ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης «Επιστήμη και Τεχνολογία Υπολογιστών»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης «Επιστήμη και Τεχνολογία Υπολογιστών» ΤΙΤΛΟΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ «Μελέτη της τεχνολογίας NFC και υλοποίηση εφαρμογής επικοινωνίας και ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ των χρηστών» Απόστολος Σταμάτης Α.Μ.:628 Τριμελής Επιτροπή: Γαροφαλάκης Ιωάννης, Καθηγητής [Επιβλέπων] Μπούρας Χρήστος, Καθηγητής Μακρής Χρήστος, Επίκουρος Καθηγητής Πάτρα Σεπτέμβριος 2016

2 Ευχαριστίες Για την εκπόνηση της εργασίας αυτής καταναλώθηκε αρκετός χρόνος αναζήτησης και υλοποίησης. Ιδιαίτερες ευχαριστίες στον κ. Γαροφαλάκη Ιωάννη, καθηγητή του τμήματος, για την υποστήριξη του καθώς και την δυνατότητα που μου έδωσε να ασχοληθώ με κάτι ιδιαιτέρως ενδιαφέρον. Μεγάλη βοήθεια όσον αφορά την βασική υποδομή αλλά και άγνωστα προς εμένα ζητήματα, μου παρείχε ο κ. Ανδρέας Κομνηνός, μεταδιδακτορικός ερευνητής ο οποίος ανέλαβε την υποστήριξη της διπλωματικής αυτής. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Αιμίλιο Χαλαμανδάρη και την εταιρεία Innoetics που παρείχαν αφιλοκερδώς το webservice GreeklishToGreek το οποίο με βοήθησε ώστε να μετατρέψω τα data της εφαρμογής στα Ελληνικά. Τέλος το μεγαλύτερο ευχαριστώ το χρωστάω στους γονείς μου που με στήριξαν όλα τα χρόνια των σπουδών μου. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 2

3 Περίληψη Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι αρχικά η μελέτη της τεχνολογίας NFC (Near- Field Communication), θα ασχοληθούμε δηλαδή με τον καθορισμό των λεπτομερειών, των δυνατοτήτων αλλά και των θεμάτων ασφαλείας που προκύπτουν από αυτή την τεχνολογία. Στην συνέχεια στόχος μας είναι να αξιοποιήσουμε την προαναφερθείσα τεχνολογία στην δημιουργία μιας εφαρμογής ανταλλαγής δεδομένων και απόψεων μεταξύ των χρηστών της εφαρμογής καθώς και ενημέρωσης αυτών για την παροχή υπηρεσιών και προϊόντων απο επιχειρήσεις. Η εφαρμογή αυτή προυποθέτει να την ύπαρξη NFC tags τα οποία θα έχουν κατανεμηθεί σε διάφορα σημεία της πόλης μέσω των οποίων ο χρήστης θα μπορεί αγγίζοντας το κινητό του πάνω τους να εναποθέτει το δικό του σχόλιο-πρόταση για τη γύρω περιοχή καθώς και να διαβάζει και τα σχόλια-προτάσεις των άλλων χρηστών. Η εφαρμογή εκτός των σχολίων-προτάσεων θα δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να φορτώσει τη δική του φωτογραφία-βίντεο π.χ. απο ένα αξιοθέατο που βρσίκεται στη γύρω περιοχή καθώς και να δεί τις φωτογραφίες-βίντεο που έχουν εναποθέσει οι άλλοι χρήστες στο συγκεκριμένο σημείο. Ο χρήστης εκτός απο την επιλογή της υποβολλής μιας δημοσίευσης θα έχει την δυνατότητα να δεί τις δημοσιέυσεις των υπόλοιπων χρηστών που έχουν συσχετισθεί με την συγκεκριμένη ετικέτα NFC. Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό της συγκεκριμένης εφαρμοφής είναι ότι ο χρήστης μπορεί να αναζητήσει εύκολα και γρήγορα την πληροφορία που θέλει. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της κατηγοριοποίησης των δημοσιεύσεων των χρηστών. Η κατηγοριοποίηση βασίζεται στα hashtags που περιέχουν οι δημοσιευσεις και η ταξινόμηση τους γίνεται με βάση i)τη συγχνότητα εμφάνισης των hashtags ii) την ώρα της αναζήτησης και iii) την ημέρα της αναζήτησης απο τον χρήστη. Χρησιμοποιόντας αυτά τα κρητήρια στην κατηγοριοποίηση και ταξινόμηση των δημοσιεύσεων παρατηρήσαμε ότι οι χρήστες της εφαρμογής βρίσκουν εύκολα τις δημοσιεύσεις που τους ενδιαφέρουν. πολύ πιο γρήγορα και Στην παρούσα εργασία αρχικά υλοποιείται σύστημα εντοπισμού (client side) θέσης σε NFC δίκτυο. Αξίζει να σημειωθεί ότι στο συγκεκριμένο συστήματα ο χώρος Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 3

4 θεωρείται κβαντισμένος. Έτσι το σύστημα αποφασίζει για περιοχές και όχι για συγκεκριμένες συντεταγμένες. Αυτό γίνεται διαβάζοντας το id του NFCtag του οποίου η θέση είναι προκαθορισμένη. Τα εξαγόμενα του εντοπισμού θέσης των χρηστών από το σύστημα εισάγονται σε ένα δεύτερο σύστημα (server side) το οποίο κάνοντας περάσματα από την βάση δεδομένων εξάγει όλη την πληροφορία που σχετίζεται με την συγκεκριμένη θέση. Αφού το client side σύστημα εντοπίσει τη θέση του χρήστη δημιουργεί το κατάλληλο δυναμικό μενού το οποίο δίνει τη δυνατότητα στον χρήστη να πλοηγηθεί στην εφαρμογή. Ο χρήστης δύνατε να υποβάλει το δικό του κείμενο το οποίο μπορεί να συνοδέυεται απο μια φωτογραφία (ή βίντεο) η οποία μπορεί είτε να είναι ήδη αποθηκευμένη στη συσκευή είτε να την τραβήξει ο χρήστης εκείνη τη στιγμή μέσω της εφαρνογής. Τα δεδομένα υποβάλοντε στο server side σύστημα με τη χρήση της μεθόδου httppost και ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ενημερώνετε real time για την κατάσταση υποβολής των δεδομένων του μέσω progress bar. Τα δεδομένα που μπορεί να υποβάλει ένας χρήστης μπορεί να είναι διάφορα σχόλια ή και παρατηρήσεις για την περιοχή, για συγκεκριμένα αξιοθέατα αλλά και για συγκεκριμένα καταστήματα. Ο χρήστης της κινητής συσκευής επίσης έχει τη δυνατότητα να δεί τις προτάσεις και τα σχόλια των άλλων χρηστών που αφορούν τη συγκεκριμένη περιοχή. Για την παρουσίαση των δεδομένων στον χρήστη γίνεται ασύγχρονη επικοινωνία με το server side σύστημα το οποίο αφού λάβει τη θέση της κινητής συσκευής διαβάζει απο τη database όλα τα δεδομένα που υπάρχουν για τη συγκεκριμένη περιοχή και τα επιστρέφει στο client side σύστημα με τη μορφή JSON array κατηγοριοποιημένα με βάση τα hashtags που περιέχουν. Η κινητή συσκευή στη συνέχεια κάνει parse το JSON array και αποθηκεύει τα δεδομένα σε ένα HashMap το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για να γίνει set το listview και να εμφανιστούν τα δεδομένα στην οθόνη της κινητής συσκευής. Τέλος δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη να επιλέξει οποιαδήποτε ανακοίνωση επιθυμεί και να την μεγιστοποιήσει, με σκοπό να διαβάσει ευκολότερα το κείμενό της, να κάνει zoom στη φωτογραφία ή να αναπαράγει το βίντεο που έχει «συνδεθεί» με τη συγκεκριμένη ανακοίνωση. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 4

5 Στόχος του συγκεκριμένου συστήματος είναι η εύκολη και γρήγορη επικοινωνία και ανταλλαγή απόψεων μεταξύ των χρηστών. Η εφαρμογή αυτή θα είναι πολύ χρήσιμη τόσο για τους επισκέπτες μιας πόλης ή μιας τουριστικής περιοχής οι οποίοι θα μπορούν ευκολα και γρήγορα να ενημερωθούν για τα αξιοθέατα και τα καταστήματα της περιοχής. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 5

6 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή Οργάνωση της εργασίας Παρουσίαση των κεφαλαίων Δίκτυα υπολογιστών Κατηγοριες δικτύων υπολογιστών Τοπικά δίκτυα Μητροπολιτικά δίκτυα Δίκτυα ευρείας περιοχής Τυποποίηση δικτύων Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης ή ISO Ίδρυμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών ή ΙΕΕΕ Ασύρματα δίκτυα υπολογιστών Τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης Η τεχνολογία Bluetooth Η τεχνολογία GPRS Η τεχνολογία UMTS Η τεχνολογία WiMax (IEEE802.16) Η τεχνολογία WiFi (IEEE ) Βασικές Μονάδες των δικτύων Η τεχνολογία NFC Εισαγωγή στην επικοινωνία κοντινού πεδίου Η τεχνολογία Radio Frequency Identification (RFID) Ανέπαφες «Έξυπνες» Κάρτες Η τεχνολογία Near Field Communication (NFC) Ιστορική Αναδρομή Εισαγωγή στην τεχνολογία NFC Πρότυπα NFC Τρόποι λειτουργίας NFC συσκευών NFC Tags NFC Αναγνώστης (NFC Reader) Η Αρχιτεκτονική του NFC Η Αρχιτεκτονική του NFC Τρόποι ενσωμάτωσης Secure Element στο Hardware Universal Intergrated Circuit Card SIM Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 6

7 4.2.2 Ενσωµατωµένο Secure Element Εικονικό Secure Element - Host Card Emulation(HCE) Ασφαλής microsd κάρτα Trusted Mobile Base Ασφάλεια του NFC Υποκλοπή Δεδομένων Τροποποίηση δεδοµένων Εισαγωγή δεδοµένων Φθορά δεδοµένων Man in the Middle Attack Αναµετάδοση Δεδομένων Ασφαλής δίαυλος επικοινωνίας Πεδία Χρήσης NFC Μεταφορές Πληρωμές Υγεία Εκπαίδευση Επιχειρήσεις Εφαρμογή ανταλλαγής δεδομένων Περιγραφή του συστήματος Περιγραφή της εφαρμογής NFC Community Patras Εργαλεία ανάπτυξης της εφαρμογής Το περιβάλλον ανάπτυξης Eclipse Android Software Development Kit Γλώσσα Προγραμματισμού JAVA Δομή της Android Εφαρμογής Φάκελος src Φάκελος bin Φάκελος gen Φάκελος libs Φάκελος res AndroidManifest.xml Υλοποίηση της εφαρμογής Βάση Δεδομένων Σάρωση και ανάγνωση NFC Tags Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 7

8 7.4.3 Επικοινωνία της εφαρμογής με τη Βάση δεδομένων Οι Δυνατότητες της εφαρμογής NFC Community Patras Αποτελέσματα Συμπεράσματα-Μελλοντική Εργασία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1. Ο κώδικας της εφαρμογής Βιβλιογραφία Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 8

9 1 Εισαγωγή Οι ψηφιακές ασύρματες επικοινωνίες δεν είναι μια νέα ιδέα. Ήδη από το 1901 ο Ιταλός Γουλιέλμος Μαρκόνι επέδειξε στο κοινό έναν ασύρματο τηλέγραφο με τον οποίο μπορούσε να γίνει η επικοινωνία ανάμεσα στα πλοία και την ξηρά, χρησιμοποιώντας τον κώδικα μορς (οι τελείες και οι παύλες είναι άλλωστε ένα δυαδικό σύστημα). Τα σύγχρονα ψηφιακά ασύρματα συστήματα έχουν καλύτερη απόδοση αλλά η βασική ιδέα είναι η ίδια. Σε μια πρώτη προσέγγιση, τα ασύρματα δίκτυα μπορούν να διαιρεθούν σε τρεις κύριες κατηγόριες: α) Διασύνδεση συστήματος, β) Ασύρματα LAN, γ) Ασύρματα WAN. Η διασύνδεση συστήματος αναφέρεται στη διασύνδεση των εξαρτημάτων ενός υπολογιστή με τη χρήση ραδιοκυμάτων μικρής εμβέλειας. Κάθε υπολογιστής διαθέτει μια οθόνη, ένα πληκτρολόγιο, ένα ποντίκι και έναν εκτυπωτή που συνδέονται στην κεντρική μονάδα με καλώδια. Πολλοί νέοι χρήστες δυσκολεύονται πολύ να συνδυάσουν όλα τα καλώδια στις σωστές υποδοχές (αν και συνήθως οι υποδοχές είναι χρωματικά κωδικοποιημένες). Κατά συνέπεια μερικές εταιρίες Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 9

