff und Manipulation schützt. Die Lösung besteht aus Vertrauensankern, den Sicherheitschips der OPTIGA™ Trust Produktfamilie von Infineon und ergänzender Software. Die Chips erlauben nur solchen Bauteilen oder Maschinen Zugriff auf das System, die sich eindeutig identifizieren lassen und als vertrauenswürdig gelten. Gefälschte Ersatzteile oder unerlaubte Reparaturwerkzeuge werden erkannt und abgewiesen. Die Lösung schützt darüber hinaus auch vor Manipulationen durch Schadsoftware, fehlerhafte Software-Aktualisierung und Datendiebstahl. Die Chips verschlüsseln und sichern sensible Daten. So wird die SPS-Programmierung und damit wertvolles geistiges Eigentum sowie Prozess-Know-how vor Diebstahl geschützt.

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Baukasten für industrielle IT-Sicherheit

Um industrielle Anlagen und IT-Komponenten besser schützen zu können, konzipierten Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Sichere Informationstechnologie SIT in Darmstadt die hardwarebasierte Lösung »Trusted Production Platform as a Service«. Damit lassen sich industrielle IT-Netze, Produktionsdaten und Prozesse modular absichern und kontrollieren. Für die Sicherheit industrieller IT-Netze sorgt das »Trusted Core Network« (TCN). Das TCN basiert auf einer Peer-to-Peer-Infrastruktur, die in der Lage ist, die Identität und den Zustand von Netzknoten zu prüfen. Weicht ein Knoten vom vorgegebenen Sollzustand ab, schlägt das System Alarm und schließt manipulierte Netzknoten von der Kommunikation aus. Das TCN verwendet das standardisierte Trusted Platform Module TPM als Vertrauensanker, um Gerätezustand und -identität verlässlich prüfen zu können. Auf jedem Gerät befindet sich ein solches Modul, das Informationen zur erlaubten Software und anderen relevanten Teilen der Konfiguration gespeichert hat. Anhand dieser Daten können Router alle Geräte in der Nachbarschaft prüfen. Die Trusted Production Platform verfügt zudem über ein digitales Rechte-Management (Industrial Rights Management, IRM) zum Schutz der wertvollen Fabrikationsdaten. Damit lassen sich die Produktionsinformationen bereits bei der Entstehung verschlüsseln. Das Rechtemanagement regelt alle wichtigen Parameter des Auftrags und sorgt dafür, dass die Decodierung der Daten und Fertigung nur an dafür vorgesehenen Maschinen erfolgt.

Die Basis für all diese Sicherheitsmechanismen bilden Technologien zur Etablierung von Geräteidentitäten sowie der Sicherstellung der Geräteintegrität. Mit dem Trusted Platform Module (TPM) 2.0 wird im kommenden Jahr die nächste Generation an Hardwarebausteinen zur Identitäts- und Integritätssicherung in den Markt kommen. Der SIT »TPM Software Stack 2.0« in Kombination mit den »TPM Development Tools« stellen eine der ersten Implementierungen der zugehörigen Software und Middleware dar und bilden damit ein integriertes Framework zur Entwicklung innovativer Lösungen.

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Sicherheit für die Netze der Zukunft – SENS (Security-Enhanced Networks)

Neue Sicherheitslösungen werden auch für die Unternehmensnetze der Zukunft gebraucht. Denn immer mehr Firmen nutzen Software-defined Networking (SDN), um ihre Computer-Netze flexibel zu managen. Damit lassen sich Router, Switches und Firewall-Komponenten zentral steuern. Das spart Zeit und Kosten. Der Nachteil: Für Hacker-Angriffe ist die zentral angesiedelte Controller-Ebene ein lohnendes Angriffsziel. Um die Sicherheit von SDN-Netzen prüfen zu können, entwickelten Experten am Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC die Visualisierungssoftware »SENS«. Das Programm analysiert in Echtzeit die Kommunikation zwischen Controller und Anwendungen.

