Blockchain im Internet der Dinge

bei

Blockchain image by Davidstankiewicz is licensed under CC SA 4.0
Blockchain image by Davidstankiewicz is licensed under CC SA 4.0
 / 16. January. 2018

Dienstleistungen, autonome Endgeräte und die Blockchain

Intelligente, autonome und miteinander vernetzte Endgeräte ermöglichen ein hohes Maß an Selbstständigkeit und Interaktion untereinander. So sind auch geschäftliche Transaktionen zwischen Endgeräten nicht mehr nur ein Gedankenexperiment. Die derzeit stark gehypte Blockchain-Technologie kann hier einen großen Beitrag leisten. Dieser Artikel betrachtet den Einsatz der Blockchain-Technologie bei der Abwicklung von Dienstleistungen zwischen smarten Endgeräten. Es wird ein Proof of Concept vorgestellt, um eine mögliche Realisierung eines solchen Konzepts aufzuzeigen.

Dieser Artikel zeigt zunächst die Vorteile der Blockchain-Technologie im allgemeinen Kontext auf. Auf Basis dieser Aussagen wird die konzeptionelle Idee und der konkrete Proof of Concept von Cassini erläutert.

Der Nutzen der Blockchain im Dienstleistungskontext

Um die Blockchain-Technologie oberflächlich zu verstehen, sind die Artikel [Quellen [1][3]] zu empfehlen. Für ein tieferes Verständnis der Thematik sind die Bücher [[4][6]] sehr hilfreich. Unter Blockchain verstehen wir ein Transaktionslogbuch, dass folgende Eigenschaften aufweist [7]:

  • Das Logbuch ist auf verschiedenen Knoten repliziert (kopiert und verteilt), sodass es so lange existiert, bis alle Knoten abgeschaltet sind (Ziel ist die Ausfallsicherheit durch Redundanz).
  • Die atomare Einheit auf einer Blockchain ist eine Transaktion (Ziel ist die Eindeutigkeit).
  • Die Akzeptanz der Transaktion (bezüglich Gültigkeit) wird durch einen dezentralen (z.B. demokratischen) Prozess zwischen den Knoten bestätigt (Ziel ist die Dezentralität).
  • Die Reihenfolge der Transaktionen ist unveränderbar (Ziel ist die Nachverfolgbarkeit und Integrität).
  • Die Transaktionen sind mittels mathematischer Verfahren gegen nachträgliche Manipulationen geschützt (Ziel ist die Überprüfbarkeit).

Im Kontext von Dienstleistungen kann ein Blockchain-System die Aufgaben einer dritten Partei oder eines Intermediäres (Bank, Notar, Zwischenhändler etc.) übernehmen. Üblicherweise übernehmen Intermediäre die Aufgabe, Informationsgleichheit zwischen Parteien herzustellen (Börsen), die Manipulation von Geschäften zu vermeiden (Notare) oder Verbindlichkeiten und Forderungen zu vermitteln (Finanzmarkt). Im Falle von Dienstleistungen sind Intermediäre für deren Abwicklung zuständig und stellen dabei wichtige Vorgänge oder Transaktionen wie den Transfer des Geldwerts sicher. Dieselben Funktionen stellen Blockchain-Systeme vollautomatisiert zur Verfügung.

Eine Blockchain-basierte Transaktion hat den Vorteil, dass sie sicher, vertraulich, zuverlässig, nachvollziehbar und transparent ist. So entsteht z.B. für den Auftraggeber bereits vor der Beauftragung einer Dienstleistung die Möglichkeit, im Blockchain-System automatisiert und in Echtzeit abzufragen, ob der Auftragnehmer über ausreichende Geldmittel verfügt. Eine Bonitätsprüfung wäre somit nicht mehr erforderlich.

Bei einer Dienstleistung ist essentiell, dass sich die Beteiligten an ihre Abmachungen (vertragliche Verbindlichkeiten) halten. Um dies zu gewährleisten, können auf dem Blockchain-System sogenannte Smart Contracts [7] genutzt werden. Wichtig ist hier zu verstehen, dass diese Smart Contracts auch in der Blockchain „wirken“. Hierdurch sind diese Verträge genauso unveränderlich und sicher wie die Transaktionen selbst.

