HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT WIEN 3, RENNWEG 89B Höhere Abteilung für Informationstechnologie Höhere Abteilung für Mechatronik

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1 HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT WIEN 3, RENNWEG 89B Höhere Abteilung für Informationstechnologie Höhere Abteilung für Mechatronik Projektnummer: 3R IT Wien, im September 2017 Antrag um Genehmigung einer Aufgabenstellung für die DIPLOMARBEIT Schuljahr: 2017/18 Anzahl Beiblätter: 18 Thema: BUSdriver Aufgabenstellung: Die grundlegende Idee ist es, die Funktionsweise des Bus-Systems zu erlernen und dieses Wissen dann in diversen Bereichen umzusetzen. Die festgelegten Ziele schaffen das nötige Wissen, um schlussendlich eine Schnittstelle zu implementieren, die direkt Telegramme in den Bus übermitteln kann. So soll es dann zum Beispiel möglich sein, über dieses Interface Aktoren zu schalten. Kandidatinnen/Kandidaten: Klasse Individ. Betreuung Unterschrift Kandidatinnen Projektleiterin/Projektleiter Nikolaus Walther 5CN SDO Stellv. Projektleiterin/Projektleiter Alexander Filipovic 5CN SDO Sebastian Dietz 5CN DRU Mario Saidler 5CN SDO Betreuerinnen/Betreuer: Individuelle Betreuung (Hauptbetreuung): Unterschrift Christian Schöndorfer Individuelle Betreuung (Hauptbetreuung Stv.): Matthias Drucks Individuelle Betreuung: Individuelle Betreuung: Als Diplomarbeit zugelassen Datum... AV Dr. Gerhard Hager Datum.. LSI Mag. Bernadette Frauscher

2 Executive Summary (maximum 1 page) Objectives The aim of our project BUSdriver is to gain new experience in the process of working with the KNX bus. We want to develop a tool which achieves the ability to communicate with the system. Risks The greatest risk is the missing Know-How, which we will compensate by working together with our new teacher DRE, who has advanced knowledge in the KNX branch. Milestones (Table of the most important milestones) Date Milestone Product website is online BUS system is readable Traffic can be injected into BUS Penetration test report has been written Documentation of the current BUS Budget and Resources Project budget N/A Costs for school 320 Total man hours 750 h. Diplomarbeit Antrag Seite 2 von 19

3 Inhaltsverzeichnis 1 PROJEKTIDEE AUSGANGSSITUATION BESCHREIBUNG DER IDEE PROJEKTZIELE HAUPTZIELE OPTIONALE ZIELE NICHT ZIELE INDIVIDUELLE AUFGABENSTELLUNGEN DER TEAMMITGLIEDER IM GESAMTPROJEKT PROJEKTORGANISATION GRAFISCHE DARSTELLUNG (EMPOWERED PROJEKTORGANISATION) PROJEKTTEAM PROJEKTUMFELDANALYSE GRAFISCHE DARSTELLUNG BESCHREIBUNG DER WICHTIGSTEN UMFELDER RISIKOANALYSE BESCHREIBUNG DER WICHTIGSTEN RISIKEN RISIKOPORTFOLIO RISIKO GEGENMAßNAHMEN MEILENSTEINLISTE PROJEKTRESSOURCEN PROJEKTRESSOURCEN: SOLL IST VERGLEICH PERSONELLE RESSOURCEN BUDGET GEPLANTE EXTERNE KOOPERATIONSPARTNER GEPLANTE VERWERTUNG DER ERGEBNISSE Diplomarbeit Antrag Seite 3 von 19

4 1 Projektidee 1.1 Ausgangssituation Die HTL Rennweg verwendet ein KNX (EIB) Bus-System zur Steuerung diverser Komponenten, wie Beispielsweise Lichter und Jalousien. Beim Aufbau des Systems wurde leider keine ausreichende Dokumentation an die Schule übergeben. Nun passiert es, dass bei Erweiterungen dieses mangelhaft dokumentierten Systems Bus-Adressen mehrfach vergeben werden. Dies resultiert darin, dass sich bei betätigen einer Jalousie in einem Raum auch in einem anderem Raum der Schule eine Jalousie bewegt. Dies hat uns auf die Idee gebracht, die Funktionsweise und Sicherheit dieses Systems zu untersuchen. 1.2 Beschreibung der Idee Die grundlegende Idee ist es, die Funktionsweise des Bus-Systems zu erlernen und dieses Wissen dann in diversen Bereichen umzusetzen. So soll zunächst eine Dokumentation des bestehenden Bus-Systems der HTL Rennweg erstellt werden, anhand welcher eine typische KNX Topologie kennengelernt werden kann. In weiterer Folge soll dann dieses Bus-System um einige Aktoren erweitert werden, um einerseits Funktionen für die Schule zu realisieren und andererseits um die Funktionsweise des Busses weiter zu festigen. Auch die Angreifbarkeit der IP- Schnittstellen des Systems soll anhand eines Penetration-Tests getestet und anschließend entsprechende Maßnahmen zur Behebung gefundener Schwachstellen getroffen werden. All diese Punkte schaffen das nötige Wissen um schlussendlich eine Schnittstelle zu implementieren, die direkt Telegramme in den Bus übermitteln kann. So soll es dann zum Beispiel möglich sein, über dieses Interface Aktoren zu schalten. In weiterer Folge kann dann für dieses Interface eine grafische Oberfläche programmiert werden, die eine vereinfachte Steuerung von Aktoren über das Interface ermöglicht. Diplomarbeit Antrag Seite 4 von 19

