Wahrung der Privatsphäre in einer Blockchain-basierten Plattform: Anwendung für MRO-Dokumentationen der Luftfahrtindustrie

Dokumentationspraktiken der Luftfahrt MRO-Branche sind durch einen hohen Anteil analoger Erfassung gekennzeichnet. Wird ein Bauteil repariert, werden Zertifizierungen und Belege meist in Papierform erstellt und versandt. Für die digitale Erfassung und Verarbeitung von Dokumenten gibt es keinen einheitlichen Standard. Insbesondere für komplexe Bauteile oder Flugzeuge ist das Dokumentenmangement sehr aufwendig. Fehlende Standards führen zu Intransparenz sowie Verlust- und Fehleranfälligkeit. Sobald Unregelmäßigkeiten in einer Dokumentation existieren verliert ein Bauteil die Flugtauglichkeit und darf nicht weiterverwendet werden. Zur Überpfüng von Zertifikaten müssen MRO-Betriebe Einsicht in Dokumente ermöglichen. Da Dokumentationen sensible und wettbewersrelevante Daten beinhalten können, ergeben sich hohe Sicherheitsanforderungen bei der Weitergabe von Informationen. (Efthymiou et al. 2022).

Die hier vorgstellten Forschungsergebnisse sind Teil des RAPADO Forschungsprojektes, bei dem ein Rahmenwerk geschaffen wird, welches die authentifizierte, verschlüsselte und validierte Ablage von Dokumentationen von Flugzeugersatzteilen zur Standardisierung durch die Aufsichtsbehörden ermöglichen und somit eine Lösung genannter Probleme bereitstellen soll.

Als Vorarbeit zum RAPADO Projekt haben Wickboldt und Kliewer bereits die Speicherung von Daten auf einem verteilten Ledger vorgeschlagen, um die Intransparenz bei der Dokumentation von Werkstattereignissen zu verringern (Wickboldt und Kliewer 2018). In einem Konsortium-Netzwerk könnten MRO-Marktteilnehmer vertrauliche Daten authentifiziert austauschen und dabei auf eine gemeinsame und konsistente Datenbasis zugreifen, die Grundlage für die Optimierung von Geschäftsprozessen bilden kann (Wickboldt und Kliewer 2019). Andere Quellen empfehlen die Verwendung öffentlicher Netzwerkstrukturen, sofern Privatsphäre nicht gewahrt bleiben muss (Hasan et al. 2020). Auf diese Weise ließe sich ein hohes Maß an Datenpersistenz und -integrität erreichen, ohne das Teilnehmer einem zentralen Betreiber vertrauen müssen. Weiterhin wurden in der Industrie Konzepte für Dokumentationsplattformen erprobt, die auf private bzw. konsortiale Infrastruktur setzen, wie Honeywell oder SITA.

Bei der Implementierung von Blockchain-Anwendungen im Unternehmensumfeld spielt die Wahl der Infrastruktur und damit auch der Grad der Dezentralisierung eine entscheidende Rolle. Denn die ursprünglichen Anwendungszwecke einer Blockchain, ein ohne Vertrauen funktionierendes Peer-to-Peer Netzwerk mit einem hohen Maß an Datenpersistenz und -integrität (Nakamoto 2008), lassen sich in privaten Netzwerken nicht hinreichend realisieren (Buterin 2015). Dies wird an dem Beispiel Tradelens deutlich, einer Plattform zur Abwicklung von Containerlogistik. Trotz erfolgreicher Anwendung steht die Plattform in der Kritik, da eine zu starke Zentralisierung und Steuerung von Seiten der Firma Maersk der Standardisierung und Entwicklung kritischer Infrastruktur im Wege steht (Lohmer und Lasch 2020). Gleichzeitig ist die Wahrung der Privatsphäre für sensible Geschäftsdaten Grundvoraussetzung für Unternehmen, um an einem verteilten Netzwerk zu partizipieren (Holbrook 2020). Privatsphäre in öffentlichen Blockchain-Netzwerken stellt somit eine große Herausforderung für die Adaption im Unternehmenskontext dar (Buterin 2016).

