4. November 2021 Smart Cities - Intelligente Städte dank IoT und 5G

Smart Cities bieten aufgrund der umfassenden Vernetzung des Internet of Things und mithilfe des Mobilfunkstandards 5G viele Vorteile für ihre Bürgerinnen und Bürger. Jedoch entstehen dadurch auch neue Gefahren durch Cyberkriminelle, die nicht außer Acht gelassen werden dürfen.

Das Internet of Things (IoT) versteht sich als nächste Evolutionsstufe des klassischen Internets. Nach der Kommunikation von Mensch zu Mensch (beispielsweise über Mail, soziale Netzwerke oder Instant Messenger) und der Kommunikation zwischen Mensch und Maschine (etwa in Form von Datenbankabfragen oder dem Besuch von Webseiten) rückt mit dem Internet of Things nun die Kommunikation zwischen Maschine und Maschine (M2M) in den Fokus.

Die Digitalisierung der Realität

Kern des Internet of Things ist die Idee, dass Gegenstände wie beispielsweise Autos, E-Scooter, Straßenlaternen, öffentliche Kameras, Drohnen und noch vieles mehr als vollwertige Netzwerkteilnehmer fungieren und miteinander Informationen austauschen. Mit einem eindeutigen Code (Unique Identifier) ausgestattet, agieren sie gleichermaßen als Produzent und Konsument von Daten, die sie mittels Sensoren aus ihrer unmittelbaren Umgebung erfassen.

Sachverhalte der realen, physischen Welt werden so in digitalisierter Form zu nutzbarer Information im virtuellen Netz. Eine Anwendung für dieses Prinzip ist die sogenannte Smart City.

Die Smart City ist vernetzt

Je mehr vernetzte Gegenstände miteinander Daten austauschen, um so intelligenter wird die Umgebung, in der sie sich befinden. Diese Überlegung ist das Fundament der intelligenten Stadt, der sogenannten Smart City. Wie funktioniert jedoch dieses Prinzip und welche Vorteile hätte es für Bürgerinnen und Bürger solcher Städte? Anhand dieser drei Beispiele werden Kosten- und Zeitersparnis durch eine effiziente und vor allem digitalisierte Umwelt deutlich:

• Würde die städtische Müllabfuhr nicht mehr standardmäßig jeden einzelnen Müllcontainer im Rahmen von fixen Routen anfahren, sondern nur noch jene, die tatsächlich voll sind, könnten die Fahrzeuge viele Kilometer einsparen. Dazu müssten lediglich die Müllcontainer mit Füllstandsensoren ausgerüstet werden. Sobald der Befüllungsgrad einen bestimmten Grenzwert überschritten hat, sendet der Container ein Signal an das Leitsystem der Müllabfuhr, dass er zum Entleeren bereit ist. Das gleiche Prinzip ließe sich auch auf Briefkästen anwenden.
• Mit Sensoren ausgestattete Stellplätze in Parkhäusern oder Tiefgaragen könnten die Information, ob sie frei oder besetzt sind, für jede Bürgerin und jeden Bürger frei verfügbar ins Internet stellen. Autofahrerinnen und Autofahrer könnten diese Informationen über eine App in Echtzeit ins Fahrzeug geliefert bekommen.
• Etwas weiter in der Zukunft liegen Anwendungen des autonomen Verkehrs im Kontext von Smart Cities. Intelligente Verkehrsleitsysteme könnten für staufreie, sichere und effiziente Transporte sorgen - sowohl im öffentlichen wie auch im Individualverkehr. Dafür müssten die Bordcomputer jedes einzelnen Fahrzeugs wissen, wo sich andere Verkehrsteilnehmer befinden, wie groß, schwer und schnell diese sind, wie die Straßenverhältnisse aussehen und so weiter. All diese Daten müssten in Echtzeit verarbeitet werden, damit ein autonomes Fahrzeug intelligente – und vor allem sichere – Entscheidungen treffen kann.

Energie und Verkehr sind aktuell die prominentesten Themen der Smart City. Doch auch Gesundheit, Verwaltung, Soziales und Umweltmonitoring gelten als integrative Bestandteile der intelligenten Stadt. All diese Anwendungen verbessern nicht nur die Versorgungs- und Lebensqualität in Städten deutlich. Sie erfordern außerdem eine Netzwerkinfrastruktur, die mit den wachsenden Datenmengen umgehen kann. Diese Infrastruktur ist der Mobilfunkstandard 5G.

5G bringt mehr als nur Highspeed

Der Mobilfunkstandard 5G bietet theoretisch Datenraten bis zu 10 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s). Das entspricht dem rund Zehnfachen der Vorgängergeneration LTE (Long Term Evolution) und ist vor allem für die Nutzerinnen und Nutzer von Smartphones interessant.