5 2 Projektziele 2.1 Hauptziele RE-M 1 KNX Traffic kann gelesen werden Es ist eine Lösung vorhanden, die den Traffic am KNX Bus lesen und verarbeiten kann. RE-M 2 KNX Traffic kann erzeugt werden Es ist eine Software vorhanden, die Traffic am KNX Bus senden kann. Dies ermöglicht z.b. eine Steuerung diverser Aktoren. RE-M 3 Penetration-Test der IP-Interfaces des Bus-Systems ist durchgeführt Ein Penetration-Test des Bus-Systems ist durchgeführt. Ein Protokoll, das mögliche Schwachstellen beschreibt, ist vorhanden. Weiterführend wird versucht, für die gefundenen Schwachstellen eine Lösung zu finden. RE-M 4 Projektwebsite ist programmiert Es ist eine Projektwebsite mit Informationen der Diplomarbeit verfügbar. Auf dieser ist auch der Fortschritt des Projektes dargestellt. RE-M 5 Dokumentation des Schul-Bus-Systems ist erstellt Es ist eine Dokumentation des Bus-Systems vorhanden. Die Dokumentation beinhaltet: Jegliche vorhandenen Informationen des Bus-Systems Eine Übersicht schaffende Dokumentation des Adresskonzeptes Grundlegende Topologie 2.2 Optionale Ziele RE-O 1 IP-Traffic vom XP PC zum Gira Steuer-Server ist analysiert Das Anwendungsprotokoll der Schul-Lösung zwischen XP PC und Gira Steuer- Einheit ist - zumindest exemplarisch für einige wesentliche Steueraufgaben - untersucht. RE-O 2 GUI für Bus-System ist programmiert Eine graphische Benutzeroberfläche zur Steuerung von Aktoren auf dem Bus ist vorhanden. Diese GUI ist für fortgeschrittene Anwender einfach zu verstehen und zu verwenden. Diplomarbeit Antrag Seite 5 von 19

6 RE-O 3 Schul-Bus-System ist erweitert Das Bus-System der HTL Rennweg ist so erweitert, dass wichtige Parameter im Serverraum überwacht werden können. RE-O 4 Stundenplan ist in das Bus-System programmiert Das Bus-System ist anhand des Stundenplanes der verschiedenen Räume programmiert. Aktoren in den Räumen werden entsprechend dieser Programmierung geschalten. RE-O 5 Datenbank ist modelliert Eine passende Datenbank für die Verwaltung der Aktoren des Bus-Systems ist modelliert. Diese Datenbank wird für das GUI verwendet. RE-O 6 Assistant-Schnittstelle ist programmiert Es ist eine Schnittstelle programmiert, um das Bus-System über einen oder mehrere virtuellen Assistenten (z.b. Google Assistant) zu steuern. Dies ermöglicht das Steuern aus der Cloud. RE-O 7 Bus-Testsystem ist installiert Ein Bus-System mit Test-Komponenten ist installiert. Anhand dieses Testsystems können verschiedenste Teststellungen ausprobiert werden. RE-O 8 Korrekte Steuer- und Abfragebefehle können mithilfe des Gira- Steuerservers abgesetzt werden Ein eigenes Programm oder API kann Komponenten des Bus-Systems - zumindest exemplarisch - über die IP-Schnittstelle steuern. 2.3 NICHT Ziele RE-N 1 Luftfeuchtigkeit des Serverraums wird gemessen Die Luftfeuchtigkeit des Serverraumes wird bestimmt. RE-N 2 Eine Wartung des Systems ist verfügbar Eine weitere Wartung des Systems wird im Rahmen der Diplomarbeit vorgenommen. Diplomarbeit Antrag Seite 6 von 19