Die Analyse bisheriger Konzepte der Luftfahrt-MRO-Branche zeigt, dass die Verwendung privater Netzwerke bevorzugt wird (Aleshi et al. 2019; Schyga et al. 2019; Wickboldt und Kliewer 2019). Dabei wurden Vor- und Nachteile zentraler und dezentraler Infrastrukturen erkannt (Hasan et al. 2020). Um einen von der Industrie akzeptierten Standard zu schaffen scheint es erforderlich, dass eine Dokumentationsplattform die Anforderungen der MRO-Branche umfänglich erfüllt. Bei der Verwendung von Distributed-Ledger-Technologien für den Anwendungsfall stellt sich die Frage, wie eine Infrastruktur die Mehrwerte Datenpersistenz und -Integrität mit den Anforderungen an Sicherheit und Privatsphäre in Einklang bringen kann.

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse basieren auf einem Design Science Research (DSR) Ansatz nach Hevner et al. (2004) und haben zum Ziel, präskriptives Wissen zur Erstellung einer Blockchain-basierten-Infrastruktur für den Anwendungsfall zu beschreiben. Das Vorgehen folgt einem generischen DSR-Forschungsprozess (Gleasure 2013), bei dem eine Relation zwischen Problem und Lösungsbeschreibung hergestellt und somit nach Defintion von Venable (2006) zum Design-Wissen der Domäne beigetragen wird. Dabei werden zunächst Anforderungen identifiziert und präzisiert, um anschließend unter Verwendung von Designprinzipien den Lösungsraum interativ einzugrenzen. Zur Lösung von auftretenden Konflikten werden weiterführende Konzepte herangezogen und angewandt, was eine neuartige Ergänzung initialer Designprinzipien für die Anwendungsdomäne darstellt. Die Ergebnisse werden durch die Beschreibung der Infrastruktur formalisiert und anschließend durch Überprüfung der Anforderungserfüllung validiert. Die Ergebnisdarstellung ist gemäß vom Brocke und Maedche (2019) in sechs verschiedene Dimensionen gegliedert. Die Systematik des DSR-Grids unterteilt die inhaltliche Darstellung wie folgt:

Anforderungen an eine MRO-Dokumentationsplattform ergeben sich aus Marktgegebenheiten und bestehenden Prozessen. Hierzu haben Wickboldt und Kliewer (2018) bereits die Kernanforderungen: persistente Datenhaltung, selektive Zugriffsbeschränkung, Gewährleistung der Datenintegrität sowie Transparenz der Dokumentationshistorien, erhoben. Darauf aufbauend wurden Anforderungen im Forschungsprojekt RAPADO erneut ermittelt und detaillierter beschrieben. Die Erhebung erfolgte in mehreren aufeinanderfolgenden Workshops mit Experten der MRO-Branche, unter Durchführung von Interview-Reihen und Prozessanalysen. Befragte Experten sind drei Kategorien von Marktteilnehmern zuzordnen: MRO-Werkstattbetriebe, MRO- Teile-Händler und Airlines. Neben der Präzisierung der Anforderungen von Wickboldt und Kliewer (2018) wurde zusätzlich die Einhaltung des Datenschutzes explizit definiert. Nachfolgende Anforderungen geben den Rahmen vor, in dem Designprinzipien und weiterführende Konzepte bei der Definition der Zielarchitektur spezifiziert werden.

Bei der Entwicklung von Blockchain-Anwendungen für Unternehmenszwecke gilt es Designprinzipien zu beachten. Die Prinzipien ergeben sich aus inhärenten Eigenschaften der Technologie und dessen Anwendungszweck. Bezüglich des Entwurfes der Infrastruktur im Unternehmensumfeld sind nach Holbrook (2020) folgende Prinzipien von Relevanz: Datenpersistenz/-integrität, Verfügbarkeit, Transparenz, Sicherheit und Privatsphäre. Im Folgenden werden die Implikationen dieser Prinzipien für eine Implementierung von Blockchain-Anwendungen dargestellt. Anschließend werden resultierende Zielkonflikte der Prinzipien diskutiert. Die entsprechende Ausgestaltung für den Anwendungsfall zeigt sich in der Lösungsbeschreibung.