10 αποφάσισαν να σχεδιάσουν ένα ασύρματο δίκτυο μικρής εμβέλειας το οποίο ονομάζεται Bluetooth για τη διασύνδεση των εξαρτημάτων αυτών χωρίς καλώδια. Τα ασύρματα LAN είναι συστήματα στα οποία κάθε υπολογιστής έχει ένα ασύρματο μόντεμ και μια κεραία μέσω των οποίων μπορεί να επικοινωνεί με άλλα συστήματα. Τα ασύρματα LAN γίνονται όλο και πιο συνηθισμένα στα μικρά γραφεία και στα σπίτια όπου η εγκατάσταση ενός δικτύου Ethernet θεωρείται μεγάλος μπελάς, καθώς και στα εστιατόρια, στις αίθουσες συνεδριάσεων, και σε άλλα μέρη. Υπάρχει ένα πρότυπο για τα ασύρματα LAN που ονομάζεται IEEE , το οποίο το ακολουθούν τα περισσότερα συστήματα και γνωρίζει μεγάλη διάδοση. Το τρίτο είδος ασύρματων δικτύων χρησιμοποιείται στα συστήματα ευρείας περιοχής. Το δίκτυο ραδιοκυμάτων που χρησιμοποιείται στα κυψελωτά κινητά τηλέφωνα είναι παράδειγμα ενός ασύρματου συστήματος. Κατά κάποιον τρόπο τα κυψελωτά ασύρματα δίκτυα είναι παρόμοια με τα ασύρματα LAN, με τη διαφορά ότι οι σχετικές αποστάσεις είναι πολύ μεγαλύτερες και ο ρυθμός μετάδοσης bit είναι πολύ χαμηλότερος. Τα ασύρματα LAN λειτουργούν σε ταχύτητες μέχρι 128 Mbps περίπου για αποστάσεις μερικών δεκάδων μέτρων, ενώ τα κυψελωτά συστήματα λειτουργούν σε ταχύτητες κάτω από 1 Mbps αλλά η απόσταση ανάμεσα στο σταθμό βάσης και τον υπολογιστή ή το τηλέφωνο μετριέται σε χιλιόμετρα αντί σε μέτρα. Σχεδόν όλα τα ασύρματα δίκτυα συνδέονται σε κάποιο σημείο με το ενσύρματο δίκτυο έτσι ώστε να παρέχουν πρόσβαση σε αρχεία, βάσεις δεδομένων, και στο Internet. Δυο ήταν τα βασικά αίτια για τη ραγδαία εξάπλωση των ασυρμάτων δικτύων. Πρώτον η επανάσταση που προκάλεσε το Internet στη καθημερινή ζωή των ανθρώπων, π.χ. στον τρόπο που επικοινωνούν και στον τρόπο που δουλεύουν. Δεύτερον η ικανότητα των κατασκευαστών να κατασκευάζουν όλο και μικρότερα και με μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ μηχανήματα, που μπορεί να μεταφέρει μαζί του ο χρήστης με ευκολία (παραδείγματα τέτοιων συσκευών είναι τα laptops και τα PDAs). Η ανάγκη συνδυασμού της χρήσης αυτών των δυο αιτιών έφερε την ιδέα της δημιουργίας και χρήσης των ασύρματων δικτύων. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 10

11 Τα ασύρματα δίκτυα προσφέρουν μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σχέση με τα ενσύρματα δίκτυα [2]. Αρχικά η προσπάθεια των κατασκευαστών να υποστηρίζουν την ασύρματη επικοινωνία εμποδίστηκε από το γεγονός ότι ο κάθε κατασκευαστής ακολουθούσε διαφορετικές τεχνικές, που ήταν ασύμβατες μεταξύ τους. Τη λύση στο πρόβλημα αυτό έδωσε ο διεθνής οργανισμός IEEE με τη δημιουργία των πρωτοκόλλων και ο οργανισμός WiFi Alliance με την ανάπτυξη του σήματος συμβατότητας Wi-Fi compatible. Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας τα τελευταία χρόνια οδήγησε στην εκτόξευση των δυνατοτήτων των κινητών τηλεφώνων. Τα κινητά τηλέφωνα εξελίχθηκαν από απλές συσκευές επικοινωνίας σε ισχυρές υπολογιστικές μηχανές που ενσωματώνουν πληθώρα διαφορετικών τεχνολογιών και καλύπτουν όλο και περισσότερες ανάγκες των χρηστών, αποτελώντας πλέον αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας τους. Μία από τις τελευταίες τάσεις στην αγορά των κινητών τηλεφώνων αποτελεί η ενσωμάτωση των τεχνολογιών WiFi και NFC. 1.2 Οργάνωση της εργασίας Κατά τη συγγραφή της παρούσας διπλωματικής εργασίας λήφθηκε υπόψη το γεγονός ότι οι περισσότεροι αναγνώστες της ίσως δεν είναι εξοικειωμένοι με την τεχνολογία NFC και τις έννοιες που είναι συναφείς με αυτή όπως για παράδειγμα τα ασύρματα δίκτυα. Συνεπώς όποτε κρίνεται σκόπιμο θα γίνεται συνοπτική παρουσίαση των εννοιών που ενδέχεται να είναι άγνωστες στους αναγνώστες Παρουσίαση των κεφαλαίων - Στο δεύτερο κεφάλαιο θα παρουσιαστούν οι βασικές έννοιες των δικτύων υπολογιστών. Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφονται οι διάφορες κατηγορίες δικτύων υπολογιστών και διάφορες τοπολογίες δικτύων, παρουσιάζονται οι οργανισμοί τυποποίησης των δικτύων καθώς και τα μοντέλα που έχουν προτείνει. Επίσης παρουσιάζονται όλες οι ασύρματες τεχνολογίες που έχουν Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 11

12 εμφανισθεί τα τελευταία χρόνια όπως για παράδειγμα το Bluetooth, το WiFi κ.α. - Στο κεφαλαίο τρία γίνεται μια εισαγωγή στην τεχνολογία Near Field Communication. Περιγράφεται ο τρόπος λειτουργίας των NFC συσκευών καθώς και διάφορες συσκευές που χρησιμοποιούνται στιην τεχνολογία NFC όπως για παράδειγμα οι ανέπαφες κάρτες, οι ετικέτες NFC αλλά και οι αναγνώστες NFC. - Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στην αρχιτεκτονική του Near Field Communication η οποία αποτελείται απο 4 µέρη το Baseband ή Host Controller, το NFC Controller, το Secure Element (SE) και την NFC κεραία. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφοντε οι σημαντικότερες πρακτικές ενσωµάτωσης του Secure Element (SE) στο υλικό - hardware των κινητών συσκευών. - Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στις τεχνικές ασφαλείας που έχουν προταθεί για την προστασία κατά τη μεταφορά δεδομένων με τη χρήση της τεχνολογίας NFC. Αναφέρονται οι κατηγόριες επιθέσεων που μπορεί να γίνουν όπως π.χ. η υποκλοπή και η τροποποίηση των μηνυμάτων που στέλνονται μέσα από το δίκτυο καθώς και οι τρόποι αντιμετώπισής τους. - Στο κεφάλαιο 6 θα παρουσιαστούν τα σημαντικότερα πεδία χρήσης της τεχνολογίας NFC στην καθημερινή ζωή τόσο του ανθρώπου όσο και των επιχειρήσεων. Μερικά απο τα πεδία εφαρμογής της τεχνολογίας NFC που θα μελετηθούν είναι οι Μεταφορές, οι Πληρωμές, η Υγεία και η εκπαίδευση. - Στο κεφάλαιο 7 θα παρουσιαστεί η εφαρμογή επικοινωνίας και ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ των χρηστών «NFC Community Patras» την οποία υλοποιήσαμε στα πλαίσια της μεταπτυχιακής εργασίας. Σε αυτό το κεφάλαιο θα περιγράψουμε το σύστημα που χρησιμοποιήσαμε τόσο από πλευράς hardware όσο και από πλευράς software. Τέλος στις ενότητες 7.5 και 7.6 θα παρουσιάσουμε τα αποτελέσματα που πήραμε από την εκτέλεση της εφαρμογής εντοπισμού της θέσης του χρηστή, καθώς εξάγουμε και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την συγκεκριμένη εργασία. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 12

13 - Στο κεφάλαιο 7 θα παρουσιαστούν τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την συγκεκριμένη εργασία καθώς και οι μελλοντικές εφαρμογές τόσο της τεχνολογίας NFC όσο και της κατηγοριοποίησης και ταξινόμησης των δημοσιεύσεων των χρηστών. - Στο Παράρτημα θα παρουσιάσουμε τον κώδικα της εφαρμογής, σε γλώσσα προγραμματισμού java και php, που υλοποιήσαμε. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 13

14 2 Δίκτυα υπολογιστών Ο όρος δίκτυο υπολογιστών αναφέρεται στο σύνολο των αυτόνομων υπολογιστών που είναι διασυνδεδεμένοι με μια κοινή τεχνολογία. Δυο υπολογιστές λέμε ότι είναι διασυνδεδεμένοι όταν είναι σε θέση να ανταλλάσσουν πληροφορίες. Όπως θα δούμε και στη συνέχεια υπάρχουν δίκτυα με διάφορα μεγέθη, σχήματα και μορφές. Αν και μπορεί να φαίνετε παράξενο σε πολλούς το Internet δεν είναι ένα δίκτυο υπολογιστών και αυτό γιατί το Internet δεν είναι ένα αυτόνομο δίκτυο αλλά ένα δίκτυο δικτύων. 2.1 Κατηγοριες δικτύων υπολογιστών Ένα κριτήριο ταξινόμησης των δικτύων είναι η κλίμακα τους. Σύμφωνα με αυτό το κριτήριο τα δίκτυα υπολογιστών μπορούν να χωριστούν στις παρακάτω τέσσερις κατηγορίες: a) Τοπικά δίκτυα - LAN (Local Area Network)) b) Μητροπολιτικά δίκτυα - ΜΑΝ(Metropolitan Area Network) c) Δίκτυα ευρείας περιοχής - WAN(Wide Area Network) d) Το internet Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 14

15 2.1.1 Τοπικά δίκτυα Τα τοπικά δίκτυα (local area networks) που συνήθως αποκαλούνται δίκτυα LAN, είναι ιδιωτικά δίκτυα που βρίσκονται μέσα σε ένα μόνο κτήριο ή κτιριακό συγκρότημα, ή σε μια έκταση με μέγεθος λίγα χιλιόμετρα. Χρησιμοποιούνται ευρέως για τη διασύνδεση προσωπικών υπολογιστών και σταθμών εργασίας σε γραφεία και εταιρείες με στόχο την κοινόχρηστα πόρων (για παράδειγμα εκτυπωτών) και την ανταλλαγή πληροφοριών. Εικόνα 1. Local Area Network. Τα δίκτυα LAN έχουν περιορισμένο μέγεθος, γεγονός που σημαίνει ότι ο χρόνος μετάδοσης στη χειρότερη περίπτωση βρίσκεται εντός συγκεκριμένων ορίων και είναι γνωστός εκ των προτέρων. Τα δίκτυα LAN μπορεί να χρησιμοποιούν μια τεχνολογία μετάδοσης η οποία συνίσταται σε ένα καλώδιο όπου είναι συνδεδεμένες όλες οι μηχανές. Υπάρχουν διάφορες πιθανές τοπολογίες για τα δίκτυα LAN. Παρακάτω στην Εικόνα 1 δίνονται οι πιο κοινές τοπολογίες οι οποίες είναι η τοπολογία αρτηρίας, αστέρα και δακτυλίου. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 15