7 2.4 Individuelle Aufgabenstellungen der Teammitglieder im Gesamtprojekt Nikolaus Walther Themenschwerpunkt Verantwortlich für das Programmieren einer Projektwebsite und für die Implementierung einer Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Bus. Auch als kreativer Ideenfinder zu den diversen Zielen zuständig. Aufgabenstellung Auflistung der einzelnen Ziele und Anforderungen RE-M 2 KNX Traffic kann erzeugt werden RE-M 4 Projektwebsite ist programmiert RE-O 2 GUI für Bus-System ist programmiert RE-O 6 Assistant-Schnittstelle ist programmiert Alexander Filipovic Themenschwerpunkt Verantwortlich für die Erweiterung des Bus-Systems, dass der Traffic am Bus gelesen und verarbeitet werden kann. Für das optionale Ziel ist es vorgesehen das der Stundenplan in das Bussystem integriert ist. Aufgabenstellung Auflistung der einzelnen Ziele und Anforderungen RE-M 1 KNX-Traffic kann gelesen werden RE-O 4 Stunden ist in das Bus-System programmiert RE-O 7 Bus-Testsystem ist installiert Sebastian Dietz Themenschwerpunkt Der Verantwortungsbereich umfasst den Penetration-Test, sowie das Reverse-Engineering des Buses. Aufgabenstellung Auflistung der einzelnen Ziele und Anforderungen RE-M 3 Penetration-Test des Bus Systems ist durchgeführt RE-O 1 IP-Traffic vom XP PC zum GIRA ist analysiert RE-O 8 Korrekte Steuer und Abfrage-Befehle können mithilfe des Gira-Steuerservers abgesetzt werden. Diplomarbeit Antrag Seite 7 von 19

8 2.4.4 Mario Saidler Themenschwerpunkt Verantwortlich für die Dokumentation des bestehenden Systems, die Modellierung der Datenbank. Fokus besteht zudem auf den Sicherheitsaspekt des KNX-Systems. Aufgabenstellung Auflistung der einzelnen Ziele und Anforderungen RE-M 5 Dokumentation des Schul-Bus-Systems ist erstellt. RE-O 3 Schul-Bus-System ist erweitert RE-O 5 Datenbank ist modelliert Diplomarbeit Antrag Seite 8 von 19

9 3 Projektorganisation 3.1 Grafische Darstellung (Empowered Projektorganisation) 3.2 Projektteam Funktion Name Kürzel PA Christian Schöndorfer SDO PL Nikolaus Walther WAL PTM Alexander Filipovic FIL PTM Sebastian Dietz DIE PTM Mario Saidler SAI Diplomarbeit Antrag Seite 9 von 19

10 4 Projektumfeldanalyse 4.1 Grafische Darstellung Diplomarbeit Antrag Seite 10 von 19

11 4.2 Beschreibung der wichtigsten Umfelder # Bezeichnung Beschreibung Bewertung 1 Nikolaus Walther Engagiert, kritisch, effizient + 2 Alexander Filipovic Engagiert, motivierend + 3 Sebastian Dietz Engagiert, fleißig + 4 Mario Saidler Engagiert, fleißig + 5 Matthias Drucks Engagiert und organisiert betreut er unser Team und gibt nützliche Tipps + 6 Christian Schöndorfer Hält und pflegt Kontakt mit anderen Umwelten + 7 Feldbacher Würde uns ein KNX-Testbussystem spendieren +/- 8 Drechsler Assistiert uns als Experte für KNX + 9 Weinzierl Würden uns Hardware und Software für KNX- Systeme spendieren +/- 10 Schulleitung Hat das Projekt bereits genehmigt +/- 11 Controller 12 Web-Server 13 Raspberry-Pi Ist das Steuerelement des KNX-Systems. Er leitet die Befehle an die Aktoren Der Server auf dem die Website als auch projektspezifische Dokumente abgespeichert sind Das zukünftiges Steuerelement, welches mit dem KNX-Bus kommuniziert und wichtige Informationen per an Zuständige übermittelt Know-How Das Know-How des Teams im Bereich KNX +/- Diplomarbeit Antrag Seite 11 von 19