In diesen Smart Contracts können verschiedene Regeln („Was passiert, wenn…“) definiert werden, welche die Einhaltung von Abmachungen sicherstellen. Mit den Eigenschaften der Blockchain-Technologie können somit Integrität, Vertraulichkeit und Nachvollziehbarkeit bei der Vertragsabwicklung bzw. Durchführung einer Dienstleistung gewährleistet werden. Anzumerken ist allerdings, dass die realweltliche Umsetzungsgüte einer Dienstleistung („Wie ist die Dienstleistungsqualität?“) häufig noch ein Problem darstellt, da diese nur implizit ermittelt werden kann. Dazu später mehr.

Smarte Endgeräte können regelbasiert beim Auftreten eines Bedarfs den Smart Contract initiieren und damit die Dienstleistungsabwicklung anstoßen. Hierbei müssen weder Menschen interagieren, noch muss eine dritte Partei Vermittlertätigkeiten ausführen. Um diese Technologie unter realweltlichen Bedingungen nutzen zu können, muss eine Person die smarten Endgeräte jedoch initial bevollmächtigen und dem Smart Contract initial zustimmen.

Dienstleistungen zwischen autonomen Endgeräten über die Blockchain – Das Konzept

Endgeräte können im Alltag verschiedene Rollen einnehmen. Ziel des Internets der Dinge ist es, diese durch zusätzliche Rechenkapazität, Sensorik und Robotik möglichst intelligent zu gestalten und ein autonomes Handeln (frei von menschlicher Interaktion) zu ermöglichen. Im Kontext von Dienstleistungen skizziert Abbildung 1 fünf mögliche Rollen, welche die Endgeräte bei zunehmender Intelligenz (Smartness) einnehmen können.

Abbildung 1 – Rolle der Endgeräte bei Dienstleistungen

Je smarter die Einbindung, umso weniger müssen Endgeräte durch den Menschen gesteuert oder verwendet werden (Heteronomie) und umso umfangreicher ist ein ereignisgesteuertes, selbstständiges Handeln möglich (Autonomie). Die Quintessenz ist folglich, dass das Internet der Dinge die Endgeräte soweit befähigt, dass diese theoretisch in der Lage wären, Dienstleistungen völlig autonom auszuführen.

Nun liegt das Problem darin, Schutzziele der IT-Sicherheit [9] wie Vertrauen, Integrität oder Zurechenbarkeit während der Abwicklung einer Dienstleistung zu gewährleisten. Personendatenschutz (Privacy) und Sicherheit (Security) vor physikalischem Schaden (Safety). Für diese Intermediäraufgaben kommt die Blockchain-Technologie ins Spiel. Mit der Blockchain können folgende Funktionen realisiert werden:

  • gesicherte und nicht manipulierbare Kommunikation zwischen Entitäten,eigene Spezial-Währung (sog. Kryptowährung) als natives Zahlungsmittel,
  • treuhänderische Verwaltung von Geldwerten und Steuerung von Abläufen durch Smart Contracts,
  • Speicherung des Kommunikations- und Transaktionsverkehrs,
  • (asymmetrische) Verschlüsselung der Transaktionen,
  • Integritätsüberprüfung aller Transaktionen.

Mit Hilfe dieser Funktionen kann eine einfache Dienstleistung zwischen zwei smarten Endgeräten abgewickelt werden (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2 – Dienstleistungsabwicklung über die Blockchain

Wie in Abbildung 2 dargestellt, übernimmt die Blockchain wichtige Aufgaben eines Treuhänders, die nachfolgend in vier Schritte zusammengefasst werden:

1. Ausgelöst durch ein Ereignis erkennt ein autonomes Endgerät, dass es einen Bedarf hat und erteilt über den Smart Contract einen Auftrag. Mit der Auftragserteilung transferiert der Auftraggeber den erforderlichen Geldwert an den Smart Contract, der diesen treuhänderisch aufbewahrt.
2. Die Blockchain bzw. der Smart Contract kennt die Identitäten der Auftragnehmer und weist nun den Auftrag einem Auftragnehmer zu (z.B. über Auktionsmechanismen oder per Zufall).
3. Der Auftragnehmer weiß, dass der Smart Contract den Geldwert sichergestellt hat und führt die Dienstleistung durch. Den Abschluss meldet dieser anschließend an den Smart Contract.
4. Nun muss verifiziert werden, dass die Dienstleistung korrekt durchgeführt wurde (Problem der realweltlichen Umsetzungsgüte einer Dienstleistung). Die Rahmenbedingungen für den Schritt der Überprüfung können sehr unterschiedlich sein, sodass die Verifizierung anwendungsspezifisch gelöst werden muss (siehe Beispiel Proof of Concept). Nach der erfolgreichen Verifizierung veröffentlicht der Smart Contract, dass die Dienstleistung korrekt durchgeführt wurde – demnach der Bedarf des Auftraggebers befriedigt wurde. Mit dem anschließenden Transfer des sichergestellten Geldwerts vom Smart Contract an den Auftragnehmer endet die Dienstleistungsabwicklung.