16 - Στην τοπολογία αρτηρίας υπάρχει ένα κοινό μέσο μετάδοσης στο οποίο συνδέονται όλοι οι σταθμοί. - Στην τοπολογία αστέρα υπάρχει ένα κομβικό σημείο που είναι μια δικτυακή συσκευή με την οποία συνδέονται όλοι οι τερματικοί σταθμοί, - Στην τοπολογία δακτυλίου κάθε σταθμός συνδέεται με δυο γειτονικούς του σταθμούς δημιουργώντας έτσι έναν δακτύλιο. Εικόνα 2. Βασικές τοπολογίες τοπικών δικτύων Μητροπολιτικά δίκτυα Τα μητροπολιτικά δίκτυα (MAN) είναι ουσιαστικά δίκτυα στα οποία ο διασυνδεδεμένος εξοπλισμός κατανέμεται σε μια πόλη (εικόνα 3). Το γνωστότερο μητροπολιτικό δίκτυο είναι το δίκτυο καλωδιακής τηλεόρασης που υπάρχει σε πολλές πόλεις καθώς και μια νέα τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης, το WiMax. Η καλωδιακή τηλεόραση δεν είναι το μοναδικό μητροπολιτικό δίκτυο. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην ασύρματη πρόσβαση υψηλής ταχύτητας στο Internet είχαν σαν αποτέλεσμα ένα άλλο μητροπολιτικό δίκτυο, το οποίο τυποποιήθηκε ως IEEE δίκτυο. Τα μητροπολιτικά δίκτυα είναι συχνά υλοποιημένα από οργανισμούς και είναι ιδιωτικά. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 16

17 Εικόνα 3. Metropolitan Area Network Δίκτυα ευρείας περιοχής Το δίκτυο ευρείας περιοχής (wide area network) ή δίκτυο WAN εκτείνεται σε μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή, όπως μια χώρα ή μια ήπειρο. Σκοπός των δικτύων ευρείας περιοχής είναι η διασύνδεση των διαφόρων τοπικών δικτύων μεταξύ τους. Για να το επιτύχουν αυτό χρησιμοποιούν μισθωμένες τηλεπικοινωνιακές γραμμές. Ενώ οι ταχύτητες που επιτυγχάνουν είναι αισθητά μικρότερες από αυτές των τοπικών δικτύων. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 17

18 Εικόνα 4. Wide Area Network. Πέρα από τις βασικές κατηγορίες δικτύων υπάρχουν και κάποιες ειδικές κατηγορίες. Ένα σύστημα με πολλές μονάδες επεξεργασίας και τερματικούς σταθμούς είναι μια ειδική περίπτωση δικτύου. Το λειτουργικό σύστημα διαφανώς αναλαμβάνει τη διαχείριση των CPU. Δίκτυα αυτής της μορφής ονομάζονται συγκεντρωτικά. Άλλη μορφή ειδικής κατηγορίας δικτύου είναι ουσιαστικά τα δίκτυα διασύνδεσης συστήματος (Personal Area Networks). Πρόκειται για δίκτυα τα οποία χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία μεταξύ συσκευών, υπολογιστών ή κινητών, όπως για παράδειγμα η σύνδεση πληκτρολογίων και εκτυπωτών με το υπολογιστικό σύστημα με χρήση της τεχνολογίας bluetooth ή η μεταφορά αρχείων μεταξύ συσκευών κινητής τηλεφωνίας με τη χρήση της τεχνολογίας NFC(near field communication). Σκοπός των δικτύων αυτών είναι κυρίως η αποφυγή της καλωδίωσης καθώς και η ευκολία εγκατάστασης. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 18

19 2.2 Τυποποίηση δικτύων Όπως γνωρίζουμε υπάρχουν πολλοί πωλητές και προμηθευτές δικτύων και ο καθένας από αυτούς έχει τις δικές του ιδέες σχετικά με το πώς πρέπει να γίνονται τα πράγματα. Χωρίς συντονισμό θα υπήρχε ένα μεγάλο χάος και οι χρήστες δεν θα κατάφερναν να πετύχουν τίποτα. Ο μόνος τρόπος για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο είναι η συμφωνία πάνω σε κάποια πρότυπα - πρωτοκολλά δικτύων. Το πρωτόκολλο στα δίκτυα επικοινωνίας καθορίζει την σύνθεση και τη σειρά των μηνυμάτων που ανταλλάσσουν οι οντότητες που επιθυμούν να επικοινωνήσουν καθώς και τις ενέργειες που εκτελούν με τη μετάδοση ή την παραλαβή αυτών των μηνυμάτων. Δυο από τους μεγαλύτερους οργανισμούς τυποποίησης δικτύων που είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία πρωτοκόλλων είναι οι εξής: i) Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης ή ISO (International Standards Organization). ii) Ίδρυμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών ή IEEE (Instityte of Electrical and Electronics Engineers). Οι δυο αυτοί οργανισμοί τυποποίησης δικτύων θα αναλυθούν στις επόμενες υποενότητες Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης ή ISO Τα πρώτα δίκτυα υπολογιστών είχαν σχετικά μικρές επικοινωνιακές ανάγκες και σχεδιάστηκαν κατά κύριο λόγο ως προς το υλικό και μόνο δευτερευόντως εξέταζαν το λογισμικό. Οι σύγχρονες επικοινωνιακές ανάγκες απαιτούν συστήματα που μπορούν να επικοινωνούν με ένα μεγάλο σύνολο συσκευών οι οποίες προέρχονται από διαφορετικούς κατασκευαστές. Στις μέρες μας το λογισμικό δικτύων είναι δομημένο σε υψηλό βαθμό. Το λογισμικό υποστήριξης πρέπει να είναι εύκολα τροποποιήσιμο και επεκτάσιμο καθώς νέες βελτιωμένες τεχνικές επικοινωνίας εμφανίζονται όλο και με μεγαλύτερη συχνότητα. Η μη τυποποίηση των Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 19

20 τεχνολογιών δικτύωσης που εισέρχονταν στην αγορά είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία προβλημάτων συμβατότητας μεταξύ διαφορετικών κατασκευαστών. Έτσι το 1982 η ISO (International Organization for Standardization) η ανακοίνωσε το πρότυπο OSI (Open System Interconnection). Το OSI αποτελεί το πλαίσιο μέσα στο οποίο κινούνται οι λεπτομερείς πλέον τυποποιήσεις για την επίλυση όλων των επί μέρους προβλημάτων που εμφανίζονται στις επικοινωνίες υπολογιστών διαφορετικών κατασκευαστών. Το πλαίσιο ενός τέτοιου προτύπου απαιτεί τον ακριβή προσδιορισμό αφ ενός της αρχιτεκτονικής και αφετέρου των πρωτοκόλλων επικοινωνίας υπολογιστών. Ο στόχος του προτύπου αυτού είναι η τυποποίηση έτσι ώστε να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών διαφορετικών κατασκευαστών. Με το πρότυπο αυτό τίθεται ένα πλαίσιο, μέσα στο οποίο καθορίζονται πρωτόκολλα και τυποποιήσεις για την επικοινωνία των διαφόρων επιπέδων που ορίζονται από το OSI. Η βασική φιλοσοφία που διέπει το OSI είναι της επιπεδοποίησης (layering). Όλες οι απαιτούμενες για την επικοινωνία λειτουργίες ομαδοποιούνται σε επτά επίπεδα. Οι λειτουργιές αυτές είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους έτσι ώστε αλλαγές σε ένα επίπεδο να μην έχουν επίδραση στα άλλα. Στην εικόνα 5 βλέπουμε τα επτά επίπεδα. Το μοντέλο αναφοράς OSI έχει επτά επίπεδα που παρουσιάζονται στην Εικόνα 5 [3]. Η λειτουργία των επιπέδων αυτών περιγράφεται στη συνέχεια: Το Φυσικό Επίπεδο (Physical layer). Ασχολείται με την μετάδοση ανεπεξέργαστων δυαδικών ψηφίων μέσω ενός καναλιού επικοινωνίας. Κάθε bit μετατρέπεται σε ένα ηλεκτρικό, ραδιοφωνικό, ή οπτικό σήμα για την αποστολή του. Τα σήματα μεταφέρονται από την φυσική ζεύξη και λαμβάνονται στο άλλο άκρο οπότε και μετατρέπονται πάλι σε bit. Επίπεδο Συνδέσμου Μετάδοσης Δεδομένων (Data Link Layer). Κάθε πακέτο μεταδίδεται μέσα από μια ζεύξη σύνδεσμο ως ακολουθία από bit. Στο επίπεδο συνδέσμου δεδομένων γίνεται ο έλεγχος αν το πακέτο μεταδόθηκε σωστά μέσα από τον σύνδεσμο (connector). Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 20

21 Επίπεδο Δικτύου (Network layer). Το επίπεδο αυτό ελέγχει τη λειτουργία του υποδικτύου. Ένα βασικό ζήτημα σχεδίασης είναι ο καθορισμός του τρόπου δρομολόγησης των πακέτων από την προέλευση προς τον προορισμό τους. Αν υπάρχουν πάρα πολλά πακέτα στο υποδίκτυο τη ίδια χρονική στιγμή, θα αρχίσουν να παρεμποδίζουν το ένα το άλλο δημιουργώντας έτσι συμφόρηση. Ο έλεγχος της συμφόρησης ανήκει και αυτός στο επίπεδο δικτύου. Επίπεδο Μεταφοράς (Transport layer). Η βασική λειτουργία του επιπέδου αυτού είναι να δέχεται δεδομένα από το ανώτερο επίπεδο, να τα διασπά αν χρειάζεται σε μικρότερες μονάδες, να τα μεταβιβάζει στο επίπεδο δικτύου, και να εξασφαλίζει ότι όλα τα τμήματα φτάνουν σωστά στο άλλο άκρο. Επιπλέον το επίπεδο μεταφοράς καθορίζει τον τύπο της υπηρεσίας που θα παρέχεται στο επίπεδο συνδιάλεξης και τελικά στους χρήστες του δικτύου. Ο πιο δημοφιλής τύπος συνδιάλεξης είναι ένα απαλλαγμένο από σφάλματα κανάλι από σημείο σε σημείο το οποίο παραδίδει μηνύματα ή byte με τη σειρά που στάλθηκαν. Το Επίπεδο Συνδιάλεξης ή Συνόδου (Session layer). Επιτρέπει σε χρηστές διαφορετικών μηχανών να εγκαθιδρύουν συνδιαλέξεις μεταξύ τους. Οι συνδιαλέξεις προσφέρουν διάφορες υπηρεσίες στις οποίες περιλαμβάνονται ο έλεγχος διάλογου (δηλαδή η παρακολούθηση του ποιος έχει τη σειρά να μεταδώσει), η διαχείριση σκυτάλης και ο συγχρονισμός. Επίπεδο Παρουσίασης (Presentation layer). Σε αντίθεση με τα κατώτερα επίπεδα που ασχολούνται κυρίως με τη μεταφορά bit το επίπεδο παρουσίασης ασχολείται με την σύνταξη και τη σημασιολογία των μεταδιδόμενων πληροφοριών. Τα δεδομένα που μεταφέρονται μέσα στο δίκτυο πρέπει να είναι ανεξάρτητα από τον τύπο οθόνης ή πληκτρολόγιου που έχουν οι δυο συμμετέχοντες υπολογιστές. Αυτό γίνεται για να μπορούν να επικοινωνούν και υπολογιστές διαφορετικοί μεταξύ τους. Επίπεδο Εφαρμογών (Application layer). Παρέχει μια ποικιλία πρωτοκόλλων που απαιτούνται συχνά από τους χρήστες για την ανταλλαγή μηνυμάτων με κάποιο Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 21

22 απομακρυσμένο υπολογιστή. Ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο εφαρμογής είναι το πρωτόκολλο μεταφοράς Υπέρ-κειμένου ή HTTP. Εικόνα 5. Το μοντέλο OSI. Τα επίπεδα που παρουσιάστηκαν παραπάνω είναι ιεραρχημένα. Αυτό σημαίνει ότι για να εκτελεστεί η υπηρεσία ενός ανωτέρου επιπέδου (π.χ. δικτύου) είναι απαραίτητη η ύπαρξη της υπηρεσίας του αμέσως κατώτερου επιπέδου (δηλαδή του Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 22

