\section{Friend Finder}

Die beschriebene Software trägt den Namen \textit{Friend Finder} und wurde im Rahmen dieser Arbeit realisiert. Im Folgenden wird
auf die verwendeten Verfahren sowie Bibliotheken, die zur Realisierung notwendig waren, eingegangen und die Programmstruktur
aufgezeigt.

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\subsection{Verwendete Verfahren und Bibliotheken}

Der \textit{Friend Finder} wurde so konzipiert, dass die graphische Darstellung ohne großen Aufwand von den restlichen
Teilen der Software abgekoppelt und durch eine andere Art der Darstellung ersetzt werden kann.\newline
Neben dem \textit{Graphical User Interface (GUI)} besteht die Software aus drei unterschiedlichen Modulen. 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.
Abbildung \ref{ablauf} zeigt den Kommunikationsaustausch von \textit{Friend Finder}. In dieser Graphik sind die Module zweier
Instanzen von \textit{Friend Finder} abgebildet. Es ist ersichtlicht, dass die Kommunikation für Positionsdaten zwischen
\textit{Sender} und \textit{Empfänger} stattfindet. Textnachrichten werden zwischen den \textit{Message Sendern} ausgetauscht.
Des Weiteren geben \textit{Sender}, \textit{Empfänger} und \textit{Message Sender} die entschlüsselten Daten an die \textit{GUI}
weiter.

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

\subsubsection{Graphische Benutzeroberfläche}

Um die Modularität zu wahren wird der gesammte Programmcode der Benutzeroberfläche in einer Datei zusammengefast. In dieser Datei
sind alle Funktionen enthalten um die Oberflächenelement 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
Zur Darstellung der Karte wurden Daten des offenen Kartenprojekts \textit{OpenStreetMap}\footnote{OpenStreetMap
http://www.openstreetmap.de/ [Online; letzter Aufruf 13.02.2010]} genutzt.

\subsubsection{Versenden der Nachrichten}

Der \textit{Message Sender} kümmert sich um das Versenden von Nachrichten. Um das Versenden und Empfangen der Daten zu
implementieren wurde \textit{libircclient}\footnote{libircclient http://libircclient.sourceforge.net/ [Online; letzter Aufruf
25.01.2010]} genutzt. Im ersten
Schritt baut dieser eine Verbindung zum \textit{IRC}-Server auf. Um eine Verbindung mit einem \textit{IRC-Server} zu etablieren,
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,
können nun Nachrichten versandt werden. Textnachrichten müssen vor dem Versenden in Blöcke aufgeteilt werden, da das genutze
Verschlüsselungsverfahren \textit{Blowfish} \citep{blowfish} maximal 64 Bit lange Zeichenkette verschlüsselt. Das verwendete
Verfahren stammt aus der \textit{OpenSSL}\footnote{OpenSSL http://www.openssl.org/ [Online; letzter Aufruf 25.01.2010]}
Bibliothek. Diese Implementierung wurde aufgrund der schnellen Verschlüsselungsrate sowie einfachen
Implementierungsmöglichkeiten gewählt. Da das \textit{IRC}-Protokoll nicht alle Zeichen darstellen kann oder bestimmte Zeichen als
Präfixe vor einem Kommando genutzt werden, werden alle versendeten Daten des Programmes in die \textit{Base64}\citep{Base64}
Darstellung umgewandelt.\newline
Wird nun von einer anderen Instanz des \textit{Message Senders} eine Nachricht empfangen, so setzt er die Teilstücke zusammen.
Dies geschieht solange, bis ein vom Nachrichtentext getrennt gesendetes Terminierungszeichen empfangen wird. Wurde dieses Zeichen
empfangen, so gilt die Textnachricht als wiederhergestellt und wird an die Benutzeroberfläche weitergereicht. \newline
In Abbildung \ref{chat} ist die graphische Darstellung eines Nachrichtenaustausches abgebildet.