Etablierte Netzwerke, die Privatsphäre für öffentliche Blockchain-Netzwerke garantieren, wie zum Beispiel ZCash und Monero, arbeiten mit verifizierenden Berechnungen. Diese Plattformen bieten allerdings nicht die Programmierbarkeit Smart Contract fähiger Blockchains, wie zum Beispiel Ethereum, und sind darauf ausgelegt Datenschutz für bestimmte Klassen von Anwendungen zu gewährleisten, z. B. Zahlungsverkehr.

Eine theoretisch ideale Lösung ist die sichere kryptografische Verschleierung (Manjunath et al. 2019). Dabei ist das Ziel Programme in eine Black Box zu verwandeln, die zwar einer klaren Logik folgt und eindeutige wiederholbare Ergebnisse liefert, aber deren Funktionsweise kryptografisch verschleiert wird. Jedoch ist die perfekte Verschleierung mathematisch unmöglich (Barak et al. 2012). Ein geringerer Sicherheitsstandard, der Anforderungen hinreichend erfüllen könnte, ist aktuell noch sehr rechenintensiv (Garg et al. 2013) und damit nicht nutzbar für Blockchain-Anwendungen.

Um dennoch die Privatsphäre in öffentlichen Blockchain-Anwendungen zu wahren, müssen selektive Daten an externe Ressourcen ausgelagert und abseits der Blockchain berechnet werden. Damit die Vertrauenwürdigkeit externer Berechnungen maximiert wird, kommen Konzepte des Off-Chainings zum Einsatz. Einem Modell von Eberhardt und Heiss (2018) folgend existieren unterschiedliche Kategorien für das Off-Chaining: Verifizierende Berechnung (Zero Knowledge Proofs), Enklaven, Secure-Multiparty-Computation (sMPC), Anreizsysteme.

Auf Basis der Anforderungen und unter Verwendung der Designprinzipien können technische Spezifikationen der Zielarchitektur (vgl. Abb. 1) abgeleitet werden. Die Infrastruktur setzt sich aus drei verschiedenen Netzwerken zusammen, welche unterschiedliche Funktionen für die Anwendung erfüllen. Mit Hilfe von Off-Chaining Technologien lässt sich ein Protokoll für das Validierungsnetzwerk implementieren, welches Daten mit hohen Sicherheitsanforderungen abseits des öffentlichen Blockchain-Netzwerkes vertrauensvoll validiert. Eine kryptografisch geschützte Datenübertragung sichert den Datenaustausch zwischen Parteien und Netzwerken. Dokumentreferenzen und Validitätsnachweise werden über Smart Contracts auf der Blockchain aggregiert und gespeichert. Im Folgenden sind Netzwerk-Spezifikationen der Zielarchitektur sowie Merkmale der Datenübertragung und der Smart Contracts erläutert.

Eine öffentliche Netzwerkkonfiguration ist bevorzugt, um eine persistente Datenhaltung und hohe Datenintegrität zu realisieren. Da es bei starker Netzwerkauslastung zu Engpässen in der Datenspeicherung und somit zu erhöhten Nutzungskosten kommen kann, werden nur ausgewählte Metadaten in der Blockchain abgelegt. Um dennoch eine persistente Datenspeicherung für sämtliche Dokumente zu ermöglichen, ist die Anwendung um ein verteiltes Dateisystem erweitert.

Ein eigens für den Anwendungsfall entwickeltes Validierungsprotokoll implementiert die zugrundeliegende Funktionsweise auf allen Knoten des Netzwerkes (vgl. Abb. 2). Die Entschlüsselung und algorithmische Überprüfung der Dokumente findet in einer Enklave, in Form eines Trusted Execution Environment (TEE), statt. Eine Entschlüsselung und Überprüfung sensitiver MRO-Dokumente ist möglich, ohne das unautorisierte Zugriffsmöglichkeiten bestehen. Unter Verwendung einer verifizierenden Berechnung sind Validitätsprüfungen als Zero-Knowledge-Proofs auf der Blockchain dokumentiert.

