Cyber-Physical Systems - Cheatsheet

Definition und Merkmale von Cyber-Physical Systems

Definition:

Cyber-Physical Systems (CPS) sind integrations von computation, networking und physical processes. Sie bestehen aus eingebetteten Systemen und sind in der Lage, physische und cyberbasierte Komponenten zu koordinieren.

Details:

• Enge Verknüpfung von physikalischen Prozessen und Software
• Echtzeitfähigkeit
• Interaktion mit der Umgebung durch Sensoren und Aktoren
• Verteilte Steuerung und Kommunikation
• Häufig verwendet in IoT, Industrie 4.0, autonomes Fahren
• Datenverarbeitung erfolgt sowohl lokal als auch über Netzwerke
• Benötigen robuste Sicherheits- und Datenschutzmechanismen

Software- und Hardware-Integration

Definition:

Prozess, bei dem Software und Hardware kombiniert und koordiniert werden, um ein funktionales System zu erstellen. Wesentlich für Cyber-Physical Systems (CPS).

Details:

• Datenbusse und Kommunikationsprotokolle verwenden
• Anpassung von Treibern und Firmware
• Synchronisation von Echtzeit- und Nicht-Echtzeitsystemen
• Verwendung von Middleware für Interoperabilität
• Fehlererkennung und -behandlung integrieren
• Benchmarking und Leistungsprüfung

Sicherheitsanforderungen in CPS

Definition:

Sicherheitsanforderungen stellen sicher, dass Cyber-Physical Systems (CPS) gegenüber Bedrohungen und Angriffen geschützt sind.

Details:

• Vertraulichkeit: Schutz sensibler Daten vor unbefugtem Zugriff
• Integrität: Sicherstellung der Korrektheit und Vollständigkeit der Daten
• Verfügbarkeit: Gewährleistung, dass Systeme und Dienste bei Bedarf zugänglich sind
• Echtheit: Bestätigung der Identität von Benutzern und Systemen
• Nachvollziehbarkeit: Protokollierung und Überwachung von Aktivitäten zur Erkennung und Analyse von Sicherheitsvorfällen
• Multilayer-Security-Ansatz: Implementierung von Sicherheitsmaßnahmen auf verschiedenen Ebenen (Hardware, Software, Netzwerk)

Echtzeitkommunikation und zeitkritische Netzwerke

Definition:

Kommunikation in Systemen, wo Datenübertragung innerhalb einer vorgegebenen Zeit erfolgen muss, um die Systemfunktionalität zu gewährleisten.

Details:

• Verwendet in eingebetteten und Cyber-Physical Systems (CPS).
• Eng mit Begriffen wie Latenz, Durchsatz und Jitter verbunden.
• Wichtige Protokolle: CAN, TTP, FlexRay, TSN.
• Echtzeituhr (RTC) und Zeitsynchronisation entscheidend.
• QoS (Quality of Service) Parameter häufig relevant.

Verteilte Algorithmen in CPS

Definition:

Algorithmen, die in verteilten Systemen zur Lösung von Problemen und zur Koordination zwischen mehreren Rechnern eingesetzt werden, insbesondere in Cyber-Physical Systems (CPS).

Details:

• Wesentlich für die Verteilung und Synchronisation in CPS.
• Nutzung von Konsensalgorithmen zur Abstimmung zwischen verteilten Komponenten.
• Implementierung von Fehlertoleranzmechanismen zur Sicherstellung der Systemzuverlässigkeit.
• Verwendung von Routing-Algorithmen zur effizienten Datenverteilung.
• Beachtung von Echtzeitanforderungen für zeitkritische Anwendungen.

Middleware und Kommunikationsprotokolle

Definition:

Middleware: Software, die zwischen Betriebssystem und Anwendungen agiert. Kommunikationsprotokolle: Regeln für den Datenaustausch zwischen Systemen.

Details:

• Middleware: Abstraktionsschicht, die Kommunikation und Datenmanagement erleichtert.
• Beispiele: CORBA, DCOM, JMS.
• Kommunikationsprotokolle: Spezifikationen für Datenaustausch, z.B. HTTP, MQTT.
• Protokollstapel: OSI-Modell (7 Schichten).
• Ziel: Interoperabilität und Effizienz in CPS gewährleisten.

Fehlererkennung und -behebung in verteilten Systemen

Definition:

Erkennung und Behebung von Fehlern in einem System, das über mehrere Computer oder Knoten verteilt ist.

Details:

• Fehlerarten: Hardwarefehler, Softwarefehler, Netzwerkfehler
• Fehlererkennungsmethoden: Heartbeats, Watchdog-Timer, Konsistenzprüfungen
• Fehlertoleranzmechanismen: Redundanz, Replikation, Checkpointing
• Fehlerbehebungsverfahren: Fehlerisolierung, Neustarten von Diensten, dynamische Rekonfiguration
• Formale Methoden: Nutzung von Zustandsautomaten, Fehlerverfolgung durch Logs

Konzepte zur Sicherstellung von Datenschutz in CPS

Definition:

Strategien und Maßnahmen zum Schutz personenbezogener Daten in Cyber-Physical Systems (CPS).

Details:

• Datenminimierung: Nur notwendige Daten erheben und verarbeiten.
• Pseudonymisierung/Anonymisierung: Identifizierbare Daten unkenntlich machen.
• Verschlüsselung: Daten während der Übertragung und Speicherung verschlüsseln.
• Zugriffskontrolle: Nur autorisierten Personen Zugriff gewähren.
• Überwachung und Audit: Regelmäßige Überprüfung und Überwachung der Systeme.
• Sicherheitsrichtlinien und -protokolle: Klare Richtlinien zur Sicherheitsgewährleistung.