Dezentraler IOTA-basierter Industrie-Marktplatz - Industrie-Marktplatz auf Basis von IOTA, eCl@ss und I4.0-Verwaltungs-schale - Industrie 4.0 ...
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Geschäftsmodelle
Dezentraler IOTA-basierter
Industrie-Marktplatz
Industrie-Marktplatz auf Basis von IOTA, eCl@ss und I4.0-Verwaltungs-
schale
Alexander Belyaev, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Christian Diedrich, Institut für
Automation und Kommunikation, Magdeburg, Holger Köther, IOTA Foundation, Berlin und
Alaettin Dogan, Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg
Die nächste Generation der industriellen Automatisierung, Industrie 4.0
Decentralized IOTA-based Industry Marketplace (I4.0), rückt immer näher. In der Welt von morgen werden die Maschinen
This article presents an IOTA Industry Marketplace. nicht nur Anlageninformationen enthalten, sondern auch proaktive Ent-
The industry marketplace is a manufacturer- and scheidungs- und Optimierungsalgorithmen, die ein zielgerichtetes Verhal-
industry-neutral open-source platform, based on ten der Komponenten ermöglichen. Solche I4.0-Komponente können als
the specifications and guidelines of the platform autonome, unabhängige Wirtschaftsakteure angesehen werden, die nach
Industry 4.0 and enables an uncomplicated inte- marktwirtschaftlichen Prinzipien zusammenarbeiten.
gration of company information systems into the
overall network. The industry marketplace combines
distributed ledger technology, unchangeable audit
trails, standardized, machine-readable language, an
integrated distributed identity system and provides
a trusted and secure infrastructure for data and value Die daraus resultierenden würdige und sichere Infrastruktur für die Da-
transfer.
hochflexiblen Wertschöp- ten- und Wertübertragung.
Keywords: fungsnetzwerke erfordern
distributed ledger technology, blockchain, IOTA,
tangle, marketplace, data marketplace, industry 4.0, neue Formen der Zusam- Konzepte Industrie 4.0
industry 4.0-component, administration shell, asset menarbeit von Unternehmen
administration shell, AAS, autonomous systems, order - auf nationaler und globaler Das Zusammenspiel von „intelligenten“ Ferti-
driven production, service, machine as a service, data Ebene. Eine gemeinsame glo- gungskomponenten (z. B. Cyber-Physikalische
as a service, digital business models bale Kommunikations- und Systeme) führt zu dynamischen, selbstorga-
Computing-Infrastruktur ist nisierenden, selbstoptimierenden, unterneh-
eine notwendige Voraussetzung für neue Ge- mensübergreifenden Wertschöpfungsketten.
schäftsmodelle und die erfolgreiche Umset- Industrie 4.0 bietet dafür konkrete technische
zung von Visionen der Industrie 4.0. Konzepte an.
In diesem Beitrag wird ein dezentraler Indus- Eines der wichtigsten Konzepte von Industrie
trie-Marktplatz auf Basis von IOTA vorgestellt. 4.0 ist eine sogenannte Verwaltungsschale [1,
Der IOTA Industrie-Marktplatz ist eine herstel- 2]. Eine Verwaltungsschale ist das I4.0-Konzept
ler- und branchenneutrale Plattform, die einen eines digitalen Zwillings, der eine standardi-
direkten Informationsaustausch, Verhandlun- sierte Darstellung in der digitalen Welt der Ei-
M. Sc. Alexander Belyaev arbeitet als
wissenschaftlicher Mitarbeiter an der gen und automatisierte Bezahlvorgänge zwi- genschaften und Fähigkeiten eines Assets, wie
Otto-von-Guericke-Universität Magde-
burg, Lehrstuhl „Integrierte Automation“. schen Maschinen erlaubt. beispielsweise einer Maschine, einer Anlage
Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich ist
oder eines Industriebetriebes, ermöglicht.
ein stellvertretender Vorstandsvorsit- Der Industrie-Marktplatz ist open-source, baut
zender des „Institut für Automation
und Kommunikation“ (ifak) in Mag- auf den Spezifikationen und Richtlinien der Die Grundidee ist, dass eine Verwaltungsscha-
deburg und Professor für „Integrierte
Automation“ an der Otto-von-Gueri- Plattform Industrie 4.0 auf und ermöglicht eine le die Beschreibung eines Assets enthält und
cke-Universität Magdeburg. unkomplizierte Integration von Informations- eine Brücke zwischen diesem Asset und dem
Holger Köther ist Director of Partner systemen von Unternehmen in das Gesamt- Internet der Dinge (IoT) bildet. Zusammen bil-
Management bei der IOTA Foundati-
on in Berlin. netzwerk. den eine Verwaltungsschale und ein Asset eine
M.Sc., MBA Alaettin Dogan arbeitet I4.0-Komponente.
als wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Institut für Automatisierungstechnik Der Industrie-Marktplatz kombiniert die Dis-
an der Helmut-Schmidt-Universität / tributed-Ledger-Technologie, unveränderliche In [3, 4] wird das Konzept der proaktiven Verwal-
Universität der Bundeswehr Hamburg.
