\section{Friend Finder}

Die eingangs beschriebene Software hat den Namen \textit{Friend Finder} und wurde im Rahmen dieser Arbeit mit fast allen
aufgezählten Funktionen realisiert. Das fotographieren des Barcodes, der Gruppenchat sowie das Setzen von Marken auf der Kartesind
in der Implementation nicht enthalten. Im folgenden wird auf die Verwendeten Verfahren sowie Bibliotheken, die zur Realisierung
notwendig waren, eingegangen.

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\subsection{Verwendete Verfahren und Bibliotheken}

\textit{Friend Finder} wurde so konzipiert, dass die Graphische Darstellung ohne großen Aufwand vom den restlichen
Teilen der Software abgekoppelt und durch eine andere, darstellende Bibliothek ersetzt werden kann. Somit
könnte man \textit{Enlightenment} durch eine andere Art der Darstellung austauschen, ohne dabei die Funktionalität der
zugrunde liegenden Komponenten zu zerstören. \newline
Da das Ver- und Entschlüsseln der Daten möglichst wenig Rechenaufwand erzeugen und der Schlüsselaustausch nicht zu
kompliziert sein soll, nutzt das Programm ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren. \newline
\textit{Abbildung 3} zeigt den Kommunikationsaustausch von \textit{Friend Finder}. Der \textit{Message Sender} ist für das
Versenden und Empfangen der Textnachrichten zuständig, \textit{Sender} sendet die eigene Position, \textit{Receiver} empfängt
die Positionen der anderen Nutzer und sendet Acknowledgements an die teilnehmenden \textit{Sender}. Alle drei Teile geben ihre
empfangenen Daten an die \textit{GUI} weiter, welche sie mit Hilfe von \textit{Enlightenment} ausgibt.

\begin{figure}[!ht]
\centering
 \includegraphics[width=10cm]{Bilder/ablauf}
 \caption{\textit{Friend Finder} Nachrichtenaustausch}
\end{figure}

\subsubsection{Grafisches Benutzeroberfläche}

Zum Erstellen der Oberfläche wurde \textit{Enlightenment} verwendet. Diese Bibliothek stellt alle benötigten Funktionen bereit und
bietet eine Fülle an vordefinierten Bedienelement. Der gesammte Programmcode der Benutzeroberfläche wurde in einer Datei
zusammengefast (\textit{gui.c}). Diese Tatsache vereinfacht das Erhalten der Modularität, da einfach nur diese Datei
durch eine andere ersetzt werden muss um einen anderen Typ von Oberfläche zu benutzen. \newline
In der der Datei \textit{gui.c} sind alle Funktionen enthalten um die Oberflächenelement zu erzeugen und zu platzieren. Um die
gewünschte Funktionalität der einzelnen Elemente zu realisieren wurden auch die Aufrufe der benötigten Funktionen aus anderen
Modulen in dieser Datei implementiert. \newline
Wie schon erwähnt, wurde die Graphische Nutzeroberfläche mit Hilfe von Bibliotheken aus dem \textit{Elementary}-Paket
realisiert. Zur Darstellung der Karte wurden Daten des offenen Kartenprojekts \textit{OpenStreetMap} \citep{OSM} genutzt.

\subsubsection{Versenden der Nachrichten}

Um Daten im Allgemeinen zu versenden wurde das \textit{IRC}-Protokoll verwendet. Die
Vorteile dieses Protokolles liegen in seiner weiten Verbreitung, einer ausgedehnten Serverstruktur, sowie in dessen
Stabilität. Ein weiterer Vorteil ist, dass man Daten die an mehrere Benutzer gesendet werden nur einmal an einen
\textit{Channel} senden muss und jeder Benutzer in diesem \textit{Channel} diese Daten empfangen kann.\newline

