Stille Intelligenz: IoT im Einsatz

Der Blick in eine beliebige Alltagsumgebung verrät es: Wir leben im Zeitalter der verteilten und allgegenwärtigen Intelligenz. Im Jahr 2021 verfügte der US-amerikanische Durchschnittshaushalt über 25  elektronische Geräte [1]. Die meisten dieser Geräte sind Teil des Internets der Dinge, auch als Internet of Things (IoT) bekannt. Doch was ist das IoT genau, wie ist der heutige Stand der Technik und welche Rolle spielt es in der Energieversorgung?

Aus technischer Sicht umfasst ein IoT-Gerät einen Prozessor, einen Zeitgeber, einen Datenspeicher, eine Kommu­nikations­einheit und einen Sensor und/oder Aktor. Die konkrete Ausführung richtet sich nach den Anfor­derungen der Anwendung, etwa an die Sensor­genauig­keit, den tolerierten Jitter des Zeitgebers, die Prozessor­leistung oder etwaige Maximal­werte für Volumen und Energie­bedarf. IoT-Geräte werden auch als Feldknoten oder Edge Nodes bezeichnet. Über eine Netzwerk­verbin­dung erfolgt die Kommu­nikation von Mess- und Steuerdaten mit der jeweiligen Anwendungs­software. Diese kann sich vor Ort auf einem soge­nannten Edge Computing Device befinden oder etwa in einem Rechen­zentrum eines Cloud-Dienstes. Das IoT besteht also nicht aus einem einzigen System, sondern aus mehreren Netzwerken, die sich in Daten­protokoll, Kommu­nikationsweg und -geschwin­digkeit teilweise signifikant unterscheiden.

Entwicklungsgeschichte

Als erstes bekanntes IoT-Gerät gilt eine Cola-Maschine der Carnegie Mellon University in den USA. Um unnötige Wege durch das Gebäude zu einem leeren oder gar mit lauwarmem Inhalt gefüllten Automaten zu vermeiden, rüsteten Studenten das Gerät 1982 mit Sensorik sowie einem Arpanet-Anschluss aus [2].

Die Vision des verteilten Rechnens in grösserem Ausmass entstand rund zehn Jahre später. Der amerikanische Computer­wissen­schaftler Mark Weiser sah nach dem Schritt vom Grossrechner zum Personal Computer den Beginn einer dritten Computerära [3]. Computer würden in ihrer Grösse an die Aufgabe angepasst variieren und weitest­gehend mit der Umgebung verschmelzen. Ohne Aufmerk­samkeit zu erregen oder zu benötigen, würden sie Informationen sammeln und mittels Kommu­nikations­netzen zur Unterstützung von Prozessen zur Verfügung stellen. Diese Art des Computings wurde auch als stilles oder ubiquitäres Computing bezeichnet. Mit der steigenden Verbreitung des Internets setzte sich der Begriff «Internet der Dinge» durch. Etwa zeitgleich begannen in den USA im Auftrag der Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) mit «Smart Dust» und «Energy Harvesting» zwei ambitionierte Forschungs­projekte: die Entwicklung drahtloser Sensorknoten mit einem Maximal­volumen von 1 mm³ und eine vollständig autarke Energie­versorgung drahtloser Sensorik über die Umgebungs­energie. Anders als in den weitestgehend verkabelten Anwendungen der Energiebranche wird in diesem Bereich der Sensor- und Computer­technik bis heute um jedes Bit und jedes Joule gekämpft.

Gemeinsam mit den Fortschritten in der Mikro­system­technik erzielten die bald weltweiten Forschungs­arbeiten rasante und immer wieder abenteuerliche Fortschritte. So gelang die Entwicklung des sparsamsten Prozessors der Welt mit einem Energiebedarf von wenigen Picojoule [4], die Entwicklung von intelligenten Fussböden und Schuhen, die Bewegungs­energie zum Betrieb von IoT-Geräten nutzen, und das junge Feld der Hoch­effizienz­photo­voltaik für Innenräume und miniaturisierte Systeme entstand. Tatsächlich sind die oben genannten Forschungsziele inzwischen alle erreicht worden. Der kleinste Computer der Welt, der Michigan Micro Mote M³, hat ein Volumen von rund 1 mm³, ist mittels eines speziellen Photo­voltaik­moduls energieautark und kann Messungen durchführen und versenden. Das Bild unten zeigt den M³ im Einsatz in der biologischen Feldforschung [5].