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

\subsubsection{Versenden der eigenen Position}

Der \textit{Sender} ist zuständig für das Versenden der Positionsdaten. Auch hier muss vor dem Versenden von Daten eine
\textit{IRC-Session} initialisiert werden. 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 64 Bit verschlüsselt wird. Somit ist es auch hier nötig Längen- und Breitengrad in zwei Teile aufzuteilen und getrennt
zu versenden. An jedes Ende, dieser insgesamt vier Fragmente, wird ein zusätzlicher, jeweils unterschiedlicher Suffix angehängt.
Durch diese Suffixe, können die Positionsfragmente später eindeutig zugeordnet werden. Somit werden für das
Versenden von einer Position insgesamt vier Nachrichten an den \textit{IRC}-Server übermittelt.
Wurden diese vier Nachrichten übermittelt, so werden solange keine Daten mehr gesendet, bis der \textit{Empfänger} eine
Bestätigung für jedes Fragment an den \textit{IRC-Channel} sendet. Kommt diese Bestätigung beim \textit{Sender} an, so versendet
dieser wieder ein \textit{Latitude/Longtitude} Paar. Sollten diese \textit{Acknowledgements} ausbleiben, so wartet der Sender eine
längere Zeit und versendet die Daten erneut. Somit werden Daten in längeren Abständen vesandt, wenn kein \textit{Empfänger} aktiv
sein sollte. Tritt nun wieder ein \textit{Empfänger} dem \textit{Channel} bei und sendet \textit{Acknowledgements}, so erhöht der
Sender daraufhin wieder die Senderate. Diese Vorgehensweise tritt auch in Kraft, falls eine Bestätigung, aufgrund von
Übertragungsfehlern nur unvollständig ankommt. Sollte die Verbindung zum \textit{IRC}-Server
unterbrochen werden, so versucht sich der \textit{Sender} in regelmäßigen Zeitabständen neu zu verbinden. Abbildung \ref{protocol}
zeigt, das Versenden von Positionsdaten des \textit{Senders} über einen \textit{IRC-Channel} an den \textit{Empfänger}. Dieser
schickt im Anschluss auf gleichem Weg \textit{Acknowledgements} an den \textit{Sender}.

\begin{figure}[!ht]
\centering 
 \includegraphics[width=10cm]{Bilder/protocol}
 \caption{Versenden von Chatnachrichten}
 \label{protocol}
\end{figure}

\subsubsection{Empfangen von Positionen}

Auch beim \textit{Empfänger} muss im ersten Schritt eine \textit{IRC-Session} initialisiert werden. Da mehrere
Benutzer Positionsdaten senden können legt der \textit{Empfänger} für jeden \textit{Sender} einen Datensatz an. Wird nun ein
Fragment der Positionsdaten empfangen, so kann der \textit{Empfänger }dies anhanden des Buchstabensuffix zuordnen. Sind alle
Fragmente einer Position empfangen worden, so werden die benötigten Daten zur Visuallisierung weitergereicht und ein
\textit{Acknowledgement} gesendet. Dieses \textit{Acknowledgement} beinhaltet, in verschlüsselter Form, den Namen des
\textit{Senders} der Nachricht. Somit kann der \textit{Sender} die für ihn bestimmten \textit{Acknowledgements} zuordnen. Sollte
der \textit{Sender} das Senden von Nachrichten einstellen, so wartet der \textit{Empfänger} bis ein neuer \textit{Sender}
verfügbar ist. Sollte der Fall eintreten, dass die Positionsfragmente nicht in der vorgesehenen Reihenfolge ankommen, so stellt
dies für den \textit{Empfänger} kein Problem dar. Auffgrund des Suffixes, wird das Fragment gespeichert und zu einem Längen- oder
Breitengrad vervollständigt, sobald der fehlende Teil vorhanden ist. Sollte ein Fragment nicht ankommen, so werden alle alten,
bis dahin vorhandenen Fragmente verworfen. Dies geschieht, sobald der \textit{Empfänger} registriert, dass ein Positionsfragment
der gleichen Art schon vorhanden ist. Sollte ein Positionsfragment unvollständig ankommen, so wird es verworfen. Wird die
Verbindung zum Server unterbrochen, so versucht der \textit{Empfänger} sich neu zu verbinden. Abbildung \ref{position} zeigt die
Darstellung einer Position eines anderen Benutzers.