In der Datei \textit{msg\_sender.c} sind alle Funktionen und Aufrufe implementiert, welche nötig sind um die Verbindung zum 
\textit{IRC-Server} zu erstellen und die Nachrichten zu verschicken. Um eine Verbindung zu einem gegebenen \textit{IRC-Server} zu
erstellen muss eine \textit{IRC-Session} initialisiert werden. Diese \textit{Session} beinhaltet Informationen wie zum Beispiel
den \textit{Nickname} des Benutzers oder die \textit{IP-Adresse} des Servers. Nachdem diese \textit{Session} gestartet wurde,
kann man nun durch das Aufrufen der Funktion ``\textit{set\_txt\_msg(char* msg)}'' die Nachricht versenden. Wird eine Nachricht
empfangen so wird diese an die Funktion ``\textit{show\_message(char* msg)}`` , welche zur Benutzeroberfläche gehört, übergeben.
Bei der Implementerierung des Nachrichtenversandes ist eine Besonderheit zu erwähnen. Das genutzte Verschlüsselungsverfahren
\textit{Blowfish} wurde seitens der \textit{OpenSSL}\citep{OpenSSL} Bibliothek als \textit{Blockcipher} implementiert. Das
bedeutet, das immer nur maximal 64 Bit Nachrichten verschlüsselt werden können. Da in der Programmiersprache \textit{C} dies genau
acht ASCII-Zeichen entspricht, werden alle zu sendenden Nachrichten in Blöcke der Größe acht aufgeteilt, versandt und beim
Empfänger wieder zusammengesetzt. \newline
Ein weiterer wichtiger Unterschied zu den Modulen Senden und Empfangen von \textit{GPS}-Positionen ist die Tatsache, dass bei
diesem Programmteil Sender und Empfänger in der gleichen Datei implementiert wurden. Der Grund hierfür ist, dass man hier nicht
zwischen mehreren Sendern oder Empfängern unterscheiden muss, und diese zwei Teile hier somit nicht komplett getrennt voneinander
arbeiten müssen. In der folgenden Abbildung ist eine Konversation über \textit{Friend Finder} zu sehen.\newline

\begin{figure}[!ht]
\centering
 \includegraphics[width=8cm]{Bilder/chat}
 \caption{Versenden von Chatnachrichten}
\end{figure}

Um Nachrichten zu versenden wurde für dieses Projekt die \textit{IRC-Client Bibliothek}\citep{libircclient} verwendet. Diese
\textit{library} bietet verschiedene Funktionen um eine Verbindung mit einem \textit{IRC-Server} zu erstellen und Nachrichten an
diesen zu senden, sowie eingehende Nachrichten zu empfangen.\newline
Zur Ver- und Entschlüsselung der gesendeten Nachrichten, sowie der Positionsdaten wird die Bibliothek
des \textit{OpenSSL-Projekts}\citep{OpenSSL}, namens \textit{libcrypto}, verwendet. Hierzu werden die Daten mit dem
\textit{Blowfish-Algorithmus} verschlüsselt. Bei diesem Algorithmus handelt es sich um ein symmetrisches
Verfahren, bei welchem alle Teilnehmer den gleichen privaten Schlüssel zum ver- sowie entschlüsseln nutzen.

\subsubsection{Versenden der eigenen Position}

Der benötigte Programmcode zum Versenden der eigenen Position ist in der Datei \textit{sender.c} zu finden. Auch hier muss zuerst
eine \textit{IRC-Session} initialisiert werden um danach die Position zu versenden. Der Ablauf beim Senden der Positionen erfolgt
in einer vorgegebenen Reihenfolge. Zuerst wird der verschlüsselte Längengrad, danach der verschlüsselte Breitengrade gesendet.
Allerdings muss auch hier, wie beim Versenden der Textnachrichten, darauf geachtet werden dass maximal eine Zeichenkette der
Länge 8 Byte verschlüsselt wird. Somit ist es auch hier nötig Längen- und Breitengrad in zwei Teile aufzuteilen und getrennt zu
versenden. Somit werden für das Versenden einer Position insgesamt acht Nachrichten an den \textit{IRC}-Server übermittelt.
Wurden diese vier Nachrichten übermittelt, so werden solange keine Daten mehr gesendet, bis der Empfänger eine
Bestätigung an den \textit{IRC-Kanal} sendet. Diese Bestätigung ist wird unverschlüsselt versandt. Kommt dieses
\textit{Acknowledgement} beim Sender an, so versendet dieser wieder ein \textit{Latitude/Longtitude} Paar.\newline

Auch hier wird, wie beim Versenden der Nachrichten zum Verschlüsseln der \textit{Blowfish-Algorithmus} aus
\textit{libcrypto}, sowie \textit{libircclient} zum versenden der Daten genutzt.