Auditprotokolle, standardisierte, maschinen- tungsschale eingeführt. Durch den Einsatz von
alexander.belyaev@ovgu.de lesbare Sprache, ein integriertes dezentrales proaktiven Verwaltungsschalen können dezen-
https://
industrymarketplace.net Identitätssystem und bietet eine vertrauens- tral organisierte Prozesse gestaltet werden, die
36 Industrie 4.0 Management 36 (2020) 1
Geschäftsmodelle
auf eine gewisse Autonomie
oder Entscheidungsfähig-
keit von I4.0-Komponenten
aufbauen. Jede I4.0-Kompo-
nente mit einer proaktiven
Verwaltungsschale bildet
eine eigenständige Einheit,
die ihre Fähigkeiten den an-
deren Komponenten in Form
von Dienstleistungen anbie-
ten kann. I4.0-Komponenten
mit einer proaktiven Verwal-
tungsschale können als un-
abhängige Dienstleister be-
trachtet werden [4]. Durch
die Entscheidungs- und Op-
timierungsalgorithmen der
proaktiven Verwaltungsscha-
len können I4.0-Komponen-
ten als unabhängige Wirt- Bild 1: Verwaltungs-
schaftsakteure zielorientiert schale (Asset Admi-
handeln und nach markt- nistration Shell - AAS),
wirtschaftlichen Prinzipien I4.0-Komponente und
I4.0-Sprache
zusammenarbeiten. Die In-
(I40 Language) [12].
teraktionen zwischen pro-
aktiven I4.0-Komponenten
führen zu hochflexiblen Wertschöpfungsnetz- ander interagieren können. Jeder Netzwerk-
werken, in denen intelligente Fabriken auf knoten (Node) verwaltet einen identischen
neuartige Weise sowohl auf nationaler als auch Datensatz. Die Algorithmen der Nodes sorgen
auf globaler Ebene zusammenarbeiten kön- dafür, dass neu hinzuzufügende Informationen
nen. Damit sich die autonomen Komponen- durch das Gesamtnetzwerk verteil werden.
ten finden, einander vertrauen, miteinander Durch den Konsensmechanismus wird sicher-
interagieren und auf IT-sicherheitstechnische gestellt, dass zwischen den Nodes eine Über-
Grundbedürfnisse stützen können, benötigen einstimmung über den aktuellen Zustand des
sie eine gemeinsame Infrastruktur. Datensatzes sichergestellt wird.
In diesem Beitrag wird IOTA als eine gemeinsa- Eine entscheidende Neuerung der Distribu-
me Kommunikationsinfrastruktur für I4.0-Kom- ted-Ledger-Technologie ist es, den Datenaus-
ponenten betrachtet, die sowohl einen tausch, der heute über eine zentrale Instanz
vertrauenswürdigen und interoperablen In- läuft, dezentral durchführen zu können. Durch
formationsaustausch, als auch automatisierte den Verzicht auf einen Intermediär ist es mög-
Bezahlvorgänge zwischen Maschinen erlaubt. lich, eine direkte Beziehung zwischen intera-
gierenden Parteien herzustellen. Eine weitere
Einführung in Distributed-Led- wesentliche Eigenschaft der DLT ist Ausfall- und
ger-Technologie und IOTA-Tangle Manipulationssicherheit. Da die Daten verteilt
gespeichert werden, kann ein Datenverlust auf
Distributed-Ledger-Technologie (DTL) ist in einem Rechner durch die gleichen Datensätze
der Öffentlichkeit oftmals unter den Begriffen auf anderen Rechnern aufgefangen und die
„Bitcoin“ und „Kryptowährungen“ oder „Block- Daten wiederhergestellt werden. Grundsätz-
chain“ verbreitet und ist durch die Anwendun- lich schließt die DLT eine bösartige Manipula-
gen im Finanzsektor bekannt. Das Potenzial der tion von gespeicherten Daten oder Eingabe
DLT als zugrundeliegende Technologie für ver- falscher Daten nicht aus. Die Manipulation wird
schiedene Anwendungsfälle reicht jedoch weit aber von den anderen Netzwerkteilnehmern
darüber hinaus. In dem vorliegenden Beitrag sofort bemerkt, weil auf allen Knoten ein iden-
wird DLT als eine Grundlage für ein offenes und tischer Datensatz gespeichert ist.
transparentes digitales Ökosystem betrachtet.