23 Data Link Layer). Όλη η στοίβα πρωτοκόλλων εκτελείται τόσο στον αποστολέα όσο και στον παραλήπτη. Ενδιάμεσες συσκευές δικτύου, δεν χρειάζεται να υποστηρίζουν όλη τη στοίβα πρωτοκόλλων, αρκεί να υποστηρίζουν τα τρία τελευταία επίπεδα. Το OSI είναι ένα γενικευμένο μοντέλο αρχιτεκτονικής δικτύου και θέτει τα πλαίσια στα οποία θα κινηθεί το υποσύστημα επικοινωνίας δεδομένων. Δεν είναι απαραίτητη η πλήρης εναρμόνιση με το μοντέλο OSI. Το OSI προσφέρει απλά μια γραμμή τυποποίησης. Πολλές υλοποιήσεις ενοποιούν ή και παραλείπουν κάποια επίπεδα. Σε αρκετές περιπτώσεις υλοποίησης, λειτουργίες εμφανίζονται σε διαφορετικό επίπεδο και όχι σε αυτό που προδιαγράφει το μοντέλο OSI (π.χ. η εξακρίβωση της γνησιότητας των δεδομένων και η εισαγωγή σημείων ελέγχου πολλές φορές γίνονται στο επίπεδο της εφαρμογής) Ίδρυμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών ή ΙΕΕΕ Tο ινστιτούτο ΙΕΕΕ ( είναι ένας από τους μεγαλύτερους οργανισμούς κατασκευής προτύπων για τη μετάδοση δεδομένων. Εκτός από τη δημοσίευση δεκάδων επιστημονικών περιοδικών και την οργάνωση εκατοντάδων συνεδρίων κάθε χρόνο, ο οργανισμός ΙΕΕΕ έχει μια ομάδα τυποποίησης που αναπτύσσει πρότυπα στους τομείς των ηλεκτρολόγων μηχανικών και των υπολογιστών. Ο ΙΕΕΕ έχει δημιουργήσει πρωτόκολλα για τη λειτουργία τόσο των τοπικών δικτύων, όσο και των δικτύων ευρείας περιοχής. Το κάθε ένα από αυτά τα πρωτόκολλα αναπτύσσεται από μια ερευνητική ομάδα που ονομάζεται «working group» και έχει μια ονομασία που ξεκινάει από τον αριθμό 802. τα κυριότερα πρωτόκολλα 802 φαίνονται στην Εικόνα 6 [4]. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 23

24 Εικόνα 6. Τα κυριότερα πρωτόκολλα 802 του ΙΕΕΕ. Παρακάτω δίνεται ναι συνοπτική περιγραφή των πρωτοκόλλων της παραπάνω εικόνας Επισκόπηση και αρχιτεκτονική των LAN (Overview and Architecture). Το πρωτόκολλο αυτό περιλαμβάνει μια επισκόπηση των πρωτοκόλλων 802 καθώς και της αρχιτεκτονικής που χρησιμοποιούν Διαχείριση (Management). Σε αυτό το πρωτόκολλο περιλαμβάνεται η αρχιτεκτονική και οι υπηρεσίες που παρέχονται για τη λειτουργία της απομακρυσμένης διαχείρισης ενός 802 δικτύου Διασύνδεση Γεφύρωση (Bridging) δικτύων. Το πρωτόκολλο αυτό δίνει την δυνατότητα επικοινωνίας μεταξύ δικτύων που χρησιμοποιούν διαφορετική τεχνολογία, δηλαδή μεταξύ δικτύων 802 που χρησιμοποιούν διαφορετικό πρωτόκολλο φυσικής μετάδοσης Έλεγχος λογικής ζεύξης ή Έλεγχος λογικού συνδέσμου (Logical Link Control). Με αυτό το πρωτόκολλο γίνεται η μετάδοση δεδομένων με έλεγχο σφαλμάτων και έλεγχο ροής. Συγκεκριμένα αυτό το επίπεδο λειτουργεί στο Data Link Layer και σκοπός του είναι να χρησιμοποιήσει κάποια από τις τεχνικές μετάδοσης που προτείνουν τα άλλα πρωτόκολλα και με τη χρήση μηχανισμών επανάληψης και Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 24

25 ακεραιότητας των δεδομένων να παρέχει ένα αξιόπιστο μηχανισμό μετάδοσης πακέτων στο δίκτυο. Ένα σημαντικό μειονέκτημα των τοπικών δικτύων που έλυσε ο οργανισμός ΙΕΕΕ είναι το εξής: Κάθε στιγμή στο κανάλι μέσο επικοινωνίας μπορεί να μεταδοθεί ένα μόνο μήνυμα άρα θα πρέπει να υπάρχει ένας μηχανισμός, υποεπίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων, βάση του οποίου οι σταθμοί θα μεταδίδουν τα μηνύματα τους χρησιμοποιώντας το κανάλι μέσο μετάδοσης. Ο μηχανισμός υποεπίπεδο αυτός ονομάζεται Έλεγχος Προσπέλασης στο Μέσο (Medium Access Control, MAC). Στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε τα πρωτόκολλα του οργανισμού ΙΕΕΕ που περιγράφουν μεθόδους για την πρόσβαση στο μέσο κανάλι μετάδοσης Πρωτόκολλο Πολλαπλής Πρόσβασης με Ανίχνευση Φέροντος με Εντοπισμό Συγκρούσεων (CSMA/CD). Το πρωτόκολλο CSMA/CD εξασφαλίζει ότι κανένας σταθμός δεν θα ξεκινήσει να μεταδίδει όταν ανιχνεύσει ότι το κανάλι είναι απασχολημένο. Μια βελτίωση του πρωτοκόλλου αυτού είναι οι σταθμοί να ματαιώνουν τις μεταδόσεις τους μόλις εντοπίσουν την σύγκρουση. Με άλλα λόγια αν δυο σταθμοί ανιχνεύσουν αδρανές κανάλι και αρχίσουν να μεταδίδουν ταυτόχρονα, θα εντοπίσουν σχεδόν αμέσως την σύγκρουση. Αντί να ολοκληρώσουν τη μετάδοση των πλαισίων τους, τα οποία έχουν σίγουρα παραμορφωθεί ανεπανόρθωτα, θα πρέπει να διακόψουν απότομα τη μετάδοση μόλις εντοπίσουν την σύγκρουση Πρωτόκολλο Αρτηρίας με Κουπόνι (Token Passing Bus). Η μετάδοση των πλαισίων σε αυτή την περίπτωση γίνεται από ένα κοινό μέσο (αρτηρία). Σύμφωνα με το πρωτόκολλο αυτό υπάρχει ένα και μόνο ένα κουπόνι (token) το οποίο δεσμεύεται με κάποιον τρόπο από τον σταθμό που θέλει να αποστείλει κάποιο μήνυμα. Μόνο ο σταθμός που έχει στην κατοχή του το κουπόνι μπορεί να στείλει κάποιο μήνυμα στο δίκτυο, αλλιώς περιμένει μέχρι να απελευθερωθεί το κουπόνι. Το κουπόνι μεταφέρεται από τον ένα σταθμό στον άλλο μέχρι να το δεσμεύσει κάποιος σταθμός που θέλει να στείλει. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 25

26 Πρωτόκολλο Δακτυλίου με Κουπόνι (Token Passing Bus). Το πρωτόκολλο δακτυλίου με κουπόνι είναι το ίδιο με το πρωτόκολλο πρωτόκολλο αρτηρίας με κουπόνι με την διάφορα ότι το δίκτυο εδώ είναι ένα δίκτυο Δακτυλίου δηλ. κάθε σταθμός συνδέεται τόσο με τον προηγούμενο του όσο και με τον επόμενο από αυτόν σταθμό Κατανεμημένη Ουρά Διπλής Αρτηρίας ή DQDB (Distributed Queue Dual Bus). Το πρωτόκολλο αυτό αποτελεί μια βελτίωση του πρωτοκόλλου Δακτυλίου με Κουπόνι με τη διάφορα ότι εδώ υπάρχουν δυο δακτύλιοι ώστε τα δεδομένα να αποστέλλονται και προς τις δυο κατευθύνσεις ή WiFi Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων (Wireless Data Network). Στο πρωτόκολλο αυτό περιγράφονται οι αλλαγές στους μηχανισμούς λειτουργίας, τόσο σε φυσικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο πρόσβασης στο μέσο, για την μετάδοση των δεδομένων με την χρήση ραδιοφωνικών σημάτων. Στο επόμενο κεφάλαιο θα γίνει αναλυτική παρουσίαση των ασυρμάτων δικτύων που κάνουν χρήση της τεχνολογίας WiFi (Wireless Fidelity). 2.3 Ασύρματα δίκτυα υπολογιστών To 1970 το πανεπιστήμιο της Χαβάης κάτω από την επίβλεψη του Norman Abramson υλοποίησε το πρώτο ασύρματο δίκτυο υπολογιστών χρησιμοποιώντας χαμηλού κόστους πομπούς και δέκτες το οποίο ονομάστηκε ALOHAnet. Το σύστημα περιελάμβανε επτά υπολογιστές οι οποίοι βρίσκονταν σε τέσσερα νησιά και επικοινωνούσαν αμφίδρομα με τον κεντρικό υπολογιστή χωρίς την ανάγκη καλωδίων. Από τότε μέχρι σήμερα έχουν γίνει πολλά βήματα ως αναφορά την ασύρματη δικτύωση. Τα ασύρματα δίκτυα είναι δίκτυα στα οποία το μέσο μετάδοσης είναι ο αέρας. Η επικοινωνία των υπολογιστών στα ασύρματα δίκτυα γίνεται με εκπομπή και λήψη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (ευρέως χρησιμοποιούνται ραδιοκύματα) τα οποία κινούνται στον αέρα (ή στο κενό) με την Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 26

27 ταχύτητα του φωτός. Έτσι σε αυτή την περίπτωση επικοινωνίας το ηλεκτρομαγνητικό κύμα στον αέρα μεταφέρει την πληροφορία. Η υλοποίηση αυτού του είδους επικοινωνίας γίνεται στο πρώτο επίπεδο του OSΙ, στο φυσικό επίπεδο. Τα ασύρματα δίκτυα είναι στενά συνυφασμένα με την κινητή τηλεφωνία καθώς και με τεχνολογίες εντοπισμού θέσης χρήστη όπως το GPS (Global Positioning System). Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα τμήματα του οποίου χρησιμοποιούν τα ασύρματα δίκτυα παρουσιάζεται στην Εικόνα 7. Εικόνα 7. Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 27