Diese Schritte betrachten einen idealen Ablauf. Es können natürlich diverse Probleme oder Fehler auftreten. Für diese Fälle müssen entsprechende Regeln im Smart Contract hinterlegt sein. Wenn beispielsweise die Verifizierung der Dienstleistung negativ ist, soll der Geldwert nicht an den Auftragnehmer fließen, sondern an den Auftraggeber zurückgesendet werden. Ebenfalls soll keine Dienstleistung durchgeführt werden, wenn der Auftraggeber nicht den geforderten Geldwert transferiert. Eine detailliertere Darstellung der Dienstleistungsabwicklung ist anhand des Proof of Concept in Abbildung 3 zu finden.

Zusammenfassend stellt das Blockchain-System die Kommunikation, die „Spielregeln“ sowie die Transaktion von Geldwerten sicher und wickelt somit die Dienstleistung ab. Blockchain-Ansätze können hier mit Verfahren zur Auswahl des Auftragnehmers (Auktionsverfahren, mathematische Auswahlverfahren, Zufallsprinzip etc.) kombiniert werden. Alle Vorgänge werden in der Blockchain gespeichert und sind jederzeit einsehbar. Lediglich die Qualitätskontrolle, also die Überprüfung der realweltlichen Dienstleistungsgüte, kann von der Blockchain-Technologie in manchen Anwendungsfällen nicht ohne Unterstützung durchgeführt werden. Um diesem Problem zu begegnen, existieren diverse Ansätze. Beispielsweise wäre es denkbar, bei dem smarten Endgerät zertifizierte Software nachprüfbar zu implementieren. Somit könnte die Dienstleistungsgüte durch Prüfung des Zertifikats indirekt verifiziert werden.

Einsatzmöglichkeiten und der Proof of Concept

Die Blockchain übernimmt Aufgaben eines Intermediäres, welcher die korrekte Abwicklung einer Dienstleistung sicherstellt. Somit kann die Blockchain prinzipiell überall zum Einsatz kommen, wo eine klar definierte Dienstleistung nach gleichem Muster mehrfach angefragt und durchgeführt werden soll. Dies ist im IoT-Bereich zwischen smarten Endgeräten gegeben (Beispiele im letzten Absatz).

Um die Machbarkeit und Einfachheit eines derartigen Systems zu verdeutlichen, haben drei IT-Berater der Cassini Consulting einen Proof of Concept entwickelt, der nach oben beschriebenem Konzept eine Dienstleistungsabwicklung realisiert.

Anwendungsszenario

Der Proof of Concept realisiert die Abwicklung einer Reinigungsdienstleistung in Gebäuden. In vielen Unternehmen können die Besprechungsräume für Veranstaltungen online gebucht werden. Nach einem Meeting wird der Raum verlassen und die nächste Reservierung steht bevor. Der Proof of Concept besteht aus einem Meetingraum, der nach jedem fünften Meeting durch einen Staubsaugerroboter gereinigt wird. Der Meetingraum ist intelligent (siehe Cassini Forschungsprojekt „smart Meetingroom“ [9]) und schaut beispielsweise im Outlook-Kalender nach, wann das fünfte Meeting vorbei ist und bucht einen Zeitraum für die Reinigung über einen Smart Contract. Anschließend veröffentlicht dieser Smart Contract einen Auftrag für eine Reinigungsdienstleistung. Im Proof of Concept bekommt ein Roboter dies mit und antwortet über den Smart Contract. Wenn der Staubsauger vor dem Meetingraum steht, wird die gegenseitige Authentifizierung von Tür und Staubsauger durchgeführt und der Meetingraum öffnet seine Tür. Der Staubsauger fährt hinein, führt die Reinigung durch und verlässt anschließend wieder den Raum. Danach wird die Dienstleistung durch den Transfer der Geldmittel abgeschlossen und der Meetingraum verschließt wieder die Tür.