Blockchain ist eine der möglichen Technologi-
Hinter DLT verbirgt sich die Idee eines verteil- en der Implementierung des Distributed Led-
ten Systems, in welchem die partizipierenden gers [5]. In der klassischen Blockchain werden
Parteien gleichgestellt sind und direkt mitein- die Informationen mittels Transaktionen ab-
https://doi.org/10.30844/I40M_20-1_S36-40 37
Geschäftsmodelle
gebildet. Die Transaktionen werden von spe- Transaktion durch andere Netzwerkteilneh-
ziellen Netzwerkknoten, den so genannten mer. Da es keine Miner gibt, erfordert das IO-
Mining Nodes zu Blöcken zusammengefasst. TA-Netzwerk keine Transaktionsgebühren. Ein
Die einzelnen Blöcke werden nacheinander Proof-of-Work, das von einzelnen Nodes zum
in eine Kette verbunden. In den öffentlichen Spamschutz erbracht werden muss, ist für die
Blockchains können die neuen Blöcke nur in Belange der IoT angepasst und erfordert rela-
festdefinierten Zeiteinheiten hinzugefügt wer- tiv geringe Rechenleistung. Das reduziert den
den. Da ein Block nur eine begrenzte Anzahl Ressourcenbedarf und ein Energieverbrauch
von Transaktionen enthalten kann, entsteht von IOTA-Nodes.
an dieser Stelle ein Flaschenhals. Aus diesem
Grund sind Blockchain-basierte Lösungen für Innerhalb des Tangles kann zwischen „Value
die Anwendungsfälle, die eine hohe Transak- Transactions“ und „Data Transactions“ un-
tionsrate erfordern, eher ungeeignet. Damit terschieden werden. Bei den „Value Transac-
die Mining Nodes die Blöcke in die Blockchain tions“ handelt es sich um die Überweisung
einfügen können, müssen sie ein oft rechen- von IOTA-Token, der IOTA-Währung. Die „Data
intensives Rätsel lösen. Dieser Prozess wird als Transactions“ werden verwendet, um nicht die
Proof-of-Work oder als Mining bezeichnet und Währung, sondern eine Information zu über-
wird in der Regel mit einer Transaktionsgebühr tragen. So können die Maschinen miteinander
entlohnt. über das IOTA-Netzwerk Daten austauschen
[7]. Alle Transaktionen können dabei krypto-
Blockchain ist eine der bekanntesten Distri- graphisch verschlüsselt werden, was eine si-
buted-Ledger-Technologien. Daher wird die chere Datenübertragung, Speicherung und
Bezeichnung Blockchain-Technologie oft als Referenzierung der Information ermöglicht.
Oberbegriff für Distributed-Ledger-Techno-
logien verwendet. Die öffentlichen Block- Der Tangle bildet die Grundlage für den in die-
chain-Netzwerke haben jedoch erhebliche sem Beitrag vorgestellten Industrie-Marktplatz.
Nachteile: ein sehr niedriger Datendurchsatz
(Transaktionen pro Sekunde), sehr hoher Ener- Industrie-Marktplatz
gieverbrauch, der notwendige Erwerb elekt-
ronischer Währung (Cryptocurrency) und eine Der IOTA-basierte Industrie-Marktplatz eta-
de-facto Zentralisierung der „Miner“ auf weni- bliert eine hersteller- und betreiberneutrale
ge sehr große Mining-Pools. Plattform für das Anbieten und Suchen von
Waren, Daten und Dienstleistungen.
