Proseminararbeit. Sicherheitsbetrachtung von Industrie 4.0 und cyber-physischen Systemen. Tim Okolowski 8. Juli 2015

Transkript

1 Proseminararbeit Sicherheitsbetrachtung von Industrie 4.0 und cyber-physischen Systemen Tim Okolowski 8. Juli 2015 Prof. Dr. Jan Jürjens Lehrstuhl 14 Software Engineering Fakultät Informatik Technische Universität Dortmund Otto-Hahn-Straße Dortmund

2 Tim Okolowski Matrikelnummer: Studiengang: Bachelor Informatik Prüfungsordnung: BPO2007 Werkzeugunterstützung für sichere Software Thema: Sicherheitsbetrachtung von Industrie 4.0 und cyber-physischen Systemen Eingereicht: 8. Juli 2015 Betreuer: Jens Bürger Prof. Dr. Jan Jürjens Lehrstuhl 14 Software Engineering Fakultät Informatik Technische Universität Dortmund Otto-Hahn-Straße Dortmund

3 INHALTSVERZEICHNIS i Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlagen Geschichte der Industrialisierung Industrie Internationaler Vergleich Cyber-Physical-Systems Sicherheit Angriffsmöglichkeiten und Gefahren Security by Design Sicherheitsziele für CPS Sicherheitsstandards Zusammenfassung und Ausblick Aktueller Stand Zukunftsprognosen Kritik Fazit Literaturverzeichnis 10

4 ii INHALTSVERZEICHNIS

5 KAPITEL 1. EINLEITUNG 1 1 Einleitung Mit der zunehmenden Digitalisierung werden moderne Produktionsverfahren in der Industrie von immer größerer Bedeutung. Hierzu möchten sich industrielle Konzerne die Vorteile des Internets in Form von vernetzter Software, Hardware und Produktionsstandorten zunutze machen. Ein Zusammenschluss verschiedener amerikanischer Unternehmen, darunter Größen wie IBM, Intel und General Electric, bilden die Organisation Industrial Internet Consortium (IIC), die sich zum Ziel setzt die Entwicklung moderner, vernetzter Industrieanlagen zu fördern und zu lenken. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung weist den Weg mit dessen Zukunftsprojekt Industrie 4.0, eine Initiative um deutsche industrielle Unternehmen auf neue Paradigmen wie das Internet der Dinge vorzubereiten und eine Plattform zu schaffen, die weitere Entwicklungen in diese Richtung fördern. Ziel ist es, dass Deutschland weiterhin als internationaler Produktionsstandort von Hightech-Gütern relevant bleibt. Eine solch elementare Umstrukturierung bringt auch einige Herausforderungen mit sich. Ein großer Aspekt von wachsender Bedeutung ist Sicherheit, sowohl im traditionellen Sinne, was die Sicherheit von Arbeitern innerhalb des Produktionsstandorts betrifft, vor allem jedoch auch die Absicherung gegen Einflüsse und Angriffe von Außen, die sich über die vernetzte Struktur Zugriff auf Systeme des Werks verschaffen und diese manipulieren können.

6 2 2 Grundlagen Industrie 4.0 beschreibt eine Revolution der modernen Industrieanlagen. Um darin den Sprung von bisherigen Errungenschaften zu erkennen, hilft es einen Blick in die Vergangenheit zu werfen und die Geschichte der Industrialisierung zu betrachten. Deutschland ist in seinen Bemühungen um Industrie 4.0 nicht alleine, denn auch die USA konkurrieren mit einer eigenen Organisation rundum das Thema der vernetzten Industriestandorte. Beiden Fraktionen sind allerdings Cyber-Physical-Systems von entscheidender Bedeutung um deren Vision zu ermöglichen. 2.1 Geschichte der Industrialisierung Die Anfänge von Industrialisierung, der ersten Revolution zum Ende des 18. Jahrhunderts, liegen in der Einführung von mechanischen Produktionsmittel, die durch Wasser- oder Dampfkraft betrieben wurden. Dies stieß eine Entwicklung der Automatisierung von Prozessen an, die üblicherweise mit viel körperlicher Arbeit verbunden waren. Der nächste Schritt war die Entwicklung von elektrischen Anlagen die das Konzept von Fließbandproduktion einführten, das heutzutage ein Standard in Fabriken ist. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) bildeten einen weiteren Meilenstein und ermöglichen in vielen Bereichen ein komplettes Ersetzen des Menschen durch eine umfassende Automation mit Elektronik- und Robotiksystemen. Nun steht mit der zunehmenden Vernetzung von computergesteuerten System durch das Internet eine weitere, vierte Revolution bevor auf dessen Basis das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 getauft wurde [HS13]. 2.2 Industrie 4.0 Bei Industrie 4.0 handelt es sich um ein Zukunftsprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Es ist ein Zusammenschluss der Branchenverbände Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA), Bundesverband Informationswissenschaft, Telekommunikation und Neue Medien (BITKOM) und Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie e.v. (ZVEI). Die Vision ist die Entwicklung und Etablierung von intelligenten Fabriken oder Smart Factories die, ähnlich wie Entwicklungen im Bereich der Energieversorgung um Smart Grids, von vernetzten Systemen profitieren sollen und einen neuen Grad an Automation erreichen sollen. Potenzielle Vorteile sind unter anderem eine fle-