28 Η ανάγκη για ασύρματη δικτύωση καθώς και το γεγονός ότι είναι τόσο δημοφιλής έγκειται σε κάποιους συγκεκριμένους παράγοντες. Άλλωστε η πλειοψηφία των φορητών υπολογιστών που πωλούνται σήμερα έχει ήδη προεγκατεστημένη μια κάρτα ασύρματου δικτύου. Πρώτα από όλα ένα ασύρματο δίκτυο λόγω της ασύρματης φύσης του επιτρέπει σε χρήστες να προσπελάσουν τους πόρους του δικτύου χωρίς την ανάγκη καλωδίωσης (κάτι το οποίο μπορεί είναι και χρηματικά ασύμφορο ιδιαίτερα για μεγάλης κλίμακας δικτύωση). Μια επιπλέον δυνατότητα που προσφέρουν τα ασύρματα δίκτυα είναι αυτή της κινητικότητας. Έτσι κάποιος χρήστης, για παράδειγμα σε κάποιο δίκτυο κινητής τηλεφωνίας μπορεί να λαμβάνει τα μηνύματα του ηλεκτρονικού του ταχυδρομείου ενώ βρίσκεται εν κινήσει. Ένα επίσης βασικό πλεονέκτημα που παρουσιάζουν τα ασύρματα δίκτυα είναι αυτό της εύκολης κλιμάκωσης. Με τον υπάρχον εξοπλισμό υπάρχει η δυνατότητα αύξησης της δυναμικότητας και πόρων του δικτύου, εύκολα, με την εισχώρηση σε αυτό νέων σταθμών εργασίας οι οποίοι θα βρίσκονται στην περιοχή εμβέλειας του ασύρματου δικτύου. Στην επόμενη παράγραφο παρουσιάζονται συνοπτικά κάποιες από τις κυριότερες τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης υπολογιστών εκτός της τεχνολογίας Wi-Fi (ΙΕΕΕ ). Η μεγαλύτερη διαφοροποίηση που έχουν τα ασύρματα δίκτυα από τα ενσύρματα είναι το μέσο μετάδοσης που χρησιμοποιούν. Ενώ στα ενσύρματα δίκτυα το μέσο μετάδοσης είναι κάποιο καλώδιο ή οπτική ίνα, στα ασύρματα δίκτυα το μέσο μετάδοσης είναι ο «αέρας», δηλαδή η ατμόσφαιρα. Στα ενσύρματα δίκτυα η πληροφορία μεταδίδεται με τη μορφή ηλεκτρικού φορτίου ενώ στα ασύρματα με τη χρήση των ραδιοφωνικών σημάτων συχνοτήτων. Η χρήση ραδιοφωνικών σημάτων για τη μετάδοση της πληροφορίας δημιουργεί μια σειρά από πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα τα οποία σύμφωνα με το [5] είναι τα εξής: - Κόστος (cost). Στο ενσύρματο δίκτυο κάθε τερματικός σταθμός απαιτεί την δική του καλωδίωση ώστε να συνδεθεί στο δίκτυο. Αντίθετα όταν έχουμε ασύρματο δίκτυο το κόστος είναι ίσο με την αγορά ενός μηχανήματος για την σύνδεση ενός Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 28

29 τερματικού σταθμού. Από τη στιγμή που θα έχουμε στη διάθεση μας αυτό το μηχάνημα τότε μπορούμε να συνδέσουμε στο δίκτυο και άλλους τερματικούς σταθμούς χωρίς επιπρόσθετο κόστος. - Μεταφερσιμότητα (mobility). Στα ασύρματα δίκτυα ο χρήστης μπορεί να είναι συνδεδεμένος στο δίκτυο ακόμα και αν κινείται. Αντίθετα στα ενσύρματα δίκτυα ο χρήστης δεν μπορεί να κινηθεί γιατί είναι συνδεδεμένος μέσω καλωδίου στο δίκτυο. - Ευελιξία (flexibility). Στα ασύρματα δίκτυα υπάρχει η δυνατότητα μετατροπής του δικτύου. Δηλαδή τα ραδιοφωνικά σήματα μπορούν να κινηθούν μέσα από τους τοίχους και διάφορα αλλά εμπόδια ενώ οι χρήστες μπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε στο χώρο. Αντιθέτως στα ενσύρματα δίκτυα χρειάζεται η δημιουργία καλωδιακής εγκατάστασης η οποία δεν είναι δυνατό να αλλαχθεί εύκολα. - Αντοχή (robustness). Ενώ τα ενσύρματα δίκτυα παύουν να λειτουργούν σε περίπτωση καταστροφής των καλωδιακών εγκαταστάσεων (π.χ. πυρκαγιά), στα ασύρματα δίκτυα κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει γιατί το μέσο μετάδοσης είναι η ατμόσφαιρα. - Ολοκλήρωση. Τα ασύρματα δίκτυα προσφέρουν τη δυνατότητα σχεδιασμού μικρών συσκευών τις οποίες μπορούμε να μεταφέρουμε παντού. Ένα παράδειγμα τέτοιας συσκευής είναι τα PDAs. - Ασφάλεια (security). Το γεγονός ότι οι πληροφορίες, δηλαδή τα μηνύματα, μεταφέρονται μέσω της ατμόσφαιρας δίνει την δυνατότητα στον κάθε επιτήδειο να έχει πρόσβαση σε αυτή. Αυτό δημιουργεί μεγάλα ζητήματα στον τομέα της ασφάλειας των επικοινωνιών τα οποία θα μελετήσουμε στο επόμενο κεφάλαιο. Για την προστασία των δεδομένων έχουν υλοποιηθεί διάφοροι μηχανισμοί ασφαλείας, οι οποίοι περιγράφονται στο κεφάλαιο 5. - Κατανάλωση ενέργειας. Οι φορητές συσκευές είναι αυτές που υποστηρίζουν πιο πολύ τα ασύρματα δίκτυα. Οι συσκευές αυτές όμως λειτουργούν με μπαταρίες. Άρα σημαντικός παράγοντας είναι η κατανάλωση ενέργειας λόγω της σύνδεσης με το ασύρματο δίκτυο. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 29

30 - Μη κοινές συχνότητες λειτουργίας. Κάθε χώρα έχει διαφορετικούς κανόνες όσον αφορά τις συχνότητες των ραδιοκυμάτων. Εξαιτίας αυτού του περιορισμού κάθε συσκευή θα πρέπει να κατασκευάζεται ανάλογα με την χώρα για την οποία προορίζεται. - Ποιότητα της υπηρεσίας (Quality of service). Ένα από τα μεγαλύτερα μειονεκτήματα των ασύρματων δικτύων είναι ο ρυθμός μετάδοσης της πληροφορίας ο οποίος είναι χαμηλότερος από αυτόν τω ενσύρματων δικτύων. Ακόμα κατά τη μετάδοση μέσω ασύρματων δικτύων υπάρχει μεγάλος αριθμός σφαλμάτων κάτι το οποίο ευθύνεται και για την μεγάλη καθυστέρηση μετάδοσης λόγω του μηχανισμού ελέγχου λαθών. Λόγω του ότι στα ασύρματα δίκτυα χρησιμοποιούνται τα ραδιοφωνικά σήματα χρειάστηκε να γίνουν αλλαγές στα υπάρχοντα πρωτόκολλα. Στο μοντέλο OSI (του οργανισμού ISO) τα επίπεδα που πρέπει να γίνουν αλλαγές δίνονται στην παρακάτω Εικόνα 8. Εικόνα 8. Αλλαγές που πρέπει να γίνουν στο πρωτόκολλο OSI. Χρειάστηκε δηλαδή να γίνουν αλλαγές στο φυσικό επίπεδο (physical layer). Το physical layer προσφέρει στα ανώτερα επίπεδα την μετάδοση ενός bit από άκρο σε άκρο χωρίς να μας ενδιαφέρει επηρεάζει το μέσο που χρησιμοποιείται για την Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 30

31 μετάδοση. Επίσης στο επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων (data link layer) πρέπει να ξανασχεδιαστεί ο μηχανισμός MAC (δηλ. ο μηχανισμός ελέγχου προσπέλασης στο μέσο). 2.4 Τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης Οι τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης που θα παρουσιαστούν στην παρούσα ενότητα είναι οι εξής: Η τεχνολογία Bluetooth Η τεχνολογία GPRS (General Packet Radio Service) Η τεχνολογία UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Η τεχνολογία WiMax (IEEE ) Η τεχνολογία WiFi (Wireless Fidelity) Η τεχνολογία Bluetooth Η αρχική ιδέα της δημιουργίας του Bluetooth ήταν η αποφυγή της καλωδίωσης μεταξύ των συσκευών ενός υπολογιστικού συστήματος. Παρόλα αυτά σύντομα ο αρχικός σκοπός υποσκελίστηκε και το Bluetooth άρχισε να επεκτείνεται και να εισβάλει στον τομέα των ασύρματων LAN. Όσον αφορά την τυποποίηση του προτύπου, αν και αρχικά το Bluetooth είχε σχεδιαστεί από μια κοινοπραξία εταιριών, τελικά η IEEE τυποποίησε τα χαμηλότερα επίπεδα του προτύπου (και πιο συγκεκριμένα το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων). Η επιτροπή που ανάλαβε την τυποποίηση είναι η ΙΕΕΕ To Bluetooth δίκτυο χαρακτηρίζεται ως PAN (Personal Area Network) και αρχικό στόχο έχει την διασύνδεση συσκευών και υπολογιστών χωρίς την ανάγκη καλωδίωσης καθώς και την ανάγκη εξάλειψης των προβλημάτων συγχρονισμού αυτών των συσκευών. Η βασική μονάδα ενός συστήματος Bluetooth είναι ένα μικροσκοπικό δίκτυο (piconet), το οποίο αποτελείται από έναν κόμβο κυρίου Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 31

32 (master) και μέχρι επτά κόμβους εξυπηρετητή (slaves) μέσα σε μια απόσταση 10 μέτρων (εικόνα 9). Πολλαπλά μικροσκοπικά δίκτυα μπορούν να συνυπάρχουν μέσα στον χώρο, ενώ μπορούν να είναι και συνδεδεμένα μέσω ενός κόμβου γέφυρας. Εκτός από τους επτά ενεργούς κόμβους υπηρέτη του piconet μπορούν να υπάρχουν μέχρι και 255 σταθμευμένοι (parked) κόμβοι στο δίκτυο. Οι κόμβοι αυτοί είναι συσκευές τις οποίες ο κύριος έχει φέρει σε κατάσταση χαμηλής ισχύος, έτσι ώστε να μειώσει την κατανάλωση των μπαταριών τους. Εικόνα 9. Bluetooth δίκτυο. Η εμβέλεια του συστήματος Bluetooth είναι 10 μέτρα και λειτουργεί στην ζώνη ISM των 2.4 GHz όπως και το b και g. Η ζώνη διαιρείται σε 79 κανάλια του 1MHz το κάθε ένα. Η διαμόρφωση που χρησιμοποιείται είναι κωδικοποίηση μετατόπισης συχνότητας με 1bit ανά Hz δίνοντας έτσι μικτό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων ίσο με 1Mbps. Για να κατανέμονται δίκαια τα κανάλια χρησιμοποιείται εξάπλωση φάσματος με συνεχή εναλλαγή συχνότητας, 1600 αλλαγές συχνότητας ανά δευτερόλεπτο και έτσι χρόνο παραμονής ίσο με 625μsec. Όλοι οι κόμβοι του δικτύου Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 32

33 αλλάζουν συχνότητα ταυτόχρονα με τον κύριο να επιβάλλει την ακολουθία των συχνοτήτων. Η τεχνολογία Bluetooth χρησιμοποιείται σε πλήθος συσκευών όπως κινητά τηλέφωνα για την ανταλλαγή δεδομένων, hands-free για κινητά τηλέφωνα καθώς και σε συσκευές υπολογιστών όπως πληκτρολόγια, mouse, εκτυπωτές. Η τεχνολογία αυτή είναι ιδιαιτέρως χρήσιμη όταν καθίσταται ανάγκη μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ δυο συσκευών οι οποίες βρίσκονται στον ίδιο χώρο (λόγω περιορισμών εμβέλειας). Τα πρωτόκολλα που απαρτίζουν το πρότυπο Bluetooth απλοποιούν την διαδικασία αναζήτησης και ρύθμισης υπηρεσιών μεταξύ συσκευών. Οι υπηρεσίες που παρέχονται από μια Bluetooth συσκευή ουσιαστικά «διαφημίζονται» στις γύρω συσκευές και έτσι αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει την πιο απλή και αυτοματοποιημένη διαδικασία ρυθμίσεων από οποιονδήποτε άλλο τύπο δικτύου Η τεχνολογία GPRS Η τεχνολογία GPRS είναι ουσιαστικά ένα ενδιάμεσο βήμα μεταξύ της κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς και τρίτης γενιάς (εικόνα 10). Η αρχική τεχνολογία GSM (Global System for Mobile communications) της κινητής τηλεφωνίας επέτρεπε πέρα από υπηρεσίες φωνής, υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων αλλά με εξαιρετικά μικρό ρυθμό 9.6Kbps. Έτσι παρατηρήθηκε ότι καθώς η ανάγκη για μεγαλύτερο εύρος ζώνης στα σταθερά δίκτυα αυξανόταν, η ανάγκη για εύρος ζώνης εμφανίστηκε και στα κινητά δίκτυα. Έτσι δημιουργήθηκε το GPRS (General Packet Radio Service) μιας και προβλήματα συμβατότητας και ο «πόλεμος» των προτύπων δεν επέτρεψε την γρήγορη εγκατάσταση δικτύων τρίτης γενιάς. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 33