IOTA ist eine Art der DLT, bei der weder Blöcke
noch Ketten (Chains) verwendet werden. IOTA Angelehnt an [8] wird in diesem Beitrag eine
baut auf einem gerichteten azyklischen Gra- Plattform als eine physische, digitale und orga-
phen auf, der als „Tangle“ bezeichnet wird [6]. nisationale Architektur definiert, die die von-
Die Knoten des IOTA-Graphs stellen einzelne einander unabhängige Akteure zusammen-
Transaktionen (Dateneinträge) dar und erset- bringt und in die Lage versetzt, mit einander
zen somit die Blöcke einer Blockchain. Jede zu interagieren und zu handeln. Ist die Anzahl
Transaktion referenziert mindestens zwei an- der Nutzer der Plattform ausreichend groß,
dere Transaktionen, um diese zu bestätigen. So so profitieren die einzelnen Akteure durch so
verbinden sich und bestätigen sich die Trans- genannte Netzwerk- und Skaleneffekte. Ein
aktionen gegenseitig. Dadurch wächst der Netzwerkeffekt liegt vor, wenn durch eine stei-
Tangle nicht als eine Kette, sondern wird par- gende Anzahl von Anbieter und Konsumenten
allel um mehrere Transaktionen erweitert. Das von Waren und Dienstleistungen der Nutzen
bedeutet, dass je mehr Transaktionen getätigt für alle steigt.
werden, desto mehr Transaktionen gleich-
zeitig bestätigt werden können. Somit kann Die meisten herkömmlichen virtuellen Markt-
der IOTA Tangle theoretisch unendlich viele plätze weisen eine zentralisierte Struktur auf.
Transaktionen pro Sekunde aufnehmen. Da- Der Plattformbetreiber agiert als Intermediär-
durch skaliert die Transaktionsrate des Tang- zwischen den Nutzer solcher Marktplätze. Der
le mit jedem neuen Node, der am Netzwerk Marktplatzbetreiber übernimmt eine Über-
teilnimmt. Das IOTA-Netzwerk erfordert keine sichtsfunktion, führt Angebot und Nachfrage
Miner, die Transaktionen bestätigen und für zusammen und koordiniert die Preisbildung.
ihre Arbeit entlohnt werden müssen. Bevor ein Dabei ist es nicht auszuschließen, dass die
Netzwerkteilnehmer eine neue Transaktion in Plattformbetreiber ihre Kontrolle über die
den Tangle einfügt, muss er zwei andere unbe- Plattforminfrastruktur missbrauchen können
stätigte Transaktionen validieren. Seine Beloh- und den Markt zu eigenem Nutzen manipu-
nung ist dabei die Validierung seiner eigenen lieren. Die aktuellen Studien zeigen, dass die
38 Industrie 4.0 Management 36 (2020) 1
Geschäftsmodelle Bild 2: Ausschreibungsverfahren A=
Geschäftsmodelle
Bild 3: Architektur des
dezentralen IOTA-basier-
ten Industrie-Marktplat-
I OTA I OTA
zes [12]. Node Node
IOTA-TRANSACTIONS IOTA-TRANSACTIONS
ZMQ ZMQ
IOTA-TANGLE
Call for proposal Call for proposal
proposal proposal
IOTA-TRANSACTION=
( Trytes)
Market Market
M a a e r M a a e r
Literatur
JSON Messages of I4.0 language JSON
(OLIJOLE-Ia]Y-GMWGelWPe)
[1] BMWi: Plattform Industrie 4.0:
Struktur der Verwaltungs- Call for proposal Vo c a b u l a r y fo r t h e c re a t i o n o f m e s s a g e s Call for proposal
proposal proposal
schale - Fortentwicklung des
Referenzmodells für die In- AAS AAS
dustrie 4.0-Komponente. Ber-
lin 2016. Service Service
Requester Provider
[2] BMWi: Plattform Industrie 4.0:
Details of the Asset Admin-
istration Shell. Part 1 - The
exchange of information be-
tween partners in the value die IOTA-Transaktionen und sendet diese an tiven Verwaltungsschalen und ihren Market
chain of Industrie 4.0. Berlin eine IOTA-Node. Jede Nachricht bildet somit Managern.
2018.
[3] BMWi: Plattform Industrie eine Transaktion auf dem IOTA-Tangle.
4.0: Verwaltungsschale in
der konkreten Praxis - Wie
Zusammenfassung und Ausblick
definiere ich Teilmodelle, bei- Zu den Aufgaben des Market Managers gehört
spielhafte Teilmodelle und es auch, den Tangle ständig zu beobachten In diesem Beitrag wird ein dezentraler IOTA-ba-
Interaktion zwischen Verwal-
tungsschalen. Berlin 2019. und die für die jeweils angeschlossenen Ser- sierter Industrie-Marktplatz vorgestellt.