Interaktionen der Anwender mit dem System zeigen die Funktionalität des Netzwerkes und wie technische Spezifikationen zur Anforderungserfüllung beitragen. Im Folgenden sind die Interaktionen „Flugzeugersatzteil registrieren, Zertifikat-Upload und Zertifikat-Validierung“ beispielhaft dargestellt (vgl. Abb. 3).

Eine persistente Datenhaltung ist erreicht, da MRO-Dokumente im verteilten Dateisystem dauerhaft zur Verfügung stehen. Metadaten der Dokumente sowie Systemoperationen und Validitäts-Nachweise sind auf der öffentlichen Blockchain dauerhaft gespeichert. Trotz Synchronisierung der Daten im Netzwerk kann die Privatsphäre gewahrt bleiben, da MRO-Dokumente verschlüsselt sind. Zudem erfolgt die Entschlüsselung der Dokumente nicht durch eine zentrale Instanz, sondern durch ein Netzwerk an Validierungsknoten innerhalb einer physisch abgeschirmten Enklave. Da Anwender stets alleinige Verwalter ihrer generierten Passwörter sind, obliegt ihnen auch die selektive Weitergabe. Einzelne Validierungsknoten verfügen lediglich über Teilschlüssel und besitzen somit keine Zugriffsmöglichkeit. Dokumente die eine Validierung benötigen, können innerhalb der Enklaven geprüft werden. Durch die Durchführung von verifizierenden Berechnungen und die Speicherung der Beweise auf der Blockchain, in Form von Zero-Knowledge-Proofs, kann die Validität von MRO-Dokumenten gegenüber anderen Netzwerkteilnehmern bestätigt werden. Die Zuweisung von Dokumenten, Metadaten (zum Beispiel Eigentum, Verantwortlichkeiten u. a.) und Beweisen innerhalb einer Token gestützten Bauteil-Dokumenten-Hierarchie, ermöglicht eine digitale Abbildung der MRO-Dokumentationsprozesse.

Die vorgestellte Architektur beschreibt die Infrastruktur einer Blockchain-basierten Plattformlösung für Dokumentationsprozesse der MRO-Branche. An den Beispiel-Interaktionen zeigt sich, dass anfangs beschriebene Anforderungen erfüllt werden können. In Hinblick auf die Ziele von RAPADO kann die Lösung zur verschlüsselten und validierten Ablage von Dokumenten beitragen. Funktionalitäten zur Authentifizierung von autorisierten Anwendern sind nicht beschrieben und stellen eine Erweiterung der Ergebnisse in zukünftigen Untersuchungen dar. Das Konzept ist generisch gehalten und ließe sich auf verwandte Anwendungsfälle und Branchen übertragen. Insbesondere die Einbeziehung der Off-Chaining Konzepte kann beschriebene Designprinzipien erweitern und zur Konfliklösung im Designprozess beitragen. Dabei wird insbesondere eine Möglichkeit aufgezeigt, wie Privatsphäre in einem öffentlichen Blockchain-Netzwerk gewahrt bleiben kann. Für den konkreten Fall bleibt zu klären, welches öffentliche Netzwerk am besten geeignet ist. Dabei steht die Frage der Skalierbarkeit hinsichtlich Kosten und Performanz im Fokus. Zudem muss die Zuverlässigkeit des Validierungsmechanismus eingehend geprüft werden. Engpässe könnten durch eine hohe Rechenintensität bei der der Generierung von Beweisen entstehen. Die Erprobung der Architektur durch MRO-Experten ermöglicht eine qualitative Evaluation der Ergebnisse des DSR-Projektes (Hevner et al. 2004). Unter realen Bedingungen steht die Bewährung aus.