7 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN 3 Abbildung 2.1: Rückblick auf die industriellen Revolutionen xiblere Anpassung von Produktionsschritten sowohl an Kundenwünsche als auch als Reaktion auf Veränderungen der Produktionsbedingungen. Ein weiterer Faktor ist eine drastische Erhöhung der Effizienz da im laufenden Betrieb Optimierungen an Ressourcen- und Energieverbrauch vorgenommen werden können. Diese Vorteile sollen Deutschland gegenüber internationaler Konkurrenz wettbewerbsfähig halten, sei es durch sinkende Produktionskosten oder steigende Produktqualität [bmwb]. 2.3 Internationaler Vergleich Industrie 4.0 ist im internationalen Vergleich nicht ohne Konkurrenz. Die USA positioniert sich stark mit der Organisation Industrial Internet Consortium. Gegründet im März 2014 durch die Unternehmen Cisco, General Electric, Intel und IBM, verfolgt die IIC Anwendungsfälle und Testumgebungen zu entwickeln, die in realen Projekten Verwendung finden können. Außerdem sind dem IIC die Schaffung von Standards und unterstützenden Frameworks wichtig, damit kooperierende Unternehmen von einer ähnlichen Basis profitieren können. Die Organisation ist offen gestaltet, so dass weitere Unternehmen die Möglichkeit haben als Mitglieder beizutreten [iicb]. Das IIC hat einen erfolgreichen Start hinter sich, bereits 2 Monate nach dessen Start sind über 50 neue Mitglieder der Organisation beigetreten [iica].

8 CYBER-PHYSICAL-SYSTEMS 2.4 Cyber-Physical-Systems Der Begriff der Cyber-Physical-Systems (CPS) ist von zentraler Bedeutung für intelligente Fabriken. CPS greifen die Konzepte von eingebetteten Systemen auf, denn es handelt sich bei ihnen um Computer-gestützte Systeme die oft nicht-standardisierte, anwendungsbezogene Eingabe- und Ausgabemethoden nutzen, um spezifische Anforderungen und Aufgaben zu erfüllen. Sie grenzen sich jedoch insofern von klassischen eingebetteten System ab, dass sie an offene Netze oder global an das Internet angebunden sind [cps]. Beispielsweise werden CPS in sogenannten Smart Grids, Stromnetze die Erzeuger und Verbraucher miteinander vernetzen und überwachen, um so eine Optimierung des Netzes zu erzielen. Ein weiteres Beispiel ist die Hausautomation, die vom Nutzer auch außerhalb des Hauses steuerbar ist, wofür das System eine Internetanbindung besizten muss. Aufgrund dieser Netzwerkfähigkeit sind CPS die elementaren Bausteine zur Realisierung von vernetzen Industriestandorten, dem Ziel des Projekts Industrie 4.0. Abbildung 2.2: Smart-Home Produkte von RWE als Beispiel für CPS