34 Εικόνα 9. GPRS αρχιτεκτονική Το GPRS δεν χρησιμοποιεί το GSM για την σηματοδοσία και την μετακίνηση δεδομένων. Το GSM χρησιμοποιείται απλά για την εύρεση σε πίνακες, στις βάσεις δεδομένων των καταχωρητών τοποθεσίας, των προφίλ των χρηστών. Μετατρέπει τα δεδομένα των χρηστών σε πακέτα και τα μεταφέρει πάνω από δημόσια επίγεια κινητά δίκτυα χρησιμοποιώντας έναν κορμό IP. Το GPRS χρησιμοποιεί 1 έως 8 σχισμές χρόνου σε ασύρματο κανάλι που μπορούν να μοιράζονται σε πολλαπλούς χρήστες. Οι διαθέσιμες υποδοχές διαιρούνται σε πολλά λογικά κανάλια τα οποία χρησιμοποιούνται για διαφορετικές δουλειές. Ο σταθμός βάσης αποφασίζει ποια λογικά κανάλια θα αντιστοιχίζονται στις χρονικές σχισμές. Ένα λογικό κανάλι χρησιμοποιείται για το κατέβασμα πακέτων από τον σταθμό βάσης προς τους κινητούς σταθμούς με κάθε πακέτο να δείχνει για ποιον προορίζεται. Για να στείλει ένα πακέτο IP ο κινητός σταθμός ζητά μια η περισσότερες χρονικές σχισμές στέλνοντας μια αίτηση στον σταθμό βάσης. Αν η αίτηση φτάσει χωρίς πρόβλημα, ο σταθμός βάσης ανακοινώνει τη συχνότητα και την χρονική υποδοχή που έχει εκχωρηθεί στο κινητό για την αποστολή του πακέτου. Μόλις το πακέτο φτάσει στον σταθμό βάσης μεταφέρεται στο Διαδίκτυο μέσω μιας ενσύρματης σύνδεσης. Θεωρητικά το GPRS προσφέρει ταχύτητες από 14.4Kbps έως 115Kbps που επιτρέπουν άμεση πρόσβαση στο διαδίκτυο με την χρήση ασύρματων συσκευών. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 34

35 Για να γεφυρωθεί το χάσμα μεταξύ δεύτερης και τρίτης γενιάς εισήχθησαν και άλλες τεχνολογίες πέρα από το GPRS, όπως για παράδειγμα, οι τεχνολογίες EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) και HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data) οι οποίες δουλεύουν πάνω στο υπάρχον GSM και ουσιαστικά αυτό που προσπαθούν να κάνουν είναι να βελτιώσουν τον ρυθμό δεδομένων Η τεχνολογία UMTS Πρόκειται για την τεχνολογία κινητής τηλεφωνίας της τρίτης γενιάς. Το UMTS έχει την υποστήριξη πολλών τηλεπικοινωνιακών χρηστών και κατασκευαστών αφού αντιπροσωπεύει μια μοναδική ευκαιρία για δημιουργία μιας μαζικής αγοράς με φιλική προς τον χρήστη πρόσβαση. Σκοπός του UMTS είναι η επέκταση των δυνατοτήτων των δικτύων 2ης γενιάς καθώς και η επέκταση των ασύρματων και δορυφορικών τεχνολογιών παρέχοντας αυξημένη χωρητικότητα και μεγαλύτερο εύρος υπηρεσιών χρησιμοποιώντας ένα σχήμα ράδιο-πρόσβασης και ένα προηγμένο αναπτυσσόμενο καλωδιακό δίκτυο. Η πιο κοινή μορφή του UMTS είναι αυτή που χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Το CDMA Ευρείας Ζώνης ή W-CDMA (Wideband) προτάθηκε από την Ericsson. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιεί εξάπλωση φάσματος άμεσης ακολουθίας. Δουλεύει σε εύρος ζώνης 5 MHZ και έχει σχεδιαστεί για να συνεργάζεται με δίκτυα GSM, αν και δεν είναι συμβατό προς τα πίσω με το GSM. Έχει όμως την ιδιότητα ότι ένας χρήστης μπορεί να βγει από μια κυψέλη W- CDMA και να μπει σε μια κυψέλη GSM χωρίς να χαθεί η κλήση του. Αυτό το σύστημα προωθήθηκε έντονα από την Ευρωπαϊκή Ένωση όπου και τελικά κατέληξε στο Παγκόσμιο Σύστημα Κινητών Τηλεπικοινωνιών ή UMTS(Universal Mobile teleommunications System). Το UMTS υποστηρίζει video κλήσεις, download μουσικής και video, καθώς επίσης και live-tv. Το UMTS γενικά επιτρέπει μέγιστο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στα 384Kbps καθώς και στα 3.6Mbps αλλά για συσκευές που κάνουν χρήση της τεχνολογίας HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access). Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 35

36 2.4.4 Η τεχνολογία WiMax (IEEE802.16) Το 2003 η IEEE υιοθέτησε το πρότυπο γνωστό και ως WiMax. Η τεχνολογία WiMax ή αλλιώς Worldwide Interoperability for Microwave Access είναι μια τεχνολογία η οποία δημιουργήθηκε για να καλύψει την ανάγκη ευρυζωνικών ασύρματων δικτύων (εικόνα 11). Σκοπός του WiMax είναι η παροχή ασύρματων ευρυζωνικών επικοινωνιών σε σταθερούς (fixed wireless) αρχικά καθώς και κινητούς σταθμούς. Το πρότυπο σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί σε μια ευρεία μπάντα συχνοτήτων η οποία εκτείνεται από 2 έως 66GHz. Υποστηρίζει ταχύτητες μετάδοσης ως και 70Mbps στον αέρα. Οι αποστάσεις που μπορεί να καλυφθούν ξεπερνούν τα 50Km σε συνθήκες οπτικής επαφής (με μείωση του ρυθμού δεδομένων καθώς αυξάνεται η απόσταση). Το WiMax σχεδιάστηκε κατά βάση ώστε να καλύπτει κυρίως συνδέσεις point to multipoint χωρίς ωστόσο να αποκλείεται η χρήση του για point to point συνδέσεις. Παραλλαγές του προτύπου που στοχεύουν σε κινητούς χρήστες (802.16e) και στην παροχή ενισχυμένης QoS (Quality of Service) (802.16b) είναι σε εξέλιξη. Κύριες χρήσεις του WiMax είναι κυρίως οι εξής: Δίκτυο κορμού στα κυψελωτά συστήματα 3 ης γενιάς Ασύρματη παροχή ευρυζωνικής επικοινωνίας Κάλυψη περιοχών όπου είναι αδύνατη η κάλυψή τους με χρήση χαλκού ή οπτικής ίνας. Η διαμόρφωση η οποία χρησιμοποιείται είναι η OFDM (Orthogonal Frequency- Division Multiplexing). Πρόκειται για μια πολύ ανθεκτική διαμόρφωση σε ότι αφορά το φαινόμενο της πολυδιόδευσης ειδικότερα στις συχνότητες πάνω από 2GHz που το πρότυπο χρησιμοποιεί. Οι ταχύτητες μετάδοσης του προτύπου εξαρτώνται από την εκάστοτε ψηφιακή διαμόρφωση που χρησιμοποιείται. Συνήθεις διαμορφώσεις είναι η 64QAM η οποία μπορεί να εξασφαλίσει και την μεγαλύτερη ταχύτητα μετάδοσης, Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 36

37 η 16QAM και η QPSK η οποία μπορεί να εξασφαλίσει μεγάλη κάλυψη του συστήματος. Προς το παρόν στο Πακιστάν έχει εγκατασταθεί το μεγαλύτερο πλήρως λειτουργικό δίκτυο WiMax του κόσμου και καθημερινά σε διάφορες πόλεις του πλανήτη εγκαθίστανται δίκτυα που βασίζονται στην τεχνολογία WiMax. Μέχρι την τελική κάλυψη πόλεων, απομακρυσμένων τοποθεσιών ή περιοχών με γεωγραφικές ιδιαιτερότητες, το WiMAX υπόσχεται να καλύψει τα κενά που ήδη υπάρχουν στις ενσύρματες συνδέσεις αλλά και στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Τα μελλοντικά laptop (Intel Centrino WiMAX) και τα κινητά τηλέφωνα και PDA θα υποστηρίζουν την τεχνολογία WiMAX βασισμένα σε συμβατό με το standard ΙΕΕΕ e hardware, όπως ακριβώς συμβαίνει τώρα με το WiFi και το standard Εικόνα 11.Wimax δικτύωση Όπως έχει ήδη αναφερθεί, στην αρχική του έκδοση το πρότυπο ΙΕΕΕ σχεδιάστηκε να λειτουργεί στην ζώνη συχνοτήτων GHz. Στις παραπάνω συχνότητες η επικοινωνία μεταξύ δύο σταθμών επιτυγχάνεται μόνο όταν οι σταθμοί αυτοί βρίσκονται σε συνθήκες οπτικής επαφής. Η παραπάνω διαδικασία περιγράφεται στο υποπρότυπο ΙΕΕΕ c. Η ανάγκη για επικοινωνία μεταξύ Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 37

38 σταθμών που δεν βρίσκονται σε οπτική επαφή ήταν το κίνητρο για τη δημιουργία του υποπροτύπου ΙΕΕΕ a. Τον Ιανουάριο του 2003 το πρότυπο επεκτάθηκε ώστε να λειτουργεί στις συχνότητες από 2-11 GHz όπου στις συχνότητες αυτές ήταν δυνατή η δημιουργία συνδέσεων χωρίς οπτική επαφή πομπού - δέκτη. Τα πρώτα προϊόντα WiMAX τα οποία σήμερα είναι διαθέσιμα στην αγορά ακολουθούν στην μεγαλύτερή τους πλειοψηφία το υποπρότυπο αυτό. Καθώς η πολυπλοκότητα των εφαρμογών που χρησιμοποιούνται πάνω από ένα ασύρματο δίκτυο ολοένα και αυξάνει, η ποιότητα υπηρεσίας πάνω από τέτοια δίκτυα γίνεται ένας πολύ καθοριστικός παράγοντας για την ποιότητα της επικοινωνίας. Για παράδειγμα, η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο απαιτεί από το δίκτυο συνθήκες πολύ χαμηλής καθυστέρησης μετάδοσης. Για αυτό το λόγο, προκειμένου να ικανοποιηθεί η ανάγκη για ποιότητα υπηρεσίας ορίστηκε το υποπρότυπο ΙΕΕΕ d. Η ένωση των υποπροτύπων ΙΕΕΕ a,c,d όρισε το πρότυπο ΙΕΕΕ το οποίο περιγράφει τη συνολική λειτουργικότητα των επιμέρους υποπροτύπων που προαναφέρθηκαν για συχνότητες λειτουργίας 2-66 GHz. Το πρότυπο ΙΕΕΕ ορίζει την επικοινωνία χρηστών οι οποίοι βρίσκονται μέσα σε μια κυψέλη η οποία καλύπτεται από ένα base station. Όταν κάποιος χρήστης κινηθεί σε περιοχή που βρίσκεται εκτός περιοχής κάλυψης του base station η σύνδεση χάνεται. Το υποπρότυπο ΙΕΕΕ e εισάγει και περιγράφει την έννοια της κινητικότητας των χρηστών από ένα base station σε άλλο. Στο υποπρότυπο αυτό ορίζεται ότι ένας κινητός χρήστης μπορεί να συνεχίσει να εξυπηρετείται από το δίκτυο ακόμα και αν κινείται με ταχύτητες οι οποίες προσεγγίζουν τα 120 Km / h. Η σχέση μεταξύ της κινητικότητας και της ταχύτητας που επιτρέπει το κάθε πρωτόκολλο φαίνεται στην εικόνα 12. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 38

