Datensicherheit für Industrie 4.0 und Connected Car

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Eine weitere Besonderheit versteckt sich in den GPIOs, den flexiblen Ein- und Ausgängen. Diese sind nicht einfach nur Pins, die auf bestimmte Signalpegel geschaltet werden können bzw. ein externes Signal in einem Register für die CPU zugänglich machen. Die xCORE GPIOs können sowohl kombinatorisch als auch taktgesteuert verwendet werden und beinhalten Schieberegister zum einfachen serialisieren und deserialisieren von Datenströmen.

Als Eingang geschaltet können sie sogenannte Events auslösen, die direkt auf die Programmsteuerung einwirken. Und noch eine Eigenschaft fällt sofort auf: Im Unterschied zu anderen Mikrocontrollern gibt es zumindest in der Basis-Familie praktisch keine Standardschnittstellen auf dem Baustein.

UART, I2C, Ethernet oder sonstige Interfaces werden dagegen je nach Bedarf als xSOFTip implementiert. Hinter diesem etwas kryptischen Begriff verbirgt sich eine sehr umfangreiche Bibliothek von Standardfunktionen, die neben den genannten Schnittstellen auch Speichercontroller und DSP-Funktionen enthält. Die schnellen und flexiblen I/Os machen es nämlich möglich, nahezu beliebige Schnittstellen aufzubauen und die Ansteuerung entsprechend der Schnittstellen Protokolle übernimmt die Software.

Ein geniales Konzept, denn letztlich haben wir somit einen universellen Controller in der Hand, der genauso programmiert werden kann, wie wir ihn verwenden wollen. Keine überflüssigen oder fehlenden Funktionen, wie es bei anderen Mikrocontrollern eigentlich immer der Fall ist.

Die xCORE-Architektur ähnelt damit eher einem FPGA (Field Programmable Gate Array), nur mit dem entscheidenden Vorteil, dass die Hardware statt in VHDL oder Verilog in ganz normalem C programmiert werden kann. Und natürlich kostet ein xCORE-Baustein nur ein Bruchteil eines vergleichbaren FPGAs und verbraucht viel weniger Leistung.

XMOS-Prozessoren eigenen sich hervorragend zur Implementation von Intrusion Detection Systemen. Die grundlegende Herausforderung bei einem solchen System ist die große Menge an Daten und die zeitlich kritische Abarbeitung von vielen unabhängigen Operationen auf einem Datenpaket. Die XMOS Architektur ermöglicht die Parallelisierung dieser Operationen, ohne dabei die Gesamtverarbeitungszeit wesentlich zu erhöhen. Die Basis-Architektur eine Low-cost Ethernet Gateways von EMBAS ist in der Bildergalerie dargestellt.

Auf der Schnittstellenseite gibt es zwei Ethernet Ports, die je nach Konfiguration den 10/100 Standard oder das relative neue BroadR-Reach Format von Broadcom unterstützen. BroadR-Reach ist ein Transportprotokoll, das sich derzeit im Automotive Umfeld etabliert und auch für Industrie Anwendungen attraktiv ist. Als Medium kann eine ungeschirmte Zweidrahtleitung eingesetzt werden. Das ist kostengünstig und zudem störunanfällig.

Als dritter Port steht ein CAN oder SPI Interface zur Verfügung, das zur Signalisierung von Events oder als Schnittstelle zu einer HMI eingesetzt werden kann. In der kleinsten Gateway Variante wird ein 8-Core Baustein von XMOS verwendet, der intern mit 500MHz getaktet ist. Er hat genug Verarbeitungsleistung, um neben den Schnittstellen auch Applikationen wie CAN-Ethernet Routing, Netzwerkanalysator mit graphischer HMI oder eben ein regelbasiertes Intrusion Detection System zu integrieren.

Die Applikationen sind bei EMBAS als fertige Packages verfügbar, die nur noch auf eine der zur Verfügung stehenden Hardware Plattformen geladen werden müssen. Kundenspezifische Anwendungen sind dann auf der Basis dieser Plattformen sehr schnell ableitbar.

Zusammenfassung

Embedded Systeme sind durch den stetig steigenden Grad der Vernetzung und insbesondere den Anschluss ans Internet vielen Gefahren ausgesetzt, auf die sie nicht vorbereitet wurden. Sowohl die Rechenleistung als auch die Systemkonzepte verhindern den Einsatz von existierenden Schutzmechanismen gegen Angriffe. Netzwerk basierte Intrusion Detection Systeme bieten hier Abhilfe, solange sie die Regeln der Embedded-Welt erfüllen können.

Ein leistungsfähiger Schutz wird erreicht, wenn ein Intrusion Detection System sowohl mit Regeln programmierbar als auch auf Netzwerkanomalien trainierbar ist. Außerdem sollten die Algorithmen zur Paketanalyse weitgehend parallel auf dem Datenstrom arbeiten, um die erreichbare Bandbreite im Datennetz nicht zu reduzieren. Parallelprozessor-Konzepte wie das von XMOS ermöglichen der Aufbau von leistungsfähigen, skalierbaren und flexiblen Ethernet Gateways.

* Dr. Axel Zimmermann studierte an der Universität Stuttgart Elektrotechnik und promovierte anschließend am Institut für Informatik der Universität Stuttgart über das Thema Hardwareimplementation von Neuronalen Netzen. Im Anschluss daran arbeitete er über 15 Jahre in der Halbleiterindustrie für Unternehmen wie Xilinx, Lattice und Altera. Seit 3 Jahren ist er Geschäftsführer der EMBAS Industrie Elektronik GmbH & Co KG in Stuttgart und beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von CAN und Ethernet Gateways für den Einsatz in Industrie und Fahrzeugentwicklung.

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