KOSMoS – Kollaborative Smart Contracting Plattform für digitale Wertschöpfungsnetze

Produktbeschreibung

Die industrielle Datenverarbeitung wandelt sich aktuell von einer firmeninternen Nutzung hin zu einer firmenübergreifenden Nutzung entlang des Wertschöpfungsnetzes. Dieser Wandel führt zu neuen Anforderungen im Umgang mit Daten. Nachvollziehbarkeit, Übertragungssicherheit sowie souveräne Datenhaltung sind nur einige dieser Anforderungen. Im Verbundprojekt KOSMoS wurden von 2019 bis 2022 Anforderungen erfasst
und Lösungen entwickelt, um einen firmenübergreifenden Datenaustausch zu ermöglichen. Ergebnisse sowie deren direkte Umsetzung in drei Anwendungsfällen werden in diesem Buch ausführlich beschrieben. Neben technischen Lösungen wird die rechtliche Lage dezentraler Datenhaltung einer Blockchain-Lösung diskutiert.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung …………………………………………………………………………………………………… 1
Motivation und Zielstellung…………………………………………………………………………….. 1
Vorgehen und Ergebnis ………………………………………………………………………………….. 4
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………….. 5
2 Geschäftsmodelle ………………………………………………………………………………………… 6
Dynamisches Leasing……………………………………………………………………………………… 6
2.1.1 Die begleitenden geschäftlichen Verträge und Prozesse ……………………………… 6
2.1.2 Die technische Lösung……………………………………………………………………………… 7
Produktionsbegleitende Qualitätskontrolle ………………………………………………………. 7
Transparente Wartung …………………………………………………………………………………… 9
3 KOSMoS Architektur ………………………………………………………………………………….. 11
Architektur-Übersicht und Nutzung von KOSMoS ……………………………………………. 11
3.1.1 Architektur-Übersicht…………………………………………………………………………….. 11
3.1.2 Nutzung von KOSMoS ……………………………………………………………………………. 12
Grundlegende Technologien …………………………………………………………………………. 17
3.2.1 Globales KOSMoS-System ……………………………………………………………………… 17
3.2.2 Blockchain …………………………………………………………………………………………… 17
3.2.3 Analyse-Plattform…………………………………………………………………………………. 18
3.2.4 Lokales KOSMoS-System ……………………………………………………………………… 18
Gesamtarchitektur KOSMoS………………………………………………………………………….. 18
3.3.1 Lokale KOSMoS Komponente………………………………………………………………… 19
3.3.2 Globale KOSMoS Komponente………………………………………………………………. 20
3.3.3 Analyseplattform………………………………………………………………………………….. 20
3.3.4 Blockchain …………………………………………………………………………………………… 20
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………… 21
4 Von der Edge in die Blockchain: Der Blockchain Connector……………………………. 23
Die EDGE als Anker für KOSMoS…………………………………………………………………….. 23
Aufbau des KOSMoS lokal Systems ………………………………………………………………… 26
Datenextraktion von Maschinen ……………………………………………………………………. 29
MQTT als Nachrichtenformat in KLS……………………………………………………………….. 31
Der MQTT-Broker im KLS………………………………………………………………………………. 32
Der Blockchain-Connector…………………………………………………………………………….. 33
Manuelle Eingabe von Maschinenereignissen …………………………………………………. 35
Designkriterien für KOSMoS lokal ………………………………………………………………….. 37
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………… 38
5 Nachvollziehbarer Datenaustausch vom Sensor bis zur Blockchain …………………. 39
Einleitung……………………………………………………………………………………………………. 39
Herausforderung beim industriellen Einsatz einer Blockchain …………………………… 39
Aufbau eines Blocks und einer Transaktion …………………………………………………….. 40
Lösungsansatz und Implementierung …………………………………………………………….. 41
ISW KOSMoS Demonstrator ………………………………………………………………………….. 44
5.5.1 Physischer Demonstrator……………………………………………………………………….. 44
5.5.2 Virtuelle Repräsentation ………………………………………………………………………… 46
Evaluation …………………………………………………………………………………………………… 48
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………… 49
6 Blockchain Technologie für die Produktion ………………………………………………….. 51
Analyse und Vergleich ausgewählter Blockchain-Plattformen …………………………… 51
Die Rolle der BC im KOSMoS-System ……………………………………………………………… 53
6.2.1 Integritätsprüfung von Sensor- und Produktionsdaten………………………………. 54
6.2.2 Unveränderliche Datenspeicherung ………………………………………………………… 55
6.2.3 Autorisierung………………………………………………………………………………………… 55
Einführung Hyperledger Fabric………………………………………………………………………. 56
Hyperledger Architektur……………………………………………………………………………….. 56
Komponenten von Hyperleger Chaincodes……………………………………………………… 57
6.5.1 Hyperledger Channel……………………………………………………………………………… 57
6.5.2 Peer Nodes …………………………………………………………………………………………… 58
6.5.3 Applikationen ……………………………………………………………………………………….. 58
6.5.4 Certificate Authorities (CA) …………………………………………………………………….. 58
6.5.5 Membership Service Provider (MSP) ……………………………………………………….. 59
Governance-Modell……………………………………………………………………………………… 59