\subsubsection{Empfangen der eigenen Position}

Das Verhalten des Empfängers beim Erhalten einer Nachricht ist etwas komplizierter. Im ersten Schritt muss auch hier eine
\textit{IRC-Session} initialisiert werden. Da mehrere Benutzer Positionsdaten senden können legt der Empfänger für jeden Sender
einen Datensatz an. Dieser wird nach und nach mit den Positionsdaten gefüllt und die benötigten Daten weitergegeben, sobald alle
vorhanden sind. Da der Sender seine Daten, aufgrund der Restrektion der Länge der zu verschlüsselnden Zeichenkette, gestückelt
sendet ist es von Nöten das der Empfänger die Daten dem jeweiligen Absender zuordnen kann und diese auch wieder korrekt
zusammensetzt. Dies geschieht mit Hilfe von Terminierungszeichen am Ende eines jeden Positionsbruchstückes. Dieses Zeichen wurde
vom Sender angehängt und der Empfänger kann mit dieser Hilfe erkennen wie die gesendeten Daten zugeordnet werden müssen. Wenn dies
geschehen ist und sowohl \textit{Latitude} als auch \textit{Longtitude} Informationen vorhanden sind, werden diese Position an das
Frontend weitergegeben. \newline

Zur Realisierung des Empfängers werden die gleichen Bibliotheken wie beim Sender genutzt. Auch hier wird zur Entschlüsselung der 
\textit{Blowfish-Algorithmus} von \textit{libcrypto} genutzt.

\subsubsection{Erzeugen eines 2D-Barcodes}

Die Datei \textit{barcode.c} beinhaltet die Funktionen zum Erstellen eines 2D-Barcodes. Hierzu wird die Funktion
``\textit{generate\_barcode(char* key)}'', mit einer Zeichenkette als Übergabeparameter, aufgerufen. Aus dieser Zeichenkette wird
dann ein Barcode erstellt, welcher im darauf folgenden Schritt als \textit{.png} Datei auf das Speichermedium geschrieben wird.
Zum erstellen des Barcodes wurde die offene Bibliothek \textit{qrencode} \citep{qrencode} genutzt. Diese erstellt aus einer
Zeichenkette einen 2D-Barcode. Aus den Bilddaten dieses Barcodes wurde mit \textit{libpng} \citep{PNG} eine \textit{.png} Datei
erstellt. Die untere Abbildung zeigt einen solchen erstellten Barcode, wie er von \textit{Friend Finder} ausgegeben wird.

\begin{figure}[!ht]
\centering
 \includegraphics[width=8cm]{Bilder/barcode}
 \caption{2D-Barcode mit \textit{Friend Finder}}
\end{figure}


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\subsection{Analyse}

Das Ziel war es mit \textit{Friend Finder} Daten verschlüsselt zu übertragen. Es soll dabei ein möglichst geringer
Berechnungsaufwand entstehen um die Daten zu verschlüsseln, sowie möglichst wenig Datenoverhead produziert und versendet werden.
Unter Datenoverhead werden die Hintergrunddaten gesehen, welche versendet werden um zum Beispiel die Verbindung
zwischen Client und Server aufrecht zu erhalten oder um zu kontrollieren ob Server oder Client noch verfügbar sind. Diese Daten
 sind von Interesse da mit vielen versendeten Daten ein höherer Anspruch des Rechenkerns einhergeht, was wiederrum in einem
höheren Stromverbrauch resultiert.\newline

Im folgenden Teil wird der erzeugte Datenverkehr von \textit{Friend Finder} analysiert. Ein Hauptaugenmerkt wird hierbei vor allem
auf die Packetgröße, sowie die Menge der versendeten Datenpakete geworfen. Der \textit{Traffic} wurde mit Hilfe des Programmes
\textit{Wireshark} \citep{Wireshark} untersucht.Wie bereits erwähnt wird zum Versenden der Nachrichten das \textit{IRC-Protokoll}
verwendet. In dieser Testumgebung wurde die Software \textit{IRCD-Hybrid} \citep{IRCD} genutzt. Der Server lief auf dem gleichen
Computer wie der Client und der Client hat sich über das \textit{localhost} Interface mit dem Server verbunden. \newline 

Die Analyse ist in drei Teile aufgeteilt. Als erstes wird auf den allgemein entstehenden Datenverkehr eingegangen, welcher
bei Verbindungsaufbau, sowie bei Beenden der Verbindung entsteht. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Versenden sowie
Empfangen von Nachrichten. Im letzten Teil dieser Analyse wird auch das dritte Feature, dass Versenden und Empfangen von
Positionen, unter die Lupe genommen.