\begin{figure}[!ht]
\centering
 \includegraphics[width=8cm]{Bilder/position}
 \caption{Ausgabe einer Benutzerposition}
 \label{position}
\end{figure}

\subsubsection{Erzeugen eines 2D-Barcodes}

Um einen 2D-Barcode zu erstellen wird eine Zeichenkette benötigt. Aus dieser werden durch die Nutzung von \textit{qrencode}
\footnote{libqrencode http://megaui.net/fukuchi/works/qrencode/index.en.html\newline[Online; letzter Aufruf 11.02.2010]}
Bilddaten generiert. Diese werden im nächsten Schritt durch \textit{libpng}\footnote{libpng http://www.libpng.org/ [Online;
letzter Aufruf 11.02.210]} gerendert und auf das Speichermedium geschrieben. Dieses Bild wird dann durch die \textit{GUI}
geladen und ausgegeben. Die Abbildung \ref{barcode} zeigt einen solchen erstellten Barcode, wie er von \textit{Friend Finder}
ausgegeben wird. \newline
Möchten Benutzer Schlüssel austauschen, so kann ein Barcode aus einer Zeichenkette erstellt werden. Die
zugrunde liegende Zeichenkette kann zum Beispiel ein zuvor erstellter und auf dem Medium gespeicherter 1024 Bit Schlüssel, eine in
\textit{Friend Finder} eingegebene Zeichenkette oder ein Schlüssel der mit der für eine Sitzung erstellt wurde,
sein. Aus dieser kann nun ein Barcode erstellt werden und andere Teilnehmer können diesen ihrerseits fotographieren, in die
ursprüngliche Zeichenkette umwandeln und als Schlüssel nutzen. Der Vorteil der durch die Wahl dieser Methode ensteht, ist dass
Schlüssel ausgetauscht werden können, wenn Nutzer sich durch Zufall treffen oder den Dienst spontan nutzen wollen, ohne dabei
schon im Vorraus Schlüssel erstellen zu müssen.

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


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\subsection{Analyse}

Beim Versenden der Daten durch \textit{Friend Finder} soll möglichst wenig \textit{Datenoverhead} produziert und
versendet werden. Unter \textit{Datenoverhead} versteht man Hintergrunddaten, welche versendet werden um die Verbindung
aufrecht zu erhalten oder um die Anzahl der verfügbaren Teilnehmer zu überprüfen. Diese Daten besitzen allerdings keinen
Informationsgehalt für den Anwender.\newline
Im folgenden Teil wird der erzeugte Datenverkehr von \textit{Friend Finder} analysiert. Der Hauptaugenmerk wird hierbei
auf die Paketgröße, sowie die Menge der versendeten Datenpakete geworfen. Ein interessanter Punkt stellt die Frage dar, wie sich
das versendete Datenaufkommen im Vergleich zu einer Lösung verhält, welche die Daten an jeden Teilnehmer einzeln verschickt.
Hier ist besonders von Interesse, ob der \textit{Datenoverhead} den Vorteil eines \textit{Broadcast}-Mediums wie ein
\textit{IRC}-Channel revidiert oder nicht. \newline
Der \textit{Traffic} wurde mit Hilfe des Programmes \textit{Wireshark}\footnote {Wireshark http://www.wireshark.org/
[Online; letzter Aufruf 27.01.2010]} untersucht. Wie bereits erwähnt, wird zum Versenden der Nachrichten das
\textit{IRC}-Protokoll verwendet. In dieser Testumgebung wurde die Software \textit{IRCD-Hybrid}\footnote{IRCD
http://www.ircd-hybrid.org/ [Online; letzter Aufruf 27.01.2010]} genutzt, welche auf dem gleichen Computer wie der
Client lief. Der Client hat sich in diesem Szenario 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 und
Empfangen von Nachrichten. Im letzten Teil dieser Analyse wird der Datenverkehr beim Versenden und Empfangen von Positionen
genauer betrachtet. Alle folgenden Größen beziehen sich nur auf die Größe des Datenfeldes, exklusive der Header.

