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\section{Friend Finder}

Die beschriebene Software trägt den Namen \textit{Friend Finder} und wurde im Rahmen dieser Arbeit mit allen
aufgezählten Funktionen 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}

\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. Würde \textit{Enlightenment}
austauschen, würde die Funktionsweise der zugrundeliegenden Komponenten zu verändern. \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.
\textit{Abbildung 3} zeigt den Kommunikationsaustausch von \textit{Friend Finder}.

\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}). \newline
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} \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 sollen, 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
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. Wird eine Nachricht empfangen so wird diese an die Benutzeroberfläche weitergereicht.
Bei der Implementerierung des Nachrichtenversandes ist eine Besonderheit zu erwähnen. Das genutzte Verschlüsselungsverfahren
\textit{Blowfish} \citep{blowfish} wurde seitens der \textit{OpenSSL}\citep{OpenSSL} Bibliothek als \textit{Blockcipher}
implementiert. \textit{Blowfish} wurde Aufgrund der schnellen Verschlüsselungsrate sowie einfachen Implementierung gewählt und
ist ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren. Das bedeutet, das immer nur maximal 64 Bit Nachrichten verschlüsselt werden
können. Aufgrund dieser Restriktion werden Textnachrichten in Blöcke der Zeichenlänge 6 aufgeteilt und anschliessend
versandt. Um den die Codierung der Verschlüsselten Nachrichten zu erhalten werden alle versendeten Daten des Programmes in die
\textit{Base64} \citep{base64} Darstellung umgewandelt. Dies ist notwendig, da die verschiedenen \textit{IRC}-Server
unterschiedliche Zeichenkodierungen nutzen können.\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 Textkonversation mit \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
Bibliothek 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.

\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. Es werden für das Versenden 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 Empfänger eine
Bestätigung für jedes Fragment an den \textit{IRC-Kanal} sendet. Diese Bestätigungen werden ebenfalls verschlüsselt 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}

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 gesendeten Fragmenten der Positionsdaten
gefüllt. Sind alle Fragmente beim Empfänger angekommen so werden die benötigten Daten zur Visuallisierung weitergegeben. Um die
einzelnen Positionsfragmente zuzordnen zu können, werden an diese vor dem versenden Terminierungszeichen angefügt. Diese
Identifizieren zum Beispiel eindeutig einen ersten Teil einer \textit{Longtitude}-Koordinate.

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

\subsubsection{Erzeugen eines 2D-Barcodes}

Die Datei \textit{barcode.c} beinhaltet die Funktionen zum Erstellen eines 2D-Barcodes. Aus einer Zeichenkette wird
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
generiert. 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 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. 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 das Versenden und Empfangen von Positionen, unter die Lupe
genommen. Alle Größen innerhalb der Analyse beziehen sich nur auf die Größe des Datenfeldes, exklusiv 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 des Datenfeldes einer
solchen Nachricht beträgt also 24 Byte. Das Datenfeld der Pakete welche von Server an Client gesendet werden hat die Größe von 44
Byte. \newline
Die Anfragen nach den anderen Benutzern in einem \textit{Channel} werden alle 60 Sekunden versandt. Die Größe der Pakete welche
von Client zu Server gesandt 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} 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. Dieses Paket hat ein Datenfeld der Größe von 99 Byte.\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 elf 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 und im Anschluss die
Konvertierung zur \textit{Base64}-Darstellung vorgenommen. Die \textit{Base64}-Darstellung vergrößert im Allgemeinen, aufgrund
der Datenkonvertierung, das Datenvolumen um 36\%. Somit vergrößert sich eine Textnachricht circa um den Faktor $9$ sobald sie
verschlüsselt, \textit{Base64}-kodiert und mit allen Zusatzinformationen erweitert wurde. \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: $h + (t \cdot 9)$.

\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 gepackt. Bei der Messung wurden vier
Verschiedene Pakete, mit jeweils unterschiedlichen versandten Positionen untersucht. Dabei betrug sich die Größe des Datenfeldes
zwischen 431 Byte. Die Anzahl der unverschlüsselten Zeichen, die für ein \textit{Latitude}/\textit{Longtitude}-Paar zu
senden sind, beträgt 21 Zeichen. Jedes Zeichen ist Byte groß, womit sich in der Summe eine Größe von 21 Byte ergibt.
Durch die Verschlüsselung, \textit{Base64}-Kodierung sowie Zusatzinformationen vergrößert sich das Datenvolumen also um circa den
Faktor zwanzig. 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 $h + (t \cdot 20)$. Hinzu kommt noch, das für jedes empfangene
Positions-Fragmeint ein Acknowledgement gesendet wird. Die Größe der eines Acknowledgment Paketes beträgt zwischen 147 und 153
Byte. In einem solchen Paket werden vier Acknowledgments zusammengefasst.\newline
Folglich kann aus Folgende Formel für den Datenverkehr über die Zeit hergeleitet werden: $((h + (t \cdot 20)) + (4 \cdot a)) \cdot
n$, wobei $a$ die Größe eines Acknowledgement-Paketes ist und $n$ die Anzahl der versandten Pakete repräsentiert. 

\subsubsection{Fazit der Auswertung}

Die Hintergrunddaten welche vom \textit{IRC}-Protokoll versandt werden ergeben einen geringen, in Kauf zu nehmenden Datenoverhead.
Zu beobachten ist, dass das Datenvolumen der Versendeten Daten, sowohl bei Positionsdaten als auch bei Textnachrichten, durch die
Verschlüsselung und die anschliessende Konvertierung in die \textit{Base64}-Darstellung zunimmt. Als großen Vorteil kann hier aber
gesehen werden, dass es mit einmaligem Versenden einer Position möglich ist $n$ Teilnehmer eines \textit{Channels} diese zu
übermitteln, da alle die Nachrichten innerhalb dieses \textit{Channels} lesen können. Somit ergibt sich hier ein großer Vorteil
gegenüber dem Aufbauen von $n$ einzelnen Verbindungen. Würde man einen solchen Ansatz wählen, müssten $n$ Verbindungen geöffnet
werden und die Daten folglich auch $n$ Mal versandt werden. Der dabei entstehnde Datenverkehr steht in keiner Relation zu dem der
gewählten Lösung. Somit stellt das \textit{IRC}-Protokoll eine hervorragende Lösung für Programme dieser Art dar.

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