9 KAPITEL 3. SICHERHEIT 5 3 Sicherheit Bei vernetzten Systemen, gerade bei solchen mit einer Anbindung an das Internet, ist ein ausreichender Schutz gegen Cyberattacken von hoher Wichtigkeit. Dieses Kapitel erläutert welche Lücken Angreifer für Cyber-Physical-Systems ausnutzen können und welche Gefahren dies im Speziellen für industrielle Anlagen birgt. Weitergehend wird das Prinzip der Security by Design erläutert, ein Entwicklungsprozess zur Prävention von Sicherheitslücken. Abgeschlossen wird dies durch Betrachtung, wie Hersteller von CPS von Sicherheitsstandards profitieren können. 3.1 Angriffsmöglichkeiten und Gefahren Eine Netzwerkanbindung kann viele Schwachstellen eines Systems für einen externen Zugriff offenlegen. Buffer Overflows gehören zu den am häufigsten genutzten Schwachstellen mit der sich Unbefugte Zugriff auf ein System ermöglichen oder dieses zum Absturz bringen können. Dies ist ein inhärentes Problem von Programmiersprachen die keine automatische Überprüfung der Speicherzugriffe ausführen. Zu dieses Sprachen gehören C und C++, aber auch Java, da es trotz Speicherüberprüfung durch die Java Virtual Machine (JVM) das Ausführen von nativem Code erlaubt, der nicht mehr der Kontrolle der JVM unterliegt. [WBMQ] Eine weitere Schwachstelle ergibt sich durch die Kenntnis des unterliegenden Hardwaresystems. So kann ein Hacker, sobald er Zugriff zu Teilen des Systems erlangt hat, die Ansteuerung der Hardware manipulieren um beispielsweise falsche Sensorwerte auszugeben die zu Fehlern im System führen, oder Schwingungen [CAS + b] erzeugen die physischen Schaden anrichten können. Bei Systemen mit harter Echtzeit bedeutet das Verfehlen von Zeitschranken ein Fehler im System. So können schon kleine Fehlinformationen im Timing zu Ausfällen führen. Solche Angriffe können erhebliche Konsequenzen haben. Im Falle von Hochsicherheitsbereichen einer industriellen Anlage können so Systemausfälle ausgelöst werden, die lebensbedrohlich für Arbeiter und auch Anwohner sein können, oder eine Beeinträchtigung der Infrastruktur wie bei Ausfällen des Stromversorgungsnetzes mit sich ziehen können. 3.2 Security by Design Üblicherweise wurden mögliche Sicherheitslücken häufig durch Drittherstellersoftware abgedeckt, indem zum Beispiel der Datenverkehr auf auffällige Pakete überprüft wird. Diese Ansätze können jedoch keine absolute Sicherheit garantieren. Sobald erst einmal Schadsoftware eingeschleust wurde ist es schwierig zu verhindern, dass das System manipuliert wird. Zudem ist es häufig mit erhöhtem Aufwand verbunden

10 SICHERHEITSZIELE FÜR CPS das fertige Produkt zu aktualisieren um Sicherheitslücken zu schließen. Dies hängt oft von der hohen Komplexität der Produkts ab und der Infrastruktur in das es installiert ist [WBMQ]. Daher empfiehlt das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen von Industrie 4.0 die Einbindung des Prinzips Security by Design in die Entwicklung moderner, industrieller Produkte [HS13]. Security by Design bezieht sich darauf Sicherheitsbedenken in allen Phasen des Systementwurfs zu beachten. Auf diesem Weg sollen Probleme in der Sicherheit von Beginn an vermieden werden. Ein Verfolgen dieses Prinzips birgt nicht nur Vorteile für Anwender der Systeme, sondern auch deren Herstellern. So wird davon ausgegangen, dass eine frühzeitige Analyse von Sicherheitsrisiken deutlich reduzierte Kosten im Vergleich zu einem nachträglichen Schließen der Sicherheitslücken. Zusätzlich bildet die Kompetenz in Hinblick auf Fragen zur Sicherheit größeres Vertrauen bei Anwendern und kann die Vergabe von Aufträgen beeinflussen [WBMQ]. 3.3 Sicherheitsziele für CPS Die in der Informationssicherheit etablierten Ziele der Integrität, Verfügbarkeit und Vertraulichkeit sind auch für Cyber-Physical-Systems von großer Bedeutung und lassen sich auf diese übertragen, da CPS ähnliche Infrastrukturen wie klassische Computer-Netzwerke nutzen [CASa]. Integrität bedeutet, dass Daten und Informationen die im System ausgetauscht werden nicht verändert wurden und somit korrekt sind. Manipulierte Daten können ein Hinweis auf einen unbefugten Zugriff von Außen geben [itk]. Als ein Fall von verletzter Integrität fällt so beispielsweise die Manipulation von Datenpaketen die von Sensoren ausgehen, um so Fehlinformationen über den Zustand einer industriellen Anlage zu erzeugen. Um eine sichere Kommunikation zu gewähren können unter anderem eine Verschlüsselung oder Signierung der Nachrichten genutzt werden, wodurch die Echtheit und Vertrauenswürdigkeit der Information belegt werden kann [CASa]. Die Verfügbarkeit von Diensten und Funktionen ist wichtig für den korrekten Ablauf von Prozessen im System. In Falle von Web-Software würde der Ausfall eines Servers die Verfügbarkeit beeinträchtigen, wobei ein solcher Vorfall häufig zu verkraften ist, wenn der Server anschließend neu gestartet werden kann. In Cyber-Physical-Systems mit harten Echtzeitschranken ist ein Ausfall eines Teilsystems ein fatales Ereignis, wenn kein Backup-System oder ein Notfallplan zur Verfügung steht. Unter Vertraulichkeit versteht man, dass dem Benutzer Zugriff auf Informationen nur gewährt wird, sofern er die nötigen Rechte hat [itk]. Ein Rechtemanagement sollte immer prüfen ob der Nutzer autorisiert ist, wenn auf sicherheitsrelevante Daten zugegriffen wird. Ein Fehlschlagen von Autorisierung kann die Herausgabe von Firmengeheimnissen zur Folge haben und gerade im Fall der Firmenspionage ausgenutzt werden. CPS können abgesehen von Zugriffen über Netzwerkschnittstellen auch durch das Abfangen von Sensordaten am System selbst ausspioniert werden [CASa]. Hierbei ist es vor allem wichtig, dass Unbefugten der Zugang zu industriellen Standorten verweigert wird.