\subsubsection{Allgemeiner Datenverkehr}

Der Allgemeine Hintergrundverkehr bei \textit{Friend Finder} besteht zum Einen aus \textit{Keep-Alive} Nachrichten, sowie der
Anfrage des Clients nach aktiven Nutzern in den \textit{Channels} in denen er selbst aktiv ist. Die \textit{Keep-Alive}
Nachrichten werden alle 30 Sekunden zwischen Server und Client ausgetauscht. Die Größe einer solchen Nachricht von Client zu
Server beträgt 24 Byte. Das Antwortpaket, welches vom Server an den Client gesendet wird, hat eine Größe von 44
Byte. \newline
Anfragen nach den anderen Benutzern innerhalb eines \textit{Channel} werden alle 60 Sekunden versandt. Die Größe der Pakete welche
von Client zu Server versandt werden, betragen hierbei 10 Bytes. Die Größe der Antwort des Servers hängt von der Anzahl der
aktiven Benutzer innerhalb eines Channels ab. Für zwei Benutzer ergibt sich ein Datenvolumen von 193 Byte, wobei diese
Größe auch abhängig von der Länge der Benutzernamen sowie des Namens des \textit{Channels} und Servers ist.

\subsubsection{Versenden und Empfangen von Nachrichten}

Um das Versenden von Textnachrichten zu evaluieren wurde "`Hello World"' als Testnachricht benutzt. Der in \textit{Friend
Finder} genutzte \textit{Blockcipher} teilt den Satz "`Hello World"' in zwei Teile auf: "`Hello "' und "`World"'. Das
resultierende Paket hat eine Größe von 99 Byte.\newline
Die versendete Textnachricht plus Terminierungszeichen hat im unverschlüsselten Format die Größe von 24 Byte. Nach der
Verschlüsselung werden beim Senden
noch Informationen bezüglich \textit{Channel} und der Empfänger der Nachricht in das zu versendende \textit{IRC}-Paket
geschrieben. Nach der verschlüsselung, \textit{Base64}-Kodierung sowie hinzufügen von Zusatzinformationen hat die Größe der
Nachricht circa um den Faktor vier zugenommen.\newline 
Wenn $h$ die Größe des \textit{TCP-Headers} und $t$ die Anzahl der Zeichen einer unverschlüsselten Nachricht repräsentiert, so
ergibt sich die ungefähre Größe der zu versendenden Nachricht aus: $h + (t \cdot 4)$.

\subsubsection{Versenden und Empfangen von Positionen}

Positionsdaten werden beim Sender aufgeteilt und mit vier unterschiedlichen Nachrichten versandt. Bei der
Messung wurden vier verschiedene Pakete, mit jeweils unterschiedlichen versandten Positionen untersucht. Dabei beträgt die
Größe des Datenfeldes im Mittel 140 Byte. Die Gesamtgröße der unverschlüsselten Nachrichten um ein 
\textit{Latitude}/\textit{Longtitude}-Paar zu versenden beträgt 32 Byte. Durch die Verschlüsselung,
\textit{Base64}-Kodierung sowie Zusatzinformationen vergrößert sich das Datenvolumen also um circa den Faktor vier. Wenn $h$ die
Größe des \textit{TCP-Headers} und $t$ die Anzahl der Zeichen der unverschlüsselten Nachricht darstellt, ergibt sich die Größe der
versendeten Nachricht circa durch $h + (t \cdot 4)$. Hinzu kommt, dass für jedes empfangene Positions-Fragment ein
\textit{Acknowledgement} gesendet wird. Die Größe eines \textit{Acknowledgment}-Paketes beträgt zwischen 110 und 120 Byte. In
einem solchen Paket werden vier \textit{Acknowledgments} zusammengefasst.\newline 
Daraus kann Folgende Formel für den Datenverkehr pro versendeter Position, bei $n$ Teilnehmern hergeleitet werden:
$((h + (t \cdot 4)) + (4 \cdot a))\cdot n$, wobei $a$ die Größe eines \textit{Acknowledgements} ist und $n$ die Anzahl der
versandten Pakete repräsentiert.