12 5 Risikoanalyse 5.1 Beschreibung der wichtigsten Risiken # Bezeichnung Beschreibung des Risikos P A RF 7 Feldbacher 10 Schulleitung 12 Web-Server 9 Weinzierl 11 Controller 13 Raspberry-PI 14 Know-How Kann die Übergabe des KNX- Testbussystems verweigern Könnte aufgrund von mangelhafter Handhabung des Echtzeit- Bussystems das Projekt abbrechen Kann ausfallen oder beschädigt werden, was zum Verlust der Produktseite und projektinterner Dokumente führt Könnten unsere Idee stehlen und selber umsetzen Kann defekt werden, was das Reverse-Engineering und Steuern unmöglich macht Könnte nicht leistungsstarkgenug sein um mit dem Bus zu kommunizieren, beziehungsweise könnte ausfallen/defekt werden Das Know-How des Teams könnte nicht ausreichend sein, um das Projekt zum Erfolg zu führen. Auch kann das fehlende Know-How eine Unterschätzung des Projektumfanges zur Folge haben Alle negativen Einflüsse der Umfeldanalyse kommen in die Risikoanalyse. P...Eintrittswahrscheinlichkeit des Risikos A...Schadensausmaß bei Eintritt des Risikos RF...berechneter Risikofaktor Die Tabelle wird im Anschluss nach absteigendem Risikofaktor geordnet. Danach werden die Risiken aus der Analyse in das Portfolio übertragen und A / B / C Risiken identifiziert. Diplomarbeit Antrag Seite 12 von 19

13 Risikoportfolio Diplomarbeit Antrag Seite 13 von 19

14 Risiko Gegenmaßnahmen # Bezeichnung Gegenmaßnahme 7 Feldbacher Testsystem wird nur als optionales Ziel aufgenommen 10 Schulleitung 12 Web-Server Nicht während der Schulzeit an dem Echtsystem arbeiten und sich vorher vergewissern, dass keine Schäden entstehen können Viele Backups machen beziehungsweise einen Notfall-Server einrichten, der im Ausfall übernimmt. 9 Weinzierl Kontrollierte Kommunikation 11 Controller 13 Raspberry-PI Viele Backups machen beziehungsweise einen neuen Controller besorgen Mehrere Raspberry verwenden falls einer ausfällt, oder auf ein effektiveres System umsteigen 14 Know-How Experten werden hinzugezogen Für die höchsten Risiken werden ganz konkrete Gegenmaßnahmen geplant einerseits um die Eintrittswahrscheinlichkeit zu verringern, andererseits um das Schadensausmaß zu verringern. Diplomarbeit Antrag Seite 14 von 19

15 6 Meilensteinliste Darstellung der Meilensteine mit geschätzten Terminen Datum Meilenstein Produktwebsite ist online Auf Bus-System kann gelesen werden Traffic kann in das Bus-System injected werden Penetration Test-Report ist geschrieben Dokumentation des Schul-Bus ist abgeschlossen Diplomarbeit Antrag Seite 15 von 19

16 7 Projektressourcen 7.1 Projektressourcen: Soll Ist Vergleich SOLL Bereich IST Risiko (X) PSP (X) KNOW-HOW im Bereich KNX mangelhaft X KNOW-HOW im Bereich C mangelhaft KNX-Testsystem vorhanden x Experten Equipment (HW+SW) vorhanden vorhanden 7.2 Personelle Ressourcen # Teammitglied Personenstunden 1 Nikolaus Walther 187,5 2 Alexander Filipovic 187,5 3 Sebastian Dietz 187,5 4 Mario Saidler 187,5 SUMME 750 Diplomarbeit Antrag Seite 16 von 19

17 7.3 Budget Auflistung der Aufwände für die Durchführung der Diplomarbeit Pos. Bezeichnung des Aufwands Kosten Kumuliert 1 Raspberry PI 3 Model B x2 EUR 35 EUR 70 2 Weinzierl 5254 KNX USB Interface Stick 332 x2 EUR 125 EUR Gesamtkosten EUR Kostendeckung Die Kosten für die von der Schule benötigten Aktoren und weitere benötigte Materialien für diese werden von dieser beglichen. Ein KNX-Testsystem wird von unserem Sponsor bereitgestellt. Diplomarbeit Antrag Seite 17 von 19

18 8 Geplante externe Kooperationspartner Elektro-Menhardt unterstützt die Diplomarbeit mit einem KNX-Testsystem, auf dem verschiedenste Teststellungen ausprobiert werden können, bevor sie im Produktivsystem durchgeführt werden. Die Firma Weinzierl unterstützt uns mit technischen Ressourcen, die uns die Anbindung unserer Lösung an den KNX-Bus ermöglicht. Diplomarbeit Antrag Seite 18 von 19

19 9 Geplante Verwertung der Ergebnisse Nach Beendigung der Diplomarbeit ist die Schule in Besitz einer Dokumentation des Bus-Systems, mit welcher nun das Erweitern und Warten ordnungsgemäß erledigt werden kann. Zudem können Benutzer mit der neugewonnenen Benutzeroberfläche die Aktoren des Bus-System einfach und übersichtlich steuern. Die Teammitglieder können dann außerdem sagen: "I bims. 1 Elektriker." Diplomarbeit Antrag Seite 19 von 19