39 Εικόνα 12.Σχέση ρυθμού μετάδοσης και κινητικότητας στα ασύρματα δίκτυα Η τεχνολογία WiFi (IEEE ) Ο σκοπός της δημιουργίας του Wi-Fi είναι η απόκρυψη της πολυπλοκότητας επιτρέποντας την ασύρματη πρόσβαση σε εφαρμογές και δεδομένα, μέσα και ροές. Ο βασικοί στόχοι του Wi-Fi είναι, να κάνει την πρόσβαση σε πληροφορία ευκολότερη, να διαβεβαιώσει την συμβατότητα και την συνύπαρξη διαφορετικών συσκευών όπως επίσης να εξαλείψει την ανάγκη καλωδίωσης καθώς και την εξάλειψη των δορυφορικών αναγκαίων αυτής. Συσκευές Wi-Fi όπως υπολογιστές, παιχνιδομηχανές, κινητά τηλέφωνα, MP3 players ή PDAs μπορούν να συνδέονται στο internet (όπως επίσης και σε κάποιο τοπικό δίκτυο) όταν βρίσκονται μέσα στην ακτίνα εμβέλειας ενός ασύρματου δικτύου. Η εμβέλεια ενός η πιο πολλών διασυνδεδεμένων σημείων πρόσβασης (Access Points- AP) καλύπτει μια περιοχή τόσο μικρή όσο ένα δωμάτιο μέχρι και περιοχές πολλών τετραγωνικών χιλιομέτρων με χρήση αλληλεπικαλυπτόμενων access points. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 39

40 Οργανισμοί και επιχειρήσεις όπως αεροδρόμια και ξενοδοχεία συχνά διαθέτουν hotspots με δωρεάν πρόσβαση στο διαδίκτυο με σκοπό την προσέλκυση και υποστήριξη των πελατών τους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η Τσεχία στην οποία υπάρχουν πάνω από 800 πάροχοι internet μέσω ασύρματης δικτύωσης (Wireless Internet Service Providers). To Wi-Fi επίσης επιτρέπει την δημιουργία ομότιμων δικτύων (peer-to-peer) τα οποία ονομάζονται ad-hoc. Τα δίκτυα αυτά επιτρέπουν στις συσκευές που τα απαρτίζουν να συνδέονται μεταξύ τους χωρίς την ανάγκη επιπλέον υποδομής. Η συνδεσιμότητα αυτή παρουσιάζεται ιδιαιτέρως χρήσιμη σε εμπορικές εφαρμογές. Ο προκάτοχος του Wi-Fi εφευρέθηκε το 1991 στην Ολλανδία. Τα πρώτα ασύρματα προϊόντα είχαν βγει στην αγορά με το όνομα WaveLAN με ταχύτητες 1Mbit/s έως 2Mbit/s. Όταν η τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης πρωτοεμφανίστηκε πολλά προβλήματα παρουσιάστηκαν λόγω ασυμβατότητας προϊόντων από διαφορετικούς κατασκευαστές. Η Wi-Fi Alliance ξεκίνησε ως μια κοινότητα με σκοπό να επιλύσει αυτά τα προβλήματα, έτσι η Alliance δημιούργησε το πρότυπο Wi-Fi Certified έτσι ώστε να διασφαλίσει την αποτελεσματική λειτουργικότητα των προϊόντων. Πολλές εμπορικές συσκευές χρησιμοποιούν το Wi-Fi. Μεταξύ αυτών είναι, προσωπικοί υπολογιστές οι οποίοι μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους καθώς και να τους παρέχεται πρόσβαση στο διαδίκτυο, προσωπικοί ηλεκτρονικοί βοηθοί (PDA) και κινητά τηλέφωνα τα οποία μπορούν να αποκτούν χωρίς την ανάγκη καλωδίων πρόσβαση σε πόρους τοπικών δικτύων ή στο διαδίκτυο καθώς και άλλες συσκευές όπως για παράδειγμα ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές ή παιχνιδομηχανές. Η τεχνολογία Wi-Fi βοήθησε και ενίσχυσε την υλοποίηση δικτύων πλέγματος με κόμβους οι οποίοι επικοινωνούν ασύρματα χωρίς την ανάγκη καλωδίωσης και τα αρνητικά που την συνοδεύουν. Πέρα από την χρήση του σε δίκτυα για το σπίτι ή για γραφεία, το Wi-Fi επιτρέπει την δημόσια πρόσβαση μέσω Wi-Fi hotspots που διατίθεται (η πρόσβαση αυτή) είτε δωρεάν είτε με κάποιο μικρό κόστος. Συσκευές όπως οι δρομολογητές οι οποίοι ενσωματώνουν DSL modems και Wi-Fi access points συχνά χρησιμοποιούνται σε οικιακά δίκτυα και επιχειρήσεις Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 40

41 παρέχοντας έτσι πέρα από την πρόσβαση στο internet και την ασύρματη δικτύωση μεταξύ των συσκευών. Με την έλευση του Wi-Fi πλήθος υπηρεσιών ακολούθησαν οι οποίες χρησιμοποιούσαν το πρότυπο όπως για παράδειγμα το WVOIP (Wireless Voice over IP). Το Wi-Fi παρουσιάζεται επίσης πολύ ισχυρό ιδιαίτερα σε αναπτυσσόμενες χώρες στις οποίες είναι δύσκολη η εγκατάσταση υποδομής δικτύωσης. To Wi-Fi τυποποιήθηκε το 1997 από την IEEE και απέκτησε την τυποποιημένη ονομασία (η ομάδα της IEEE που ασχολείται με το Wi-Fi). Αρχικά είχε ταχύτητα 2Mbps και αποτελεί το πρώτο πρότυπο που ακολουθείται για ασύρματη δικτύωση. Πέρα από το αρχικό πρότυπο στη συνέχεια δημιουργήθηκαν υποπρότυπα του IEEE όπως τα IEEE a, IEEE b, ΙΕΕΕ e, IEEE f, IEEE g και IEEE i. Σήμερα τα ασύρματα δίκτυα που βασίζονται σε αυτή την οικογένεια προϊόντων είναι τα πλέον διαδεδομένα ενώ κυκλοφορεί μεγάλη ποικιλία σχετικών προϊόντων στην αγορά. Όπως όλα τα πρότυπα της 802 της IEEE, και το προσανατολίζεται στα δύο χαμηλότερα στρώματα του μοντέλου διαστρωμάτωσης OSI (Open System Interconnection) δηλαδή στο φυσικό στρώμα και στο υπόστρωμα MAC (Medium Access Control) του στρώματος ζεύξης δεδομένων (Data Link Layer) (εικόνα 13). Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 41

42 Εικόνα 13. Διαστρωμάτωση του (Έμφαση στο Συνδέσμου Δεδομένων Επίπεδο) Το άλλο υπόστρωμα του στρώματος ζεύξης δεδομένων δηλαδή το υπόστρωμα ελέγχου λογικής ζεύξης (Logical Link Control - LLC) είναι αυτό το οποίο έχει προτυποποιηθεί ως IEEE και χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με όλα τα διαφορετικά MAC της σειράς IEEE 802. Το υποεπίπεδο MAC (Ελέγχου Προσπέλασης Μέσου) ορίζει πως γίνεται η εκχώρηση του καναλιού, δηλαδή ποιος θα μεταδώσει στη συνέχεια. Ο σκοπός του υποστρώματος ελέγχου λογικής ζεύξης είναι να κρύβει τις διαφορές ανάμεσα στις διαφορετικές παραλλαγές του έτσι ώστε να κάνει τις παραλλαγές αυτές αόρατες όσον αφορά το παραπάνω επίπεδο δικτύου. Όσον αφορά το φυσικό επίπεδο, το πρότυπο του 1997 καθορίζει τρεις επιτρεπόμενες τεχνικές μετάδοσης για αυτό, την μέθοδο υπερύθρων καθώς και δύο μεθόδους που χρησιμοποιούν ραδιοκύματα μικρή εμβέλειας χρησιμοποιώντας τεχνικές που ονομάζονται FHSS και DSSS. Και οι δύο τεχνικές ραδιοκυμάτων Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 42

43 χρησιμοποιούν ένα τμήμα του φάσματος στο οποίο δεν απαιτείται ειδική άδεια (την ζώνη ISM στα 2.4 GHz). Το 1999 παρουσιάστηκαν δύο νέες τεχνικές για την επίτευξη υψηλότερου εύρους ζώνης. Οι τεχνικές αυτές ονομάζονται OFDM και HR-DSSS. Λειτουργούν μέχρι τα 54 Mbps και τα 11Mbps αντίστοιχα. Τo 2001 παρουσιάστηκε μια δεύτερη τεχνική διαμόρφωσης OFDM αλλά στην περιοχή συχνοτήτων των 5GHz. Εικόνα 14.Διαστρωμάτωση του (Έμφαση στο Φυσικό Επίπεδο) Η φιλοσοφία που ακολουθεί το πρότυπο είναι η ύπαρξη ενός μόνο MAC που όμως υποστηρίζει περισσότερα του ενός φυσικά στρώματα (εικόνα 14) Βασικές Μονάδες των δικτύων Τα ασύρματα δίκτυα αποτελούνται από τις κάτωθι τέσσερις βασικές μονάδες: Σημείο πρόσβασης (Access Point AP): Το AP είναι η μονάδα που παίζει το ρόλο γέφυρας μεταξύ του ενσύρματου και του ασύρματου δικτύου, Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 43

44 μετατρέποντας κατάλληλα τα πλαίσια που ανταλλάσσονται μεταξύ αυτών. Επιτελεί και πολλές άλλες λειτουργίες στο ασύρματο δίκτυο που θα αναφερθούν στη συνέχεια. Σύστημα διανομής (Distribution System): Το σύστημα διανομής ενώνει τα διάφορα AP του ίδιου δικτύου, επιτρέποντάς τους να ανταλλάσσουν πλαίσια. Το δεν προσδιορίζει τον τρόπο που θα γίνεται αυτό. Ασύρματο μέσο μετάδοσης (Wireless Medium): Έχουν οριστεί διάφορα φυσικά στρώματα όπως προαναφέρθηκε που χρησιμοποιούν είτε ραδιοσυχνότητες είτε υπέρυθρες ακτίνες για τη μετάδοση των πλαισίων μεταξύ των σταθμών του ασύρματου δικτύου. Σταθμοί (Stations): Οι σταθμοί που ανταλλάσσουν πληροφορία μέσω του ασυρμάτου δικτύου συνήθως είναι φορητές συσκευές (για παράδειγμα laptops), χωρίς όμως αυτό να είναι απαραίτητο. Η βασική δομική μονάδα κάθε δικτύου αποκαλείται Basic Service Set (BSS) και αποτελείται από μία ομάδα σταθμών που επικοινωνούν μεταξύ τους. Τα όρια του BSS καθορίζονται από την περιοχή ραδιοκάλυψης, που ονομάζεται Basic Service Area (BSA). Ένας σταθμός σε ένα BSS μπορεί να επικοινωνεί με οποιονδήποτε άλλο σταθμό στο ίδιο BSS. Εικόνα 15.Wi-Fi δίκτυο Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 44

45 3 Η τεχνολογία NFC Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας τα τελευταία χρόνια οδήγησε στην εκτόξευση των δυνατοτήτων των κινητών τηλεφώνων. Τα κινητά τηλέφωνα εξελίχθηκαν από απλές συσκευές επικοινωνίας σε ισχυρές υπολογιστικές μηχανές που ενσωματώνουν πληθώρα διαφορετικών τεχνολογιών και καλύπτουν όλο και περισσότερες ανάγκες των χρηστών, αποτελώντας πλέον αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας τους. Μία από τις τελευταίες τάσεις στην αγορά των κινητών τηλεφώνων αποτελεί η ενσωμάτωση της NFC τεχνολογίας για την ανταλλαγή δεδομένων. 3.1 Εισαγωγή στην επικοινωνία κοντινού πεδίου Η τεχνολογία του NFC προέρχεται από την τεχνολογία RFID. H RFID αποτελεί µία τεχνολογία άνευ επαφής κοντινής μονόδροµης επικοινωνίας. Χρησιμοποιήθηκε εκτενώς σε διαβατήρια, ταυτοποίηση ζώων, σε βιβλιοθήκες και εντοπισμό προϊόντων. Τον περιορισμό αυτό της µονόδροµης επικοινωνίας του RFID ξεπέρασε η σύμπραξη των εταιρειών Sony και Phillips τη δεκαετία του 90 οι οποίες ανέπτυξαν ένα αµφίδροµο πρότυπο κοντινής άνευ επαφής επικοινωνίας το NFC. Παρότι ήταν γνωστό από τη δεκαετία του 90 µόλις το 2003 αναγνωρίστηκε από τον οργανισμό ISO και αποτέλεσε επίσημα ανοιχτό πρότυπο. Παράλληλα µε την ανάπτυξη του προτύπου πραγματοποιήθηκαν προσπάθειες τα τελευταία χρόνια σε επίπεδο βελτίωσης της ταχύτητας µεταφοράς των δεδοµένων και ασφάλειάς τους µέσω κρυπτογράφησης. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 45