Daneben erlaubt 5G aber auch den Aufbau von spezialisierten Netzwerken, die auf spezifische Bedürfnisse von Industrieunternehmen zugeschnitten sind. Beispielsweise lassen sich Netze mit sehr vielen Teilnehmerinnen und Teilnehmern erstellen, die jeweils nur geringe Datenmengen übertragen – das typische Szenario für viele IoT-Anwendungen. Zusätzlich weist 5G nur eine minimale Verzögerungszeit beziehungsweise Reaktionszeit (der Fachausdruck ist „Latenz“) von rund einer Millisekunde auf. Zum Vergleich: LTE braucht mindestens 60-mal so lang, um zu reagieren. Diese Eigenschaft prädestiniert 5G für zeitkritische Anwendungen wie etwa das bereits im Beispiel erwähnte, automatisierte Steuern von Verkehrsströmen.

Datensicherheit in IoT und Smart City

Je mehr Komponenten der realen Welt in digitalisierter Form ins Internet of Things gelangen, desto größer sind auch die Gefahren der damit verbundenen Cyberkriminalität und die Herausforderungen für die Sicherheit der IoT- und Smart City-Systeme.

Bekannte Bedrohungsszenarien wie sie auch in privaten Netzwerken und im klassischen Internet auftreten, werden im hochkomplexen Internet of Things um ganz neue Gefahren ergänzt. Zudem können die Auswirkungen hier um ein Vielfaches höher sein. Etwa dann, wenn die kritische Infrastruktur wie Kraftwerke oder die Stromversorgung Ziel eines Angriffs ist. Auch wenn auf einen Schlag sehr viele Menschen betroffen sind - eine einzige lahm gelegte U-Bahn lässt viele Menschen zu spät zur Arbeit kommen – kann eine weitgehende Vernetzung zum Problem werden. Für Cyberkriminelle werden damit die Angriffspunkte sowohl im öffentlichen als auch im privaten Bereich deutlich diverser und die nachfolgenden Szenarien durchaus realistisch:

Sabotage: Würde es Hackerinnen oder Hackern gelingen, alle Verkehrsampeln in einer Stadt zeitgleich abzuschalten oder auf Grün zu schalten, wären Unfälle wohl eine sehr wahrscheinliche Konsequenz. Sabotage ist schon deshalb eine realistische Gefahr, weil viele der vernetzen Dinge im IoT wie Müllcontainer, Briefkästen, Strom-Verteilerkästen, Straßenbahnschienen oder Überwachungskameras ungeschützt im öffentlichen Raum zugänglich sind.

Erpressung: Sobald Cyberkriminelle Zugriff auf Smart City-Systeme haben, können sie diese nicht nur manipulieren oder außer Betrieb setzen, sondern quasi als „Geisel“ nehmen. Der legitime Betreiber erhält erst gegen Bezahlung wieder Zugriff.

Persönliche Daten: Auch persönliche Daten sind in der Smart City potenziell gefährdet. Ein Beispiel: Smart Meter, also die digitalen Stromzähler, messen den Stromverbrauch (sowie technische Daten der Stromqualität) in Haushalten mindestens einmal täglich. Das bietet viele Vorteile. Gelangen jedoch Unbefugte an die Nutzerdaten, könnten sie ein Profil unserer Gewohnheiten erstellen. Insbesondere lässt sich aus dem Stromverbrauch ablesen, wann jemand zu Hause ist und wann das Eigenheim ungeschützt ist.

Wie können Städte sich schützen?

Um potenzielle Gefahren in Smart Cities zu minimieren, können präventive Schutzmaßnahmen ergriffen werden, damit Cyberkriminelle hier kein leichtes Spiel haben. Folgende Vorgehensweisen sind ratsam, um Städte und Bevölkerung gleichermaßen zu sichern:

• Sicherheitsrichtlinien definieren: Governance-Strategien und festgelegte Regeln sind wichtig, damit Projektbeteiligte in Problemfällen die richtigen Entscheidungen treffen können.
• Zertifizierte Systeme: Nur Produkte einsetzen, die den Prinzipien von „Security by Default“ (Ansatz: die konfigurierten Standardeinstellungen von Geräten weisen die höchste Sicherheit auf) und „Security by Design" (IT-Sicherheit wird schon bei der Design-Entwicklung von IoT-Geräten beachtet) entsprechen.
• Umfassende Personalschulungen: Informationen, Workshops und Schulungen garantieren die richtige Nutzung aller Beteiligten.
• Auf Details achten: Sind nicht nur die Softwaresysteme geschützt, sondern auch die Hardwaregeräte im Feld? Kommunizieren Sensoren verschlüsselt miteinander und mit den übergeordneten Systemen? Lassen sich die verbauten Chips in Hardwarekomponenten womöglich auslesen?
• Datenschutz berücksichtigen: Das Sammeln und Erfassen von Daten des städtischen Lebens sowie ihrer Bewohnerinnen und Bewohner kann zu datenschutzrechtlichen Problemen führen. Insbesondere, da Anbieter solcher smarten Systeme bislang meist aus Übersee stammen. Es liegt also an den europäischen Städten, die Richtlinien der EU einzuhalten.
• Systempflege und vorausschauende Wartung: Regelmäßige Softwareupdates und Security-Patches sind ein Muss. Parallel dazu sollte eine klare Strategie für Wartung und Austausch von Hardwarekomponenten festgelegt werden. Bei einer hohen Anzahl an vernetzten Geräten in IoT-Netzwerken fällt es sonst schwer, den Überblick zu behalten.