11 KAPITEL 3. SICHERHEIT Sicherheitsstandards Aufgrund der wachsenden Komplexität von Softwareprodukten können Standards positive Effekte auf die Sicherheit von Cyber-Physical-Systems haben. Oftmals besteht der Code aus vielen Komponenten verschiedenster Hersteller. Eine standardisierte Definition von Sicherheitseigenschaften dieser Komponente kann die korrekte Integration in größere Produkte erleichtern [WBMQ]. Die Bildung von Standards ist allerdings nicht leicht, da sehr große Unterschiede von Hersteller zu Hersteller existieren können. Dies ist in verschiedenen Unternehmensstrukturen, Entwicklungsverfahren und Sicherheitsprozessen begründet. Für Industrie 4.0 ist des daher von hoher Priorität diese unterschiedlichen Strukturen unter festen Standards zu vereinigen [HS13].

12 8 4 Zusammenfassung und Ausblick Abschließend werden der aktuelle Stand sowie Prognosen des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 in Betracht gezogen. Dazu werden auch Kritiken, die am Projekt geäußert wurden, beachtet und in deren Anbetracht ein persönliches Fazit gezogen wird. 4.1 Aktueller Stand Am 14. April 2015 ist die Plattform Industrie 4.0 offiziell gestartet. Während es sich bei dem 2011 ausgerufenen Industrie 4.0 noch um ein Zukunftsprojekt handelte, so setzt sich die neue Plattform für eine praxisnahe Formulierung von Zielen ein. Dies soll in fester Zusammenarbeit mit deutschen Industrieunternehmen geschehen. In Arbeitsgruppen sollen Mitglieder die Themen Standardisierung, Forschung und Sicherheit erarbeiten und diese Ergebnisse in die Praxis übertragen [bmwa]. Die Plattform befindet sich noch ausschließlich in einer Phase der Forschung. 4.2 Zukunftsprognosen Die Plattform Industrie 4.0 plant ab dem Jahr 2016 erste Ergebnisse in Form von Modellen und Leitfaden zu veröffentlichen. Ziele werden in die drei Kategorien Methodik, Lösungen und Voraussetzungen gruppiert. Als ein Hauptziel wird die Erarbeitung eines einheitlichen Modells genannt, das einen Gesamtüberblick über das Netz von Akteuren und Geschäftsprozessen im Bereich der vernetzten Industrie verschafft. Darüber hinaus sollen realitätsnahe Businesspläne und Anwendungsfälle im Bereich sogenannter Wertschöpfungsnetzwerke Interessengemeinschaften die durch Kooperation gegenseitig profitieren geschaffen werden. Auch Ziele und Herausforderungen im Hinblick zu Sicherheit werden genannt. So werden als Hürden die Performance von bisherigen Kryptographie-Funktionen als noch zu intensiv in Laufzeit und Ressourcen bezeichnet. Gerade für CPS und eingebettete Systeme weisen nur begrenzte Leistung vor, sie müssen dennoch ausreichende Sicherheitsanforderungen erfüllen können. Bis 2017 soll eine Lösung vorgestellt werden die Konzepte der IT-Sicherheit auf den Bereich der eingebetteten Systeme überträgt (Embedded IT-Security) [fue]. 4.3 Kritik Obwohl vernetzte Industriestandorten von immer größerer Bedeutung werden ist das Projekt Industrie 4.0 nicht ohne Kritik. Die häufigste Beschwerde ist, dass es noch zu wenigen vorzeigbaren Ergebnissen und erfolgreichen Produkten geführt hat.