\subsubsection{Allgemeiner Datenverkehr}

Bei Messung des allgemeinen Datenaufkommens mit eine normalen \textit{IRC-Clients}, hier \textit{X-Chat} \citep{xchat}, ergeben
sich folgender Datenverkehr. \newline
Beim Verbindungsaufbau sendet der \textit{IRC}-Server zuerst ein Paket mit Informationen wie Limit der \textit{Channels}
oder Anzahl der aktiven Benutzer. Dieses Paket hatte in der Versuchsumgebung eine Größe von 1090 Bytes. Hiervon müssen noch 20
Bytes \textit{IP-} und 32 Byte \textit{TCP-Header} abgezogen werden. Somit sind die hat das Datenfeld eine Größe von 1038 Bytes.
Bei im folgenden genannten Paketgrößen sind diese 52 Byte schon abgezogen. \newline 
Wenn im nächsten Schritt der Benutzer nun eine \textit{Channel} beitritt so sendet dieser drei Pakete an den Server. Diese
beinhalten den Namen des \textit{Channels} dem beigetreten werden soll, eine Anfrage der aktiven Nutzer in diesem \textit{Channel}
sowie welche Rechter der beitretende Nutzer in diesem \textit{Channel} inne hat. Diese drei Pakete haben alle die Größe von 26
Byte. Ist die Verbindung zwischen Client und Server aufgebaut so sendet der Client alle 30 Sekunden ein \textit{Ping} Paket an den
Server, welches dieser mit einem \textit{Pong} beantwortet. Diese Pakete haben eine Größe von 40 Byte für die \textit{Ping}
Nachricht und 58 Byte für die beantwortende \textit{Pong} Nachricht. Alle 60 Sekunden versendet der Client eine Anfrage, welche
Teilnehmer sich im \textit{Channel} befinden. Diese Nachricht von Client zu Server ist 25 Byte groß. Die Antwort hierzu ist
abhängig von der Anzahl der Benutzer. Ist nur ein Benutzer im \textit{Channel} so ist sie 151 Bytes groß, bei zwei ist sie schon
233 Byte groß. Wird eine Verbindung beendet, so schickt der Client noch eine \textit{Quit} Nachricht an den Server. \newline

Im Gegensatz zu diesem hohen Hintergrundverkehr benötigt \textit{Friend Finder} nur einen \textit{TCP-Handshake} um die
Verbindung aufzubauen. Ist die Verbindung etabliert fallen keine weiteren Hintergrunddaten an. Der Nachteil hiervon ist, dass der
Client nur bei einem auftretenden Fehler beim versenden der Daten bemerkt das er nicht mehr verbunden ist. Allerdings wird
hiermit auch Berechnungszeit und somit Akku gespart, da diese \textit{Keep-Alive} Nachrichten, sowie die zusätzliche
Informationen über den Server im Rahmen von \textit{Friend Finder} nicht benötigt werden, da die Positionsdaten mehrmals pro
Minute übermittelt werden und somit immer Datenverkehr zwischen Sender und \textit{IRC}-Server vorhanden ist. \newline

\subsubsection{Versenden und Empfangen von Nachrichten}

Um das Versenden von Nachrichten zu evaluieren wurde ``Hello World`` als Testnachricht benutzt. Der \textit{Blockcipher} von
\textit{Friend Finder} teilt den Satz "Hello World" in zwei Teile auf: ''Hello `` und ''World``. Diese werden dann von
\textit{TCP} aufgrund der Fenstergröße in ein Paket gepackt. Das gesamte Paket hat die größe von 147 Bytes, wobei \textit{TCP-}
und \textit{IP-Header} abgezogen werden müssen. Somit haben die Daten eine Größe von insgesamt 81 Bytes.\newline
Beachtet man dass ein \textit{char} in \textit{C} die Größe von einem Byte hat und der Beispielsatz aus elf Zeichen besteht, so
ist dieser unverschlüsselt 11 Byte groß. Nach der Verschlüsselung werden beim Senden noch Informationen wie der
\textit{Channel} und der Empfänger der Nachricht in das zu versendende \textit{IRC}-Paket geschrieben. Somit vergrößert
sich eine Textnachricht circa um den Faktor 7,4, wenn sie verschlüsselt ist und alle Zusatzinformationen hineingepakt
wurden. \newline
Wenn $h$ die Größe des \textit{TCP-Headers} und $t$ die Anzahl der Zeichen der unverschlüsselten Nachricht ist, so ergibt sie die
ungefähre Größe der zu versendenden Nachricht aus: $h + (t \cdot 7,4)$.

