FZI FORSCHUNGSZENTRUM INFORMATIK Entwicklungen in der Automatisierungstechnik, Halbleitertechnologien, Kommunikation und Safety Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Hübner FZI Forschungszentrum Informatik am Karlsruher Institut für Technologie 10.06.2013
Forschungsthemen und Anwendungsfelder FZI-ESS Entwurfsautomation, (Virtual) Prototyping, Entwicklungsabsicherung und Life-Cycle-Management Embedded Security Quelle: vector informatik Parallelverarbeitung, Multicore und Hardware-Beschleunigung Industrieautomation Quelle: FZI Quelle: FZI Mobilität und intelligente Fahrzeugund Verkehrssysteme Funktionale Sicherheit und Betriebssicherheit in der Fahrzeugentwicklung Quelle: Porsche Quelle: FZI Diagnose und Testing Quelle: MBtech 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik Quelle: FZI 2
EMBEDDED SECURITY 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 3
Produktpiraterie verhindern mit Softwareschutz Schäden durch Produkt- und Markenpiraterie für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau: 7,9 Milliarden Euro jährlich. Quelle: VDMA Fälschungen reichen von Komponenten und Ersatzteilen bis zum Nachbau komplexer Gesamtanlagen 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 4
Herausforderungen von Embedded Security Zunehmende Vernetzung eingebetteter Systeme (Internet der Dinge und Dienste) Beschränkte Ressourcen (Verglichen mit PCs) Hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit (Safety) Geringes Security-Selbstverständnis in der Automatisierung Strukturierte Security-Analyse und Bewertung Angreiferszenarien, Schutzziele, Security-Anforderungen Schutzkonzepte für eingebettete Systeme Technologiespezifische Security-Lösungen 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 5
Embedded Security Forschung am FZI SecSPS: Plattformunabhängiger Softwareschutz für eingebettete Steuerungssysteme Schutz von Applikationen Herausforderungen Zunahme des Software-Anteils (SPS-Programme) in Umfang und Wertschöpfung Ziele Kopierschutz / digitales Rechtemanagement (DRM) für IEC 61131-3 Applikationen Schutz vor Reverse Engineering Schutz vor unerlaubter Vervielfältigung von Programmcode Sicherstellung der Integrität und Authentizität durch Codesignatur Lösung Verschlüsselung von Projektdateien (Quellcode) in der Entwicklungsumgebung Kopierschutz für Applikation (Binärcode) Kann nur in Verbindung mit Schüssel ausgeführt werden Lizenz- bzw. Rechte-Management für Applikationsteile Partner WIBU Systems AG 3S-Smart Software Solutions GmbH FZI Forschungszentrum Informatik EmbOSYST Integritätsschutz eingebetteter Betriebssysteme Herausforderung Erforschung und Entwicklung von Schutzmechanismen für den sicheren Betrieb eines eingebetteten Echtzeit-Betriebssystems in einer offenen Internetumgebung Ziele Erstellung von Anforderungs- und Schutzprofilen Erforschung unterschiedlicher Protokoll- und Architekturalternativen Prototypenentwicklung auf FPGA-Basis Lösung Neuartige Hardware-Architektur garantiert Systemintegrität eines eingebetteten Systems über den gesamten Lebenszyklus Partner WIBU Systems AG Hyperstone GmbH Wind River Systems GmbH (assoziiert) FZI Forschungszentrum Informatik Quelle: WIBU Systems AG 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 6
SAFETY - FUNKTIONALE SICHERHEIT 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 7
Herausforderungen Umfeld Elektronische Systeme der Automation müssen höchst sicherheitsrelevante Aufgaben (SIL) zuverlässig und fehlerfrei erfüllen Physikalische Hardware unterliegt zufälligen Effekten Jeder Hardware-Fehler (Fehlerursache) kann zu fehlerhaftem Systemverhalten führen Entwicklung von Maßnahmen zur Erkennung und Reaktion Herausforderung Qualitative und quantitative Analyse bereits in der Konzeptphase der Systementwicklung Traceability von Sicherheitsanforderungen und Fehlerpropagation Hohe Systemkomplexität Modellbasierte Entwicklungsunterstützung Metrikbasierte Safety-Analyse und Bewertung 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 8
FZI FORSCHUNGSZENTRUM INFORMATIK Charakterierung Schaltplan Palette 1 Report Berechnen / Analysieren 2 Berechnungsmetrik Generieren des Report 3
PROFIBUS KOMPETENZ 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 10
FZI ist PI Competence Center (PICC) Sichtbarkeit als kompetenter und unabhängiger Partner Unterstützung bei Fragen Dialog und Synchronisation mit der Automatisierungsdomäne Testumgebung zur Nachstellung unterschiedlicher Szenarien Forschungsausrichtung auf entwicklungsunterstützende Methoden und Werkzeuge sowie neue Technologien 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 11
FZI FORSCHUNGSZENTRUM INFORMATIK smartautomation PROFIBUS Demo-Anlage Testumgebung und Demonstrator für PROFIBUS Szenarien Evaluationsumgebung für Forschung und Entwicklung T T T T T T T To be continued 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 12
NEUE TECHNOLOGIEN 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 13
Anforderungen an Sensoren mit neuster Technologie Fast Sample & Hold Circuits as well as AD / DA Converter with large bitwidth Analogue Input Signal Low pass Sample & Hold Analog / Digital Converter Digital System Digital / Analog Converter Low pass Analogue output signal Industrial requirements: Reduction of the Time-to-Market is essential Short turn-around time for the production of novel systems Adaptability and interaction with the environment Reduction of the power dissipation to a minimum Increased computational efficiency Increased data throughput Traditional single core processors are at their limit
Partitioning / parallelization Shared Memory Multicore als Lösung für zukünftige Systeme Analogue Input Signal Low pass Sample & Hold Analog / Digital Converter Digital System Digital / Analog Converter Low pass Analogue output signal Vereinfachtes Multicore SoC Algorithms in digital signal processing: examples.: - Fast Fourier Transform(FFT) - Finite Impulse Response Filter (FIR) - Infinite Impulse Response Filter (IIR) - Quantisation - Correlation filter - Edge detection - Object recognition / tracking - Histogramm linearization Fast I/O Interfaces HW accelerator (reconf. HW) Network on Chip DSP RISC $
Low Power Sensor Technology Industrial Applications HART technology Power and communication signal use the same wire Digital signal above the analog signal (AC) Digital signal contains information from the device Status Diagnostics Additional measured or calculated values Multidrop allows more than one device per wire HART sensors typically need a 4-20mA signal
Low Power Hardware Microcontroller MSP 430 ultra-low-power architecture 8-25MHz CPU Speed 0.5-512KB Flash 128B-64KB RAM Power consumption: <100μA/MHz E.g. Smart Watch uses ~10µA for continuous temperature measurement
Low Power Hardware FPGA Igloo FPGA 10,000 to 250,000 logic gates Periodically activated sensors (Traffic image/weather sensor/ ) Utility Metering Applications (Gas/Water/Heat/Electricity) Portable Medical Applications (Blood pressure/heart rate/ ) ~1.6µA in low power consumption mode
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Hüber Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Jürgen Becker Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Stork Prof. Dr.-Ing. Klaus-D. Müller-Glaser Embedded Systems and Sensors Engineering (ESS) FZI Forschungszentrum Informatik Haid-und-Neu-Str. 10-14 D-76131 Karlsruhe E-Mail: huebner@fzi.de http://www.fzi.de 11.06.2013 FZI Forschungszentrum Informatik 19