13 KAPITEL 4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 9 So scheinen Projekte oft nicht über den Status des Prototypen hinaus realisiert zu werden. In der Kategorie Ergebnisse auf der Webseite der Plattform Industrie 4.0 befindet sich noch kein einziges in der Praxis umgesetztes Projekt. [Lix15] Ein weiterer Kritikpunkt ist die fehlende Kooperation unter den beteiligten Firmen. In diesem Gesichtspunkt ist das Industrial Internet Consortium der Plattform Industrie 4.0 deutlich voraus und konnte in kürzerer Zeit mehr Unterstützer gewinnen. Dies zieht auch einen Verlust an Vertrauen in Industrie 4.0 mit sich. So sind mit Bosch [bos14] und Siemens [Web15] bereits zwei große, deutsche Unternehmen dem IIC beigetreten. 4.4 Fazit Vernetzte Industriestandorte werden in Zukunft immer relevanter. Die Plattform Industrie 4.0 weist einige wegweisende Ziele vor. So werden neben technischen Faktoren und Sicherheitsbedenken auch rechtliche und soziologische Aspekte der aufgezeigten Industrierevolution betrachtet. Im internationalen Vergleich steht sie jedoch im Schatten der IIC, die bereits erste Erfolge verbucht. Lösungen für wichtige Fragen und Probleme sind langfristig geplant, allerdings fehlen praktische Anwendungsfälle und die nötigen Kooperationen zwischen wissenschaftlichen Einrichtungen und Firmen, so dass Berichte von erfolgreichen Produkten ausbleiben. Um der Plattform mehr Aussagekraft zu verleihen müsse es zukunftsweisende Projekte vorweisen, sei es in der Entwicklung Standards oder dem Austausch von Ideen untereinander.

14 10 LITERATURVERZEICHNIS Literaturverzeichnis [bmwa] [bmwb] Gemeinsame Plattform Industrie 4.0 startet. Presse/pressemitteilungen,did= html. Industrie 4.0: Digitalisierung der Wirtschaft. Themen/Industrie/industrie-4-0.html. [bos14] Bosch Software Innovations joins Industrial Internet Consortium. publications html, [CASa] Alvaro A. Cardenas, Saurabh Amin, and Shankar Sastry. Secure Control: Towards Survivable Cyber-Physical Systems. ua.edu/nsf_cps/year1/w8_1.pdf. [CAS + b] Alvaro A. Cardenas, Saurabh Amin, Bruno Sinopoli, Annarita Giani, Adrian Perrig, and Shankar Sastry. Challenges for Securing Cyber Physical Systems. cps-security-challenges-cardenas.pdf. [cps] Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation. Cyber-Physical_Systems.pdf. [fue] Industrie Whitepaper FuE-Themen. de/sites/default/files/i40%20whitepaper%20fue%20version% pdf. [HS13] Ariane Hellinger and Veronika Stumpf. Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie Umsetzungsempfehlungen_Industrie4_0.pdf, [iica] [iicb] Industrial Internet Consortium Reaches Over 50 Members Two Months After Launch. htm. The Industrial Internet Consortium R : A Global Nonprofit Partnership Of Industry, Government And Academia. org/about-us.htm.

15 LITERATURVERZEICHNIS 11 [itk] IT-Grundschutz-Kataloge. ITGrundschutz/ITGrundschutzKataloge/itgrundschutzkataloge_ node.html. [Lix15] Christoph Lixenfeld. IIC hängt Plattform Industrie 4.0 ab. cio.de/a/iic-haengt-plattform-industrie-4-0-ab, ,2, [WBMQ] Michael Waidner, Michael Backes, and Jörn Müller-Quade. Entwicklung sicherer Software durch Security by Design. https: // Software_durch_Security_by_Design.pdf. [Web15] Robert Weber. Siemens tritt IIC bei. vogel.de/marktforschungmarkt-entwicklung/articles/471109/, 2015.