\subsubsection{Fazit der Auswertung}

Die Hintergrunddaten welche vom \textit{IRC}-Protokoll versandt werden ergeben einen geringen, in Kauf zu nehmenden
\textit{Datenoverhead}. Der große Vorteil von \textit{IRC} ist, dass die \textit{Channels} als \textit{Broadcast}-Medium genutzt
werden können. Diese Tatsache macht es möglich, Daten $n$ Teilnehmer zugänglich zu machen und dabei diese nur einmal, über eine
aktive Verbindung, zu senden. Berücksichtigt man dies, so fällt, der ohnehin geringe \textit{Datenoverhead}, nicht mehr ins
Gewicht. Würde man diese Daten über $n$ getrennte Verbindungen an die Teilnehmer versenden, so müssten ebensoviele Verbindungen
geöffnet werden und die Daten anstelle von einmal, $n$ Mal versandt werden.\newline
In der folgenden Abbildung \ref{graph} wird das Versenden der Daten über $n$ getrennte Verbindungen, sowie die in \textit{Friend
Finder} implementierte Methode, zu einem beliebigen Zeitpunkt $t$ verglichen. Es wird angenommen das die versandten Positionsdaten
eine Größe von 140 Byte und vier \textit{Acknowledgements} von 120 Byte haben. Des Weiteren wird angenommen dass alle Nutzer die
Daten empfangen auch Positionsdaten senden und somit auch $4 \cdot n$ \textit{Acknowledgements} versandt werden müssen. Daraus
ergibt sich die Formel $(n \cdot 140) + (n \cdot 120)$, welche als Grundlage für die Abbildung \ref{graph} dient.\newline
In Abbildung \ref{graph2} ist der Hintergrund Traffic von \textit{Friend Finder}, zu einem beliebigen Zeitpunkt $t$, abgetragen.
Die Größe wird anhand der aktiven Teilnehmer ausgegeben. Es wird angenommen, das eine Nachricht, mit Benutzerinformationen eines
\textit{Channels}, für $n$ Benutzer die Größe von $70 + (60 \cdot n)$ hat. Die Größe von 70 Byte stellt hierbei den Server plus
den \textit{Channel}-Namen dar. Zudem wird angenommen das in diesem Fall die Information zu jedem Benutzer eine Größe von 60 Byte
hat. Eine \textit{Keep-Alive} Nachricht hat die Größe von 136 Byte, da diese Nachrichten in dem Zeitraum in dem einmal die
Benutzerinformationen ausgetauscht werden, zweimal versandt werden. Dieses Datenvolumen setzt sich aus der Nachricht von Client zu
Server, sowie der Antwortnachricht des Servers an den Client, zusammen. Die Gesamtgröße der \textit{Keep-Alive} Nachrichten für
$n$ Teilnehmer wird durch $136 \cdot n$ errechnet. Die eingezeichnete Summe repräsentiert die Formel $(136 \cdot n) + (70 +(60
\cdot n)$, also die Summe aus \textit{Keep-Alive} Nachrichten sowie versendeten Benutzerinformationen.\newline
Es fällt also auf, dass beim \textit{IRC}-Protokoll trotz Hintergrunddaten, bei steigender Teilnehmerzahl weniger Datenvolumen
benötigt wird. Würde eine Lösung mit $n$ Verbindungen gewählt werden, so muss noch bedacht werden dass auf die versendeten Daten
 Hintergrunddaten, multipliziert mit der Anzahl der Teilnehmer, addiert werden müssten. Im gegensatz hierzu müssen diese
Werte beim nur \textit{IRC}-Protokoll nur einmalig addiert werden.

\begin{figure}[!ht]
\centering
 \includegraphics[width=12cm]{Bilder/graph}
 \caption{Vergleich des versandten Datenvolumen anhand von unterschiedlichen Teilnehmerzahlen, von $n$-Verbindungen und
\textit{Friend Finder} zu einem beliebigen Zeitpunkt $t$.}
 \label{graph}
\end{figure}

\begin{figure}[!ht]
\centering
 \includegraphics[width=12cm]{Bilder/graph2}
 \caption{Versandte Hintergrunddaten von \textit{Friend Finder} anhand von unterschiedlichen Teilnehmerzahlen, zu einem beliebigen
Zeitpunkt $t$.}
 \label{graph2}
\end{figure}