Lange bedeutete der massenhafte Einsatz von IoT-Geräten aufwendige und individuelle Daten­auswer­tungen, die zudem rasch an die Grenzen sinnvoll vertretbarer Rechenkapazitäten kamen. Die vereinfachte Verfügbarkeit von Massen­daten­verarbeitung im Rahmen der Entwicklungen von Clouddiensten, Maschinenlernen und Künstlicher Intelligenz stellt für das IoT einen Technologie­schub dar, an dessen Anfang wir erst stehen.

IoT in der Energiewelt

Im Energiebereich wie auch im breiten indus­triellen und gesell­schaftlichen Umfeld standen lange die Entwicklungen in der Kommu­nikations­technik im Vordergrund, allen voran die zunehmende Verfügbarkeit von Internet und Mobil­funk­techno­logien. Die Vernetzung machte ein neues Betriebs­konzept möglich: das intelligent gesteuerte Netz, auch als Smart Grid bekannt. Schon einfache Umsetzungen bedingen Infor­mationen über Energie­mengen und deren Handels­zeitpunkt und -ort und setzen damit in der Regel auf IoT-Technik. Anwendungen wie Smart Homes und Elektro­mobilität benötigen Sensorik und Aktorik, die via Smartphone, Computer oder auch Dritt­anbieter gesteuert werden. Diese Systeme sollen im Rahmen des Smart Grids langfristig mit den Systemen der Energie­versorgungs­unternehmen (EVU) vereint werden und sind es physikalisch bereits über den bezogenen Strom. Das Internet der Dinge ist also ein fester Bestandteil unserer Energie­versorgung.

Anders als gerade beim Smart Grid oft schematisch dargestellt, erfordern individuelle Aufgaben zumeist individuelle IoT-Lösungen. Beispielsweise ist die Vernetzung von Smart-Home-Systemen im Kontext von Steuer­aufgaben durch ein EVU technisch wie regulatorisch komplex. So gelten für die eingesetzte Messtechnik an der Handels­schnitt­stelle zum Kunden andere gesetzliche Vorgaben hinsichtlich Sicherheit und Genauigkeit als für Technik im privaten Einsatz. Ebenso unterliegen Datenflüsse den Vorgaben des Unbundlings und können so durchaus eigene Messtechnik nötig machen. Es besteht also eine Vielfalt von Technologielösungen und -generationen, die neben­einander betrieben werden.

Einsatzgebiete

Beispiele von IoT-Systemen im Energie­bereich umfassen Smart Meter, Drohnen- und Satelliten­systeme zum Einsatz in Asset­mana­gement und Betrieb, GPS-gestützte Lösungen in Logistik, Dispatching und Flotten­führung, meteorologische Sensorik in der Überwachung und Steuerung von Photovoltaik- und Windkraftanlagen oder Videokameras im Sicherheitsbereich. Im Bürobereich findet sich IoT-Technik in elektronischen Zutrittssystemen, intelligenten Kaffee­maschinen und Getränke­automaten, Smartphones und Smartwatches. Im privaten Bereich sind typische Beispiele Sprachassistenten wie Alexa, intelligente Zutrittssysteme und Über­wachungs­technik, Roboter in Haushalt und Garten sowie Anlagen der Prosumer­technik. Moderne Fahrzeuge setzen eine Vielzahl von IoT-Geräten in Routenführung, Fehlerdiagnostik, Wartung und Fahrassistenz ein.

Fragen der Sicherheit

Über gemeinsam genutzte Schnitt­stellen von verschie­denen IoT-Systemen sind verschie­dene Netz­werke verbunden. Diese Vermaschung von IoT- und anderen Computer­systemen ist nur mit bewusstem Aufwand vermeidbar. Werden etwa Smartphones und Smartwatches sowohl im Betriebs­kontext als auch im privaten Bereich genutzt, gibt es eine Schnittstelle zwischen den Systemen des EVU und privaten Systemen. Gerade diese Vermaschungen sind es, die IoT-Systeme aus Sicht von Angreifern im Cyberraum so attraktiv machen. So demons­trierten Sicherheits­forscher die Steuerung eines Smart Homes mittels eines von aussen gehackten intelligenten Fernsehers. Umgekehrt wurden vielfach Mailprogramme als Eintrittspforte in die physische Welt genutzt, um Steuerungen zu manipulieren oder zu verschlüsseln.