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OrchSec – Sicherheit durch SDN - Software-Defined Networking

Um moderne Netzwerke besser abzusichern, erarbeitete das Fraunhofer-Institut für Sichere Informationstechnologie SIT die SDN-basierte Sicherheitslösung »OrchSec«, mit der sich Netzwerk-Angriffe automatisiert erkennen und abwehren lassen. Dabei werden die Vorteile von SDN genutzt, indem eine spezielle Schutz- bzw. Orchestrierungsschicht über die Ebene der Netzhardware und Nutzerdaten (Data Plane) und die Steuerungsebene der SDN-Controller (Control Plane) aufgesetzt wird. Einen Prototypen der Lösung realisierten die Experten bereits erfolgreich. Das System erkennt und bekämpft unter anderem »ARP Spoofing«, bei dem Hacker versuchen fremde Adressen zu übernehmen und Datenverkehr umzuleiten und abzuhören sowie verschiedene Arten von Denial of Service (DoS) Attacken, die darauf abzielen Netzkomponenten zu überlasten. Zusätzlich erlaubt eine Programmierschnittstelle das Erweitern von »OrchSec« mit beliebigen anderen Sicherheits- oder Management-Funktionen.

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Industrial Data Space – Souveränität über Daten behalten

»In einer zunehmend digitalisierten Welt sind Datensicherheit und Datensouveränität für Unternehmen von existentieller Bedeutung«, sagt Professor Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft. Fraunhofer will deshalb gemeinsam mit der Wirtschaft und in Kooperation mit der Bundesregierung einen international offenen und zugleich sicheren Datenraum schaffen, den Industrial Data Space. »Firmen benötigen einen solchen geschützten Raum, in dem sie nach selbst festgelegten Regeln Daten miteinander teilen oder austauschen können, ohne dabei die Kontrolle über ihre Informationen abzugeben«, erläutert Professor Boris Otto, der das Projekt koordiniert, an dem zwölf Fraunhofer-Institute beteiligt sind. Der Industrial Data Space soll auf Basis eines föderalen Datenhaltungskonzepts den sicheren Austausch der Daten entlang der gesamten »Data Supply Chain« sowie die einfache Kombination eigener Daten mit öffentlichen Informationen ermöglichen – beispielsweise Wetter-, Verkehrs- oder Geo-Daten. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Vertrauensschutz, der durch die Zertifizierung der Teilnehmer, Datenquellen und -dienste sichergestellt wird.

In einer digitalen Wirtschaft sind Daten künftig genauso wichtig wie Kapital, Arbeitskräfte oder Rohstoffe. Sie ermöglichen es innovative Produkte, Dienstleistungen, Prozesse und Formen der Arbeitsorganisation zu entwickeln. So können zum Beispiel Informationen von Krankenkassen, Patienten und Anbietern von pharmazeutischen Produkten helfen, wirksamere, individuellere Medikamente und Behandlungskonzepte auf den Markt zu bringen. Dabei müssen jedoch die beteiligten Firmen und Patienten zu jeder Zeit der Souverän über ihre Daten bleiben. »Der Industrial Data Space hilft diese Innovationspotenziale zu nutzen und stellt grundlegende Dienste für den vertrauensvollen Umgang mit den Daten bereit, zum Beispiel die Anonymisierung von Informationen, Integrationsdienste und das Einstellen von »Verfallsdaten« für das Verwenden der Daten«, erläutert Otto. In dem Projekt arbeitet Fraunhofer eng mit Politik und Wirtschaft zusammen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF fördert ein Forschungsprojekt zum Industrial Data Space mit etwa fünf Millionen Euro. 

Zudem haben am 26. Januar 2016 die Fraunhofer-Gesellschaft, 16 Wirtschaftsunternehmen und der ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. einen gemeinnützigen Verein zum Industrial Data Space gegründet. Dessen Aufgabe ist es, Wissenschaft und Wirtschaft für nachhaltige Lösungen zu vernetzen, die Architektur des Industrial Data Space mit zu gestalten sowie zentrales Organ für die Kooperation mit verwandten Initiativen zu sein.

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