Erkenntnisse und Ergebnisse…………………………………………………………………………. 60
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………… 61
7 Unternehmensübergreifend Daten analysieren und gemeinsam Wissen generieren….. 62
Datenverarbeitung: Lokal, Zentral oder Förderiert?…………………………………………. 62
Aufbau und Komponenten der Analyse-Plattform …………………………………………… 63
7.2.1 Persistenz über Relationale und Time Series Databases …………………………….. 63
7.2.2 Cloud-Connector …………………………………………………………………………………… 64
7.2.3 Mediator………………………………………………………………………………………………. 65
7.2.4 Machine Learning Wrapper ……………………………………………………………………. 67
7.2.5 Analyse- und ML-Tools…………………………………………………………………………… 68
7.2.6 Interaktionen und User-Interfaces der Analyse-Plattform ………………………….. 69
Den Schwachstellen von Föderiertem Lernen mittels Blockchain entgegnen………. 71
7.3.1 Einführung in Föderiertes Lernen ……………………………………………………………. 71
7.3.2 Föderiertes Lernen in KOSMoS ……………………………………………………………….. 71
7.3.3 Schwachstellen von Föderiertem Lernen………………………………………………….. 73
7.3.4 Blockchain und Föderiertes Lernen………………………………………………………….. 74
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………… 75
8 Sicherheitsmaßnahmen und Bedrohungen im verteilten System KOSMoS………. 77
Sicherheitstechnische Maßnahmen in KOSMoS Anwendungen und deren Verwaltung
…… 80
Allgemeine Sicherheitstechniken und Best-Practice Sicherheitsmaßnahmen ……… 83
8.2.1 Maschinen Identitätsmanagement………………………………………………………….. 84
8.2.2 Software Defined Networks ……………………………………………………………………. 85
8.2.3 Grundsätzliche Sicherheitsprinzipien……………………………………………………….. 86
8.2.4 Machine Learning in Bezug auf die IT-Sicherheit……………………………………….. 86
Zusammenfassung……………………………………………………………………………………….. 87
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………… 88
9 Rechtliche Aspekte der Blockchain-Technologie (FSBC)………………………………… 90
Blockchain als Beweis …………………………………………………………………………………… 90
9.1.1 Der Zivilprozess …………………………………………………………………………………….. 91
9.1.2 Exkurs: Der Strafprozess…………………………………………………………………………. 97
Verknüpfung eines Smart Contracts mit einem Vertrag im Rechtssinne……………… 97
9.2.1 Smart Contract als Vertrag im Rechtssinne ………………………………………………. 97
9.2.2 Smart Contract als Durchführung des Vertrages im Rechtssinne…………………. 98
Audits/Prüfungen ………………………………………………………………………………………. 100
9.3.1 Unmittelbare Pflicht zu Audits ………………………………………………………………. 101
9.3.2 Mittelbare Pflicht zu Audits…………………………………………………………………… 102
Datenschutzrecht ………………………………………………………………………………………. 103
9.4.1 Einführung in das Datenschutzrecht ………………………………………………………. 103
9.4.2 Standort der Rechenknoten ………………………………………………………………….. 104
9.4.3 Räumlicher Anwendungsbereich von Datenschutzvorschriften…………………. 105
9.4.4 Erlangen „verbotener“ Daten durch automatische Übermittlung ……………… 106
Haftung bei Fehlerhafter Implementierung von Smart Contracts …………………….. 109
9.5.1 Rollenverteilung ………………………………………………………………………………….. 109
9.5.2 Haftungsgründe…………………………………………………………………………………… 110
Identität auf der Blockchain ………………………………………………………………………… 112
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………. 114
10 Demonstrator Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH ……………………………. 117
Übersicht der beteiligten Anwendungen ………………………………………………………. 117
Architektur und Datenfluss im Detail ……………………………………………………………. 118
IoT-Gateway (Broker) – Machine Connector ………………………………………………….. 120
Smart Contracts …………………………………………………………………………………………. 121
Integration in KOSMoS ……………………………………………………………………………….. 121
11 Demonstrator ASYS ………………………………………………………………………………… 123
Architektur und Datenfluss………………………………………………………………………….. 123
Asys-Machine-Connector ……………………………………………………………………………. 125
Contract-Engine und KOSMoS Global…………………………………………………………… 126
Sensor Integration Gateway………………………………………………………………………… 127
12 Demonstrator Schütte…………………………………………………………………………….. 130
Istzustand vor Projektlaufzeit………………………………………………………………………. 130
Ziele bei Implementierung des Demonstrators………………………………………………. 131
Auswahl der Wartungsanweisungen für Demonstrator ………………………………….. 132
Architektur des Demonstrators……………………………………………………………………. 134
Implementierung des Demonstrators…………………………………………………………… 137
12.5.1 Technische Voraussetzungen an der Testmaschine ………………………………. 137
12.5.2 Umsetzung des Demonstrators an der Testmaschine …………………………… 137
13 Zusammenfassung und Danksagung………………………………………………………… 140
14 Autoren und Mitwirkende……………………………………………………………………….. 141
Autoren…………………………………………………………………………………………………….. 141
Mitwirkende ……………………………………………………………………………………………… 143

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