46 Οι εξελίξεις του προτύπου ως τεχνολογία και η ταυτόχρονη βελτίωση των επιδόσεων σε θέματα ταχύτητας µεταφοράς δεδοµένων και ασφάλειας έχουν καταστήσει την τεχνολογία ιδανική για την πραγµατοποίηση μεταφοράς δεδομένων, ενημέρωσης του χρήστη ακόμη και πραγματοποίηση κινητών πληρωµών. Το γεγονός αυτό αποτυπώνεται στο έντονο ενδιαφέρον που έχουν δείξει µεγάλες εταιρείες παροχής καρτών, οι οποίες υιοθέτησαν και διαφήµισαν τα προτερήματα της τεχνολογίας προς όφελος τους και παρατήρησαν µεγάλη και θετική ανταπόκριση µε τις κάρτες που ενσωματώνουν την τεχνολογία διαρκώς να πληθαίνουν. Λόγω της διαδραστικότητας που περιέχει η τεχνολογία NFC µέσω της αµφίδροµα ανέπαφης επικοινωνίας, είναι σε θέση να παρέχει το σύνολο των δυνατοτήτων της όταν ενσωματώνεται σε ένα διαδραστικό µέσο όπως το κινητό τηλέφωνο. Αυτός αποτελεί και ο λόγος για το έντονο ενδιαφέρον της ενσωμάτωσης της τεχνολογίας στα κινητά τηλέφωνα και την µετατροπή τους σε φορητές συσκευές πραγματοποίησης κινητών συναλλαγών και πληρωμών. 3.2 Η τεχνολογία Radio Frequency Identification (RFID) H τεχνολογία Radio frequency identification (RFID) είναι μια ασύρματη τεχνολογία που επιτρέπει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ ενός RFID reader (αναγνώστης) και μιας ηλεκτρονικής RFID ετικέτας (RFID Tag) μέσω ραδιοκυμάτων. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα βοηθούν στη μεταφορά των δεδομένων έτσι ώστε ο reader να μπορεί να διαβάσει ή να γράψει δεδομένα από και προς το RFID tag. Η αρχιτεκτονική ενός RFID συστήματος φαίνεται στην επόμενη η εξής (Εικόνα 16): Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 46

47 Εικόνα 16. Αρχιτεκτονική ενός RFID συστήματος Το σύστημα τίθεται σε λειτουργία όταν ένα RFID Tag βρεθεί εντός της εμβέλειας του reader. Στο σημείο αυτό ενεργοποιείται το εσωτερικό του κύκλωμα και ξεκινάει η μεταφορά των δεδομένων. Ένα RFID tag αποτελείται από ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC-Integrated Circuit) και μια κεραία (antenna). Το κύκλωμα είναι υπεύθυνο για την αποθήκευση και την επεξεργασία των δεδομένων όπως επίσης και για τη διαμόρφωση / αποδιαμόρφωση του ραδιοκύματος (RF Signal). Η κεραία με τη σειρά της είναι υπεύθυνη για την αποστολή και τη λήψη του σήματος. Τα RFID Tags (Εικόνα 17) χωρίζονται σε δύο παθητικά. κατηγορίες, στα ενεργά και στα Ενεργά RFID tag: Τα ενεργά tags έχουν ενσωματωμένο ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα και μια κεραία, και διαθέτουν μια πηγή ενέργειας. Η πηγή ενεργοποιεί το κύκλωμα ώστε να παραχθεί το σήμα που θα αποσταλεί. Τα ενεργά RFID tags έχουν μεγαλύτερη εμβέλεια και μεγαλύτερη μνήμη σε σχέση Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 47

48 με τα παθητικά και το μέγεθός τους είναι σαφώς μεγαλύτερο από αυτό των παθητικών λόγω της ύπαρξης πηγής ενέργειας [6]. Παθητικά RFID tag: Τα παθητικά RFID tags έχουν, παρομοίως με τα ενεργά, ενσωματωμένο ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα και μία κεραία. Η έλλειψη πηγής ενέργειας είναι ο λόγος που λειτουργεί παθητικά. Το παθητικό tag ενεργοποιείται όταν δεχτεί το ραδιοκύμα ώστε να στείλει και αυτό με τη σειρά του την απάντηση μέσω της κεραίας. Λόγω της έλλειψης πηγής ενέργειας είναι μικρά σε μέγεθος και η τιμή τους στην αγορά είναι πολύ χαμηλή. Αξίζει να αναφερθεί ότι η διάρκεια ζωής τους είναι μεγάλη [6]. Εικόνα 17. RFID tag 3.3 Ανέπαφες «Έξυπνες» Κάρτες Οι ανέπαφες «Έξυπνες» Κάρτες (Smart Cards) (Εικόνα 18), είναι κάρτες οι οποίες λειτουργούν χωρίς να έρθουν σε επαφή (απόσταση ανάλογη του τύπου καρτών) με κάποια εξωτερική συσκευή. Αποτελούνται από ένα microchip και μια κεραία μέσω Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 48

49 της οποίας πραγματοποιείται η ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ κάρτας και αναγνώστη (reader). Στις smart cards οι πληροφορίες αποθηκεύονται στο microchip το οποίο διαθέτει έναν μικροεπεξεργαστή με τους απαραίτητους μηχανισμούς ασφαλείας και τη δικιά του εσωτερική μνήμη. Η ενέργεια που χρειάζεται η κάρτα για να ενεργοποιηθεί παράγεται από την κεραία μέσω της δημιουργίας ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Η κεραία είναι υπεύθυνη για την αποστολή και λήψη των δεδομένων μεταξύ της εξωτερικής συσκευής και της κάρτας. Οι readers κάνοντας χρήση της τεχνολογίας RFID δημιουργούν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο έτσι ώστε όταν πλησιάσει μία κάρτα η ενέργεια του πεδίου θα μεταφερθεί μέσω της κεραίας στο microchip. Μέσω της διαδικασίας αυτής έχει δημιουργηθεί ασύρματη διασύνδεση και είναι εφικτή η μεταφορά και αποθήκευση δεδομένων από την εξωτερική συσκευή στην κάρτα. Εικόνα 18. Δομή Contactless Smartcard Οι ανέπαφες smart cards βρίσκουν εφαρμογή σε διαδικασίες που απαιτούν την ύπαρξη απορρήτου όπως οι πληροφορίες για την υγεία κάποιου ή στοιχεία ταυτοποίησης. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για γρήγορες συναλλαγές και ως ηλεκτρονικό διαβατήριο παρέχοντας υψηλή ασφάλεια στα δεδομένα που ανταλλάσσονται και αποθηκεύονται στην κάρτα κάνοντας χρήση ισχυρών κρυπτογραφικών κλειδιών. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 49

50 Οι contactless smart cards είναι διαθέσιμες σε πλαστικές κάρτες, ρολόγια, μπρελόκ και φυσικά σε mobile συσκευές διότι το NFC δίνει τη δυνατότητα να λειτουργούν ως εξομοιωτές έξυπνης κάρτας. Μέχρι σήμερα υπάρχουν 3 πρότυπα «έξυπνων» καρτών.[6] ISO/IEC Closing Coupling Smart Cards. Το συγκεκριμένο πρότυπο έχει τίτλο Identification Cards-Contactless Integrated Circuit Cards και ορίζει τη δομή και τη λειτουργία των καρτών μικρής εμβέλειας. Οι συγκεκριμένες κάρτες λειτουργούν σε απόσταση μικρότερη του 1 εκατοστού. ISO/IEC Proximity Coupling Smart Cards. Το συγκεκριμένο πρότυπο έχει τίτλο Identification Cards-Proximity Integrated Circuit Cards ορίζοντας την δομή και τη λειτουργία των καρτών εγγυημένης ζεύξης. Σύμφωνα με το πρότυπο οι έξυπνες κάρτες λειτουργούν σε απόσταση μικρότερη των 5 εκατοστών στη συχνότητα των MHZ και είναι ο τύπος καρτών που χρησιμοποιείται στο NFC. Τα βασικότερα είδη τέτοιων Smart Cards είναι οι MIFARE, και FeLiCA. o MIFARE: H MIFARE κατασκευάστηκε από την ΝΧP και υπόκειται στο πρότυπο ISO/IEC Type A. Από το 2011 η MIFARE κατέχει το 80% του συνολικού αριθμού ανέπαφων Smart Cards που χρησιμοποιούνται σε παγκόσμιο επίπεδο. Λειτουργεί στη συχνότητα των 13,56 MHz και έχει διάφορα μεγέθη μνήμης. H οικογένεια καρτών MIFARE περιέχει διαφόρους τύπους καρτών όπως Ultralight, Standard, Desfire, Classic, Plus και SmartMX. Οι σημαντικότερες, έως τώρα, εφαρμογές της είναι σε συστήματα εισιτηρίων Μέσων Μαζικής Μεταφοράς, στις ηλεκτρονικές πληρωμές, σε έλεγχο πρόσβασης σε χώρους που απαιτούν έλεγχο, σε σταθμούς διοδίων καθώς και σε εφαρμογές loyalty. o FeLiCA: Κατασκευάστηκε από τη Sony και λειτουργεί στη συχνότητα των Mhz όπως προβλέπει και το πρότυπο ISO/IEC του NFC. Η Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 50

51 Sony έκανε αίτηση για να εγκριθεί η FeLiCA υπό το ISO/IEC 14443, αλλά απορρίφθηκε. H FeLiCA προσφέρει ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων στα 212 kbps. ISO/IEC Vicinity Coupling Smart Cards. Το συγκεκριμένο πρότυπο έχει τίτλο Identification Cards-Contactless Integrated Circuit Cards-Vicinity Cards το οποίο ορίζει τη δομή και τη λειτουργία των καρτών ευρείας περιοχής. Οι κάρτες έχουν εμβέλεια 1 μέτρο και λειτουργούν στη συχνότητα των MHZ. To συγκεκριμένο πρότυπο έχει 4 μέρη: τα φυσικά χαρακτηριστικά, την προετοιμασία για την ασύρματη σύνδεση, το πρωτόκολλο για την αποφυγή συγκρούσεων και το πρωτόκολλο μεταφοράς. Η ανταλλαγή των δεδοµένων στις ανέπαφες Smart Cards πραγµατοποιείται µε την χρήση Application Protocol Data Unit (APDU) µηνυµάτων σύµφωνα µε το πρότυπο ISO/IEC Τα µηνύµατα αυτά, διαχωρίζονται στις εξής δύο κατηγορίες, στα Μηνύματα εντολής - command APDU από τον reader Μηνύµατα απόκρισης - response APDU από τη Smart Card. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 51

52 Εικόνα 19. Μορφή APDU µηνυµάτων εντολής και απόκρισης Στη µορφή των µηνυµάτων εντολής APDU, το CLA αποτελεί την κλάση της οδηγίας, το INS τον κώδικα της οδηγίας που πρέπει να εκτελεστεί, το P1 και P2 τις παραμέτρους για την συγκεκριμένη οδηγία που παρέχουν επιπλέον πληροφορίες, το Lc το µέγεθος των δεδοµένων της εντολής, τα Data τα δεδοµένα και οι παράµετροι της συγκεκριμένης οδηγίας και τέλος το Le το µέγεθος των δεδοµένων που αναμένονται από την απόκριση. Στη µορφή των µηνυµάτων απόκρισης APDU, τα Data αποτελούν τα δεδοµένα απόκρισης στην οδηγία της εντολής όπου σε περίπτωση λάθους είναι κενά καθώς και τα SW1 