\subsubsection{Versenden und Empfangen von Positionen}

Wie schon erwähnt, werden die Positionsdaten beim Sender aufgeteilt und mit vier unterschiedlichen Nachrichten versandt. Wie
beim Versenden der Textnachrichten werden diese vier Nachrichten auch hier in ein Paket gepakt. Dieses hat die Gesamtgröße
von 235 Byte. Abzüglich der \textit{TCP-} und \textit{IP-Header} ergibt sich hier eine Datengröße von 169 Byte. Die Anzahl
der unverschlüsselten Zeichen, die zu senden sind, beträgt 21 Zeichen. Diese sind jeweils 1 Byte groß, womit sie in der Summe
also 21 Byte Größe haben. Durch die Verschlüsselung sowie die benötigten Zusatzinformationen, wie \textit{Channel} für
den die Nachricht bestimmt ist, vergrößert sich das Datenvolumen also um circa den Faktor acht. Wenn $h$ die Größe des
\textit{TCP-Headers} und $t$ die Anzahl der Zeichen der unverschlüsselten Nachricht. Somit ergibt sich die Größe der versendeten
Nachricht circa durch $h + (t \cdot 8)$. Hinzu kommt noch, das für jedes empfangene Positions-Fragmeint ein Acknowledgement
gesendet wird. Somit sind nach Empfangen aller vier Positionsteile vier Acknowledgements der Größe von 124 Bytes insgesamt und 58
Bytes an Daten ohne Header gesendet worden.\newline
Somit kann aus Folgende Formel für den Datenverkehr über die Zeit hergeleitet werden: $((h + (t \cdot 8)) + (4 \cdot a)) \cdot n$,
wobei $a$ die Größe eines Acknowledgement-Paketes ist und $n$ die Anzahl der versandten Pakete repräsentiert. 

\subsubsection{Fazit der Auswertung}

Im Bereich des Allgemeinen Datenverkehrs fällt kein Overhead durch \textit{Friend Finder} an. Hier werden nur dann Daten
versandt, wenn dies auch vom Nutzer so gewollt sind und auch gebraucht werden. Dies hat den Vorteil, dass der Anwender die totale
Kontrolle über die Daten, die er sendet, hat. Allerdings kann so auch erst beim Versenden von Daten festgestellt werden, ob die
Verbindung unterbrochen wurde, da im Hintergrund die Verbindung nicht ständig überprüft wird. Aufgrund der Tatsache, dass
Positionsdaten mehrmals pro Minute versandt werden, ist dies aber auch nicht wirklich nötig da durch das Versenden oder
nicht Versenden dieser Daten auch ein Verbindungsproblem festgestellt werden könnte\newline
Ein weiterer Vorteil von \textit{Friend Finder} ist das Verschicken von Daten an mehrere Benutzer. Hier muss der
Client sein Paket nur einmal versenden und alle teilnehmenden Nutzer in einem Channel können diese Nachricht einsehen, sofern dies
gewollt ist. Würde man hier eine Verbindung pro Teilnehmer nutzen, so müsste man für $n$ Teilnehmer $n$ Verbindungen öffnen und
auch $n$ Mal die Daten versenden. Dies würde ein nicht unerheblicher Berechnungsaufwand sowie Datenverkehr darstellen. Im
Empfangen der Daten ergibt zwischen der Lösung durch \textit{Friend Finder} oder einer Verbindung pro Teilnehmer keinen
Unterschied, da bei beiden Modellen diese Daten nur einmal empfangen werden.\newline
In der folgenden Abbildung ist an der X-Achse die Anzahl der Teilnehmer und an der Y-Achse die Anzahl der zu versendenden
Dateneineheiten abgetragen. Hier ist deutlich zu sehen, dass bei steigender Teilnehmer Anzahl eine Lösung mit einer offenen
Verbindung pro Benutzer soviel Datenpakete wie Nutzer versenden muss. Bei der Lösung mit einem zentralen \textit{Channel} müssen
die Daten immer nur einmal versandt werden, unabhängig von der Nutzeranzahl.

\begin{figure}[!ht]
\centering
 \includegraphics[width=10cm]{Bilder/verbindungen}
 \caption{Vergleich von n-Verbindungen und \textit{Friend Finder}}
\end{figure}