[4] Belyaev, A.; Diedrich, C.: Ak- vice Provider oder Service Requester relevan-
tive Verwaltungsschale von
I4.0-Komponenten – Leitkon- ten Transaktionen zu filtern und diese in die Durch die Verwendung einer speziell für I4.0
gress der Mess- und Automa- Nachrichten der I4.0-Sprache zu übersetzten. entwickelten semantischen Sprache, standar-
tisierungstechnik. Baden-Ba-
den 2019. Die Interaktion zwischen Verwaltungsschalen disierten maschinenlesbaren Merkmalen von
[5] Belyaev, A.; Diedrich, C.: Die läuft nach dem Ausschreibungsverfahren ge- eCl@ss, der Distributed-Ledger-Technologie
Blockchain als eine Technolo-
gie für die Verwirklichung von mäß der VDI/VDE 2193-2 Richtlinie ab (Bild 2). von IOTA und einem integrierten Verfahren
Visionen der Industrie 4.0– Das Ziel ist es dabei, rechtlich verbindliche für die Sicherstellung der Identität der intera-
15. Fachtagung EKA-Entwurf
komplexer Automatisierungs- Wertschöpfungsketten über die Unterneh- gierenden Parteien, bietet der Industrie-Markt-
systeme. Magdeburg 2018. mensgrenzen hinweg zu erreichen, in denen platz eine offene, vertrauenswürdige, aus-
[6] Popov, S.:The tangle. April
30, 2019. URL: https://assets. jede teilnehmende I4.0-Komponente eine im fall- und manipulationssichere Plattform für
ctfassets.net/ r1dr6vzfxhe- Ausschreibungsverfahren vereinbarte Aufgabe Interaktionen von autonomen Systemen.
v/2t4ux vsIqk0EUau6g2s-
w0g/45eae33637 übernimmt. Die Ausschreibung und die An-
ca92f85dd9f4a3a218e1ec/ gebote beinhalten eine technische und kom- Die Anwendungsfälle des IOTA-Industrie-
iota1_4_3.pdf, Abrufdatum
12.12.2019. merzielle Beschreibung der zu vereinbarenden Marktplatzes sind nicht auf die Produktion be-
[7] URL: https://steemit.com/ Dienstleistung. Eine kommerzielle Beschrei- grenzt. Das Konzept kann problemlos in allen
deutsch/@urdreamscomet-
rue/iota-teil-1, Abrufdatum bung einer Dienstleistung kann beispielsweise Branchen eingesetzt werden, in denen auto-
12.12.2019. die Angabe von Preis, Zeit, Qualität und Ort der matisierte Verträge Vorteile bieten, wie z. B.
[8] BMWi: Die volkswirtschaftli-
che Bedeutung von digitalen Erbringung einer Dienstleistung beinhalten. Smart Cities, Smart Energie, Mobilität und ver-
B2B-Plattformen im Verarbei- Gemäß dem Konzept der I4.0-Sprache werden netzte Fahrzeuge.
tenden Gewerbe. Berlin 2019.
[9] VDI: VDI/VDE 2193 Blatt 1: für die Beschreibung von Daten und Dienstleis-
Sprache für I4.0-Komponen- tungen standardisierte maschineninterpretier-
ten. Düsseldorf 2019.
[10] VDI: VDI/VDE 2193 Blatt 2: bare Merkmale aus dem eCl@ss-Standard ver-
Sprache für I4.0-Komponen- wendet [11, 12].
ten. Interaktionsprotokoll für
Ausschreibungsverfahren. Schlüsselwörter:
Düsseldorf 2019. Der Verlauf jedes Ausschreibungsverfahrens Distributed-Ledger-Technologie, Blockchain,
[11]Dogan, A.; Lewin, M.; Fay, A.;
Belyaev, A.; Diedrich, C.; Na- wird für Auditzwecke dokumentiert. Dafür IOTA, Tangle, Marktplatz, Datenmarktplatz, In-
gel, J. A.; Bondza, A.; Köther, werden einzelne Transaktionen in einem Mas- dustrie 4.0, Industrie 4.0 – Komponente, Ver-
H.; Kroke, T.: Einsatz von eCl@
ss als semantische Basis auf ked Authenticated Messaging-Chanel gebün- waltungsschale, Asset Administration Shell,
virtuellen Marktplätzen. AU- delt und verschlüsselt. AAS, Autonome Systeme, Auftragsgesteuerte
TOMATION – Leitkongress der
Mess- und Automatisierungs- Produktion, Dienstleistung, Machine as a ser-
technik. Baden-Baden 2019. Der Industrie-Marktplatz ergibt sich aus dem vice, Data as a service, Digitale Geschäftsmo-
[12]URL: https://industry.iota.org,
Abrufdatum 12.12.2019. Zusammenspiel zwischen autonomen proak- delle
40 Industrie 4.0 Management 36 (2020) 1
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