Realisierung

Dieser Proof of Concept wurde im Rahmen eines internen Forschungsprojektes (sog. Green-Lab) [10] durchgeführt. In diesem bekommt das Umsetzungsteam – hier bestehend aus den drei Cassini Beratern – eigenverantwortlich Zeit und Budget zur Verfügung gestellt. Es wurden ein programmierbarer Staubsaugerroboter (iRobot Create® 2 Programmable Robot [11]), zwei Raspberry PI 3 [12], zwei Arduino Uno [13] und der Smart Meeting Room von Cassini Consulting in München, welcher bereits in einem anderen GreenLab entwickelt wurde, verwendet. Als Programmiersprache wurde JavaScript, die öffentliche Ethereum Blockchain und die Ethereum eigene Programmiersprache Solidity (für Smart Contracts) ausgewählt. Das Team hat den Proof of Concept in agilen Sprints realisiert. Das folgende Diagramm in Abbildung 3 gibt einen Überblick über den Dienstleistungsablauf.

Abbildung 3 – Ablaufdiagramm Proof of Concept

Der Proof of Concept zeigt, dass relativ einfache Dienstleistungen, welche stets nach dem gleichen Muster ablaufen, mit einem hohen Autonomiegrad realisiert werden können. Die Blockchain-Technologie kann hierbei eingesetzt werden, um die Abwicklungs- und Transaktionskosten zu minimieren und Sicherheit zu gewährleisten. Alles ohne einen Intermediär wie beispielsweise Uber, AirBnB oder Amazon einzubinden.

Weitere Anwendungsfälle sind denkbar, wie z.B.:

  • Eine Drohne, die Pakete von einer Sammelstelle an einen Zielort transportiert
  • Eine Autowaschanlage, welche die Abrechnung direkt mit dem Auto (Smartphone) durchführt
  • Eine E-Zapfsäule, welche die Abrechnung direkt mit dem Auto (Smartphone) durchführt
  • Ein smarter Kühlschrank, welcher immer nach dem gleichen Muster bestellt (smart Home)
  • Eine Maschine (Industrie, Flugzeug etc.), bei der Verschleißteile ab bestimmten Messwerten ausgetauscht werden müssen (predictive Maintenance)
  • Ein Privathaushalt, der mit einer Photovoltaikanlage Strom ins Netz einspeist (smart Energy)

Die Durchdringung solcher Geschäftsmodelle durch die Blockchain-Technologie wird aufgrund des Nutzwerts stark zunehmen. Ebenfalls die Anzahl der durchgeführten Transaktionen wird in Zukunft aufgrund von neuen, disruptiven Geschäftsmodellen stark ansteigen.

Quellen und Verweise
[1] https://www.computerwoche.de/a/blockchain-was-ist-das,3227284
[2] https://www.btc-echo.de/tutorial/was-ist-die-blockchain/
[3] http://digitaleweltmagazin.de/2017/07/18/public-blockchain-offen-und-trotzdem-sicher-in-einer-globalen-welt/
[4] http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7163223/?reload=true
[5] https://books.google.de/books?hl=de&lr=&id=RHJmBgAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR3&dq=Blockchain&ots=XQrEJ30Qe4&sig=ME4raX8z28pmvEbIw7IcGw82fe8#v=onepage&q=Blockchain&f=false
[6] http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=7580101&queryText=Blockchain&refinements=4291949464
[7] http://wirtschaftslexikon.gabler.de/Definition/smart-contract.html
[8] http://www.kryptowissen.de/schutzziele.php
[9] http://greenlabs.cassini.de/digitalworkplace.html
[10] http://greenlabs.cassini.de/boards-on-blockchain.html
[11] http://www.irobot.com/About-iRobot/STEM/Create-2.aspx
[12] https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/
[13] https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3

 

Der Autor: Philipp Khan, Consultant am Standort München, beschäftigt sich primär mit den Cassini Fokusthemen Internet of Things und Digitale Transformation. Konkret begleitet der zertifizierte Product Owner seine Kunden bei der Entwicklung innovativer Produkte und Konzepte. Dabei unterstützt er beginnend bei der Ideenfindung und -ausgestaltung bis hin zur Markteinfüh-rungsstrategie. In seinen Projekten realisierte er beispielsweise die Erfassung eines IoT-Systems im Enterprise Architecture Management, einen IoT-Service für eine Smartwatch-Applikation und eine Augmented Reality-Visualisierung für IoT-Daten.

Vorheriger ArtikelWarum Künstliche Intelligenz dem Internet of Things zum Durchbruch verhelfen wird
Nächster ArtikelChancen nutzen, statt dem Anpassungsdruck zu erliegen