Verschärft wird diese Ausgangslage durch das sogenannte Internet of Forgotten Things (IoFT): Viele IoT-Geräte sind schon lange in Betrieb. Einige sind Bestands­geräte mit nachgerüsteter Kommuni­kations­technik, die damit teilweise unbeabsichtigt zum IoT-System geworden sind. Zudem verfügen Geräte erster Generationen oft nicht über die Möglichkeit, sichere Passwörter nach aktuellen Standards, Zweifaktor-Authentifikation oder Benutzer­management umzusetzen. Entsprechend gross ist inzwischen der weltweite Bestand unzureichend geschützer IoT-Systeme.

Die Abgrenzung zwischen der sogenannten Operational Technology (OT), IoT und klassischer Informations- und Kommu­nikations­technik (IKT) ist dabei nicht immer trivial. Aus Sicht der Infor­mations­sicherheit ist es einfach: Alles mit einer Kommu­nikations­adresse und einem Prozessor unterliegt einem entspre­chenden Schutzbedarf und muss laufend aktuell inventarisiert sein. Der Schutz von IoT-Geräten selbst neuster Generation stellt die technische sowie die regulatorische Welt vor eine der grössten Heraus­forderungen unserer Zeit. Aus Sicht von Energie­versorgern stehen hier besonders Bestände erster Generationen des IoT im Vordergrund sowie die für den Energiebereich typischen langen Betriebszeiten von Geräten. Dies sind Zeiträume, in denen Technologie altert und damit eine zunehmende Wahrschein­lichkeit für Schwachstellen aufweist. Weiter gilt es, die steigende Gewichtung von faktisch mit den Infrastrukturen von Energie­versorgern vernetzten, privat betriebenen Elementen regulatorisch und sicherheits­technisch ausreichend abzudecken.

Grundsätzlich erzeugt jede Erhebung, Kommunikation und Speicherung von Information einen potenziellen Schutzbedarf und kostet Energie. Die aktuelle Frage des IoT ist weniger die Machbarkeit von Lösungen, sondern der intelligente Einsatz der Technik. Gleichzeitig gilt es, den Nachholbedarf in der Sicherung auch bereits installierter Systeme sowie hinsichtlich der regulatorischen Rahmen­bedin­gungen abzudecken. Erste Entwicklungen in diese Richtung umfassen den Cybersecurity Improvement Act 2022 in den USA oder die IoT-Zertifizierung des deutschen BSI.

Längst stehen die nächsten Genera­tionen von IoT-Systemen in den Startlöchern, z. B. mit der Erforschung von «neuronalem Staub», in dem mit Computern vernetzte Insekten als Drohnen­schwärme Rechen­opera­tionen durchführen. Die nächste Heraus­forderung des IoT wird sein, dieses zum Nutzen aller in die Gesellschaft zu imple­mentieren und rechtzeitig die richtigen Betriebs­voraus­setzun­gen auch regulatorischer Art zu schaffen.

Referenzen

[1] www.reuters.com/technology/smart-devices-get-pandemic-boost-us-households-deloitte-survey-2021-06-09.

[2] www.cs.cmu.edu/~coke.

[3] M. Weiser, «The computer for the 21st Century», Scientific American, 265(3), pp. 75–84, 1991.

[4] M. Seok et al., «The Phoenix Processor: A 30 pW Platform for Sensor Applications», IEEE Symposium on VLSI Circuits (VLSI-Symp), Invited Paper to the IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), Special Issue on VLSI Circuits, pp. 188–189, 2008.

[5] C.S. Bick, I. Lee, T. Coote et al., «Millimeter-sized smart sensors reveal that a solar refuge protects tree snail Partula hyalina from extirpation», Commun. Biol. 4, 744, 2021.