5 Gründe, Rust in eingebetteten Systemen für Automotive und Industrie zu verwenden

Rust wird die wichtigste Sprache für die Entwicklung neuer Industrie- und Automobilanwendungen werden, bei denen die Sicherheit entscheidend ist. Sehen wir uns an, warum wir das glauben und wie unsere Kunden von diesem Wandel profitieren werden. 

Laut einer Studie der Cornell University aus dem Jahr 2020 sind 60–70 % der Sicherheitslücken in eingebetteten Systemen und elektronischen Geräten auf Speicherprobleme zurückzuführen. Die Programmiersprache Rust behebt diese effektiv und macht sie zu einem Game Changer in der sicheren Softwareentwicklung. Wir werden dies mit spezifischen Beispielen in diesem Artikel beweisen und mit Fallstudien globaler Industrieunternehmen wie Volvo, Infineon und Arculus untermauern. 

Rust verspricht ein langfristiger Trend zu werden, jedoch gibt es immer noch weit weniger Rust-Entwicklungsspezialisten als C/C++-Ingenieure. Promwad sieht dies als eine ausgezeichnete Gelegenheit für uns und unsere Kunden: Wir vertiefen uns bereits in das Thema und schulen unsere Ingenieure, damit Sie die Vorteile der Rust-Entwicklung in Ihren Ingenieurprojekten voll ausschöpfen können.  

Wir haben diesen Artikel mit der fachlichen Unterstützung unserer Abteilungsleiter für Embedded Services, Automotive Design und Industrieautomation verfasst. Lesen Sie weiter, um die Zukunft von Rust zu verstehen, oder kontaktieren Sie uns direkt, um zu besprechen, wie es in Ihren maßgeschneiderten Projekten eingesetzt werden kann. 

Die Fähigkeiten von Rust können sich in echten Geschäftsvorteilen übersetzen 

Die Programmiersprachen C und C++ beeinflussten die Syntax von Rust, wodurch Entwickler schnell und eigenständig lernen können. Rust bietet auch kompakte Codes und verwendet Ideen aus der funktionalen Programmierung, Mustererkennung und algebraische Datentypen. Rust enthält einen Cargo-Paketmanager, der die Abhängigkeitsverwaltung und die Projekterstellung vereinfacht.   

Diese Sprache ist keine klassische objektorientierte Programmiersprache, kombiniert jedoch niedrigstufiges Management und hochstufige Abstraktionen, was sie zur perfekten Wahl für Systemprogrammierung, Spieleentwicklung, Online-Dienste und viele andere Anwendungen macht.  

Rusts Popularität und Einführung in eingebetteten Systemen wurde durch verschiedene Quellen belegt, die seine Relevanz und sein Wachstum hervorheben. In einer neuen nationalen Cybersicherheitsstrategie bezeichnet das Weiße Haus Rust als die sicherste gängige Programmiersprache.  

Was die Beliebtheit dieser Sprache bei Softwareentwicklern betrifft, so wurde Rust laut dem Tiobe Index im März 2024 auf Platz 17 eingestuft. Obwohl sie nicht zu den zehn beliebtesten Sprachen gehört, deutet Rusts konsistente Platzierung und Stabilität auf ein stetiges Interesse und eine zunehmende Nutzung hin: 

Zeitstrahl. Tiobe Index für Rust. Mai 2024. Quelle: tiobe.com

Die Anzahl der Rust-Nutzer nimmt zu. Quelle: 2023 Annual Survey Results mit 9.710 Befragten auf blog.rust-lang.com

Darüber hinaus ist Rust eine beliebte Programmiersprache unter Fachleuten, wie die Forschung der Stack Overflow Survey zeigt.

Die State of the Developer Nation Survey berichtet von einem signifikanten Anstieg der Anzahl der Programmierer, die Rust professionell nutzen, von 600.000 im Jahr 2020 auf 3,5 Millionen. Die Sprache wurde von innovativen Branchen wie eingebetteten Systemen, WebAssembly, Blockchain und Cloud Computing übernommen, was ihre Relevanz in verschiedenen Sektoren zeigt. 

 

Aliaksei Safonau,

Leiter der Automobilabteilung bei Promwa 

"Ich denke, dass Rust ein enormes Potenzial hat, uns zu ermöglichen, qualitativ hochwertigeren Code zu geringeren Kosten zu produzieren, was wiederum unsere Garantiekosten senken würde, so dass wir unterm Strich alle davon profitieren", sagt Johannes Foufas, Lead Architect Software bei Volvo Cars, einem der großen Akteure in der Automobilindustrie. 

Promwad-Ingenieure verwenden die S32K-Familie von Mikrocontrollern von NXP für Automobilprojekte auf Rust. Quelle: nxp.com 

3. Interoperabilität

Die Integration in bestehende Automobilarchitekturen ist ein weiterer Bereich, in dem Rust glänzt. Es bietet eine ausgezeichnete Kompatibilität mit anderen Programmiersprachen, was für Systeme in der Automobilindustrie wichtig ist, die häufig in anderen Sprachen geschriebenen Legacy-Code einbeziehen müssen.    

Rust in automobilen Anwendungen kann problemlos mit C/C++-Code interagieren, sodass Entwickler die neue Sprache schrittweise in bestehende Systeme einführen können, ohne sie vollständig neu schreiben zu müssen. Diese Fähigkeit erleichtert die Nutzung der Sicherheitsfunktionen von Rust in kritischen Teilen des Systems und gleichzeitig die Kompatibilität mit den umfangreichen Ökosystemen bestehender Automobilsoftware.  

Hier sind einige reale Beispiele, bei denen die Vorteile von Rust eine entscheidende Rolle bei der erfolgreichen Implementierung und Bereitstellung von Automobilprojekten spielen können: 

Anwendungsfall: Rust für Algorithmen autonomer Fahrzeuge  

Autos verfügen über anspruchsvolle Infotainmentsysteme, die Konnektivitäts-, Navigations- und Unterhaltungsoptionen bieten. Rust wurde verwendet, um Komponenten dieser Systeme zu entwickeln, insbesondere solche, die hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit erfordern, insbesondere Software zur Verarbeitung personenbezogener Daten oder Netzwerkfunktionen.  

Wir leben in einer Welt, in der eingebettete Systeme überall sind, von einfachen Haushaltsgeräten bis hin zu industriellen Maschinen. Diese Systeme führen Steuerungsaufgaben und Operationen in Echtzeit aus und gewährleisten einen zuverlässigen und effizienten Betrieb. Sie erfordern daher strenge Entwurfsprotokolle, Tests und Validierungen, um strenge Leistungsanforderungen zu erfüllen. Deshalb haben eingebettete Systeme mit Rust eine große Zukunft, weil der Fokus auf Sicherheit und Leistung liegt.  

Das Ownership-Modell von Rust zusammen mit seinen Mechanismen zur Überprüfung von Borrowing und Lifetimes gewährleistet Speichersicherheit und verhindert Nullzeiger-Dereferenzierungen und Pufferüberläufe, typische Probleme der eingebetteten Programmierung.  

Anwendungsfall mit Infineon

Die Infineon Technologies AG, Deutschlands größter Halbleiterhersteller und unser offizieller Partner, machte den ersten Schritt zur Schaffung eines Rust-Ökosystems im eingebetteten Bereich, indem sie einen dedizierten Rust-Compiler für ihre AURIX-Automobil-MCUs einführte. 

Rust-Entwickler können auch Programme schreiben, die mehrere Aufgaben gleichzeitig ausführen, ohne dass es zu Datenrennen kommt. Dies wird durch Kompilierungszeitprüfungen erreicht, die sicherstellen, dass zwei Threads nicht gleichzeitig auf dieselben änderbaren Daten zugreifen können. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass Rust eine minimale Ausführungszeit hat, insbesondere im Kontext eingebetteter Systeme, wo die Ressourcen begrenzt sind.   

"Rust hat unsere Entwicklungsprozesse verändert: Wir haben die Zuverlässigkeit und Leistung unserer Anwendungen verbessert, Fehler und Sicherheitslücken in der Produktion reduziert. Die Erfahrung mit der Rust-Entwicklung war sowohl herausfordernd als auch lohnend für uns und unsere Kunden",sagte Pavel Moroshek, Leiter der Embedded Services Unit bei Promwad.

 

Roman Shulenkov,

Leiter der Abteilung für industrielle Automatisierung bei Promwad 

Software für industrielle Automatisierung und Robotik erfordert Programmiersprachen, die Sicherheit, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz bieten. Und Rust kann all dies liefern, lassen Sie uns das im Detail aufschlüsseln: 

1.Stabilität

Das Ownership-Modell von Rust stellt sicher, dass jeder Wert einen eindeutigen Besitzer hat und dass es keine schwebenden Zeiger ("dangling pointers") geben kann. Diese Funktionen sind entscheidend für die industrielle Automatisierung, bei der Systeme kontinuierlich und zuverlässig über lange Zeiträume hinweg ohne Ausfälle laufen müssen.  

Dieses Modell, kombiniert mit der strikten Typüberprüfung von Rust, bedeutet, dass viele Fehler, die in anderen Sprachen erst zur Laufzeit auftreten, bereits früh in der Entwicklung erkannt werden.  

Cargo Geiger ist ein Tool, das unsicheren Code identifiziert. Quelle:  github.com

2. Maintainability and scalability 

Rust bietet Modularität und Abstraktionsmöglichkeiten:  

• Der Cargo-Paketmanager und das Build-System sowie das Modulsystem der Sprache erleichtern die Erstellung von gut organisiertem und wiederverwendbarem Code. Dies ermöglicht es Entwicklern, komplexe Systeme aus kleinen, überschaubaren Teilen zu erstellen, die leichter zu verstehen, zu testen und zu warten sind.   

• Das Trait-System von Rust und die zugehörigen Typen bieten Abstraktionen zum Nulltarif, die die Laufzeitleistung nicht beeinträchtigen. Diese Fähigkeiten erleichtern die Skalierung industrieller Automatisierungssysteme, wenn deren Komplexität zunimmt. Entwickler können die Funktionalität erweitern, ohne den Code oder die Wartungskomplexität signifikant zu erhöhen, was eine effiziente Systementwicklung mit minimaler technischer Schuld ermöglicht.  

3. Entwicklungszeit und Kostenreduzierung 

Eine der wichtigsten Funktionen von Rust für die industrielle Automatisierung ist die Fehlerprüfung zur Kompilierungszeit. Der Rust-Compiler bietet Garantien für Referenzsicherheit und Gleichzeitigkeit. Dieses Prüfsystem hilft, Fehler frühzeitig in der Entwicklung zu erkennen, lange vor der Bereitstellungsphase. Durch das Auffangen von Fehlern zur Kompilierungszeit reduziert Rust den Bedarf an umfangreichen Debugging- und Test-Schritten.    

Zuverlässige Diagnosen zur Kompilierungszeit bedeuten, dass Systeme nach der Bereitstellung seltener Laufzeitfehlerbehebungen benötigen, wodurch der  Wartungsaufwand und die Kosten erheblich reduziert werden. Dieser Aspekt von Rust trägt zur Senkung der gesamten Projektkosten bei, was es zu einer wirtschaftlich attraktiven Option für industrielle Automatisierungsprojekte macht.  

Rust für Robotik ermöglicht die Entwicklung hocheffizienter Echtzeit-Steuerungssysteme, die für präzise Operationen unerlässlich sind

Zum Beispiel wird Rust von EVA ICS in seiner industriellen Automatisierungsplattform verwendet, deren vorherige Version in Python geschrieben war. EVA ICS v4 wurde im September 2023 veröffentlicht und markierte das Debüt der weltweit ersten industriellen Automatisierungsplattform, die vollständig in Rust geschrieben wurde. 

Arculus, ein Unternehmen, das sich auf Softwarelösungen für Fuhrparks spezialisiert hat, implementiert Rust schrittweise in seinen Technologiestack für die Robotersteuerung. Die Ingenieure von Arculus integrieren Rust, um dynamisches Routing, genaue Aufgabenverwaltung und die Integration mit anderen Systemen zu ermöglichen, die alle entscheidend für die Aufrechterhaltung optimaler Leistung und Sicherheit in automatisierten industriellen Umgebungen sind.  

4. Schutz 

Industrielle Automatisierungssysteme arbeiten oft in Echtzeit und steuern wichtige Prozesse, die die Sicherheit beeinflussen können. Rusts strenge Speichersicherheitsgarantien, die durch sein Ownership-Modell und seine Borrowing-Regeln durchgesetzt werden, verhindern Nullzeiger-Dereferenzierungen, Pufferüberläufe und Datenrennen. Diese Fehler können zu Systemabstürzen, unvorhersehbarem Verhalten oder sogar katastrophalen Ausfällen in einem industriellen Umfeld führen. 

Mit Rust werden Probleme bei der Kompilierung beseitigt und die Software, die auf Automatisierungssystemen läuft, ist robust und zuverlässig, was entscheidend ist für die Aufrechterhaltung kontinuierlicher Betriebsabläufe und die Sicherheit der Ausrüstung. Aus diesem Grund kann Rust beispielsweise zur Entwicklung virtueller SPSs verwendet werden. 

In der industriellen Automatisierung werden häufig viele Prozesse gleichzeitig ausgeführt und müssen sicher und effizient miteinander interagieren. Das Gleichzeitigkeitsmodell von Rust ist für diesen Zweck besonders nützlich. C und C++ haben mit Problemen der Gleichzeitigkeit zu kämpfen, die zu Race Conditions und Deadlocks führen können. Rusts Design verhindert diese Probleme von vornherein und ermöglicht es Entwicklern, nebenläufige Programme zu schreiben, die sowohl effizient als auch sicher sind. 

Rust wird in der industriellen Automatisierung gerne verwendet, um Software zu entwickeln, die den Anforderungen der IEC 61508 entspricht. Beispielsweise ist Ferrocene ein nach ISO 26262 und IEC 61508 zertifizierter Rust-Compiler. Mit Ferrocene entwickelter Rust-Code kann in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden.  

Es ist also richtig, dass Rust die IEC 61508 nicht direkt unterstützt, aber zur Entwicklung von Software verwendet werden kann, die den Anforderungen des Standards entspricht, indem qualifizierte Compiler und Tools verwendet und bewährte Verfahren für das Schreiben sicherer und zuverlässiger Software befolgt werden. 

Industrielle Automatisierungsprojekte können stark von Rusts Vorteilen profitieren, wie in den folgenden Anwendungsfällen gezeigt:     

Anwendungsfall. Intelligentes Fertigungssystem 

Ein Hersteller integrierte Rust zur Entwicklung eines intelligenten Fertigungssystems im Rahmen eines Projekts zur Modernisierung der Fabrikabläufe. Dieses System koordiniert automatisierte Geräte und Robotik in der Fabrik und gewährleistet durch Rusts Speichersicherheitsfunktionen eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit.

Anwendungsfall. Automatisiertes Qualitätskontrollsystem  

Ein Zulieferer von Automobilteilen verwendete Rust zur Entwicklung eines automatisierten Qualitätskontrollsystems. Dieses System nutzt Bildverarbeitung, um Teile in Echtzeit zu inspizieren, während sie von der Produktionslinie kommen. Rusts Abstraktionen ermöglichen es dem System, große Datenmengen schnell und genau zu verarbeiten, wodurch der Ausschuss reduziert und die Produktqualität verbessert wird.  

Obwohl Rust in verschiedenen Branchen immer mehr an Bedeutung gewinnt, weisen unsere Erfahrungen bereits auf ein Problem hin, das bei der Arbeit mit dieser Sprache auftreten kann. 

Rust hat ein robustes System von Ownership-, Lifetime- und Borrowing-Regeln, die die Grundlage für die Speichersicherheit ohne Garbage Collector bilden. Dies hat die Sprache jedoch auch schwieriger zu erlernen gemacht, insbesondere für diejenigen, die es gewohnt sind, mit C oder C++ zu arbeiten.  

Der Rust-Compiler ist für seine Strenge bekannt und produziert oft eine Flut von Fehlern, die Neueinsteiger abschrecken können. Diese Fehler helfen, Laufzeitabstürze zu verhindern, erfordern aber auch ein tiefes Verständnis der grundlegenden Prinzipien von Rust, um sie zu beheben.   

Ein Drittel der befragten professionellen Softwareentwickler gab an, dass sie innerhalb von zwei Monaten oder weniger ebenso produktiv in Rust wie in anderen Sprachen wurden. 2022 Rust fact vs. fiction: 5 Insights from Google's Rust journey auf opensource.googleblog.com 

Darüber hinaus führt Rusts Ansatz zur Nebenläufigkeit zu Komplexitäten im Ownership- und Typsystem. Neue Entwickler müssen mit der Verwaltung von unveränderlichen und veränderlichen Referenzen umgehen. Dieser Aspekt von Rust kann besonders für Embedded-Entwickler herausfordernd sein, die häufig mit Echtzeitsystemen arbeiten, bei denen das Parallelitätsmodell die Leistung direkt beeinflusst. 

Die Entwicklung von Rust wird weitgehend von der Gemeinschaft vorangetrieben, unterstützt von einer aktiven und wachsenden Basis von Entwicklern, die sich der Verbesserung der Sprache und der Erweiterung ihres Ökosystems verschrieben haben. Diese Gemeinschaft spielt eine entscheidende Rolle bei der Einführung von Rust in eingebettete Systeme und bietet eine Fülle von Ressourcen, Bibliotheken und Werkzeugen, die die Entwicklung erleichtern.  

Viele Rust-Benutzer nennen sich "Rustaceans" und verwenden die Krabbe Ferris the Rustacean als Symbol der Gemeinschaft. Quelle: rustacean.net 

Eine der bedeutendsten Beiträge der Gemeinschaft ist die Schaffung von embedded-hal, einer Hardware-Abstraktionsschicht für eingebettete Systeme, die die Hardware-Spezifika verschiedener Mikrocontroller abstrahiert. Unter anderem ermöglicht dieses Projekt Entwicklern, wiederverwendbaren Code zu schreiben, der auf verschiedenen Plattformen funktioniert, wodurch die Einstiegshürde für neue Rust-Entwickler im eingebetteten Bereich erheblich gesenkt wird.  

Darüber hinaus arbeitet die Rust Embedded Working Group aktiv daran, die Fähigkeiten von Rust für eingebettete Systeme zu verbessern. Sie leiten die Entwicklung neuer Funktionen, verbessern die Werkzeuge und pflegen die Dokumentation, die speziell auf die Bedürfnisse von Embedded-Entwicklern zugeschnitten ist. Ihre Bemühungen stellen sicher, dass Rust an der Spitze der Entwicklung eingebetteter Systeme bleibt und sich kontinuierlich an die sich ändernden Anforderungen der Branche anpasst.  

Da die Industrien zunehmend robuste, sichere und effiziente Technologielösungen verlangen, entwickelt sich Rust zu einem wichtigen Akteur in eingebetteten Systemen.  

Der Wandel hin zu komplexeren elektronischen Systemen und autonomen Technologien im Automobilsektor erfordert Programmlösungen, die Sicherheit und Echtzeitleistung bieten. Rusts kostenfreie Abstraktionen und garantierte Speichersicherheit machen es zur perfekten Wahl für die Entwicklung von Automobilsoftware, die alles von Infotainmentsystemen bis hin zu kritischen Fahrfunktionen steuert.  

Die Verbindung von Rust zu ISO 26262 ist entscheidend für seinen Einsatz in der Automobilsoftware. Diese Sprache bietet wesentliche Sicherheitsfunktionen, es fehlt jedoch ein konformes Toolkit. Da Werkzeuge für Sicherheit zertifiziert werden, wird erwartet, dass die Einführung von Rust in sicherheitskritischen Automobilsystemen zunimmt, abhängig von ISO-konformen Toolchains und zertifizierten Prozessen. 

Schema: ISO 26262 bewertet die elektrische Sicherheit von Fahrzeugen mit Automotive Safety Integrity Levels (ASIL)

Da Fahrzeugsysteme zunehmend miteinander verbunden und von Software abhängig werden, wird Rusts Fähigkeit, Datenrennen zu verhindern und Thread-Sicherheit ohne Laufzeit-Overhead zu gewährleisten, immer wertvoller.  

Ebenso sind in der industriellen Automatisierung Zuverlässigkeit und Betriebszeit von größter Bedeutung. Systeme, die Fertigungsprozesse, Robotik und andere industrielle Ausrüstungen steuern, erfordern ein hohes Maß an Präzision und fehlerfreiem Betrieb. Rusts striktes Typsystem und das Ownership-Modell reduzieren das Risiko von Fehlern, die zu Systemausfällen oder unsicheren Bedingungen führen können. Darüber hinaus ist Rusts Effizienz im Umgang mit niedrigstufigen Systeminteraktionen gut geeignet für Echtzeitanwendungen in der Industrie, bei denen Leistung ebenfalls entscheidend ist.  

Der Trend zur Integration von IoT profitiert ebenfalls von Rusts Fähigkeiten. Seine Sicherheitsfunktionen sind entscheidend für Geräte, die vor Cyber-Bedrohungen geschützt werden müssen und gleichzeitig einen kontinuierlichen Betrieb aufrechterhalten müssen.  

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Dank seiner Sicherheitsfunktionen, seiner Leistung und seiner Speicherverwaltung hat Rust viele Vorteile in der Entwicklung von Automobilsoftware und der industriellen Automatisierung gezeigt.

Die Sprache bietet eine überzeugende Alternative zu traditionellen Programmiersprachen wie C und C++, insbesondere in Umgebungen, in denen Sicherheit und Effizienz von größter Bedeutung sind. Seine Fähigkeit, sich in bestehende Systeme zu integrieren und Echtzeitanwendungen zu unterstützen, positioniert die Rust-Programmierung als zukunftssichere Lösung für komplexe elektronische Systeme und autonome Technologien. 

Für unsere Kunden, die Rusts Fähigkeiten in ihren Projekten nutzen möchten, ist Promwad bereit, fachkundige Beratung und Entwicklungsdienstleistungen anzubieten. Ob bei der Umstellung von anderen Programmiersprachen oder bei der Einführung eines neuen Projekts, unsere Erfahrung mit dem Einsatz von Rust in verschiedenen industriellen Anwendungen stellt sicher, dass wir Ihnen helfen können, Ihre Ziele zu erreichen.  

Kontaktieren Sie uns noch heute, um zu erfahren, wie Rust Ihre Entwicklungsprozesse transformieren und Ihre Systeme für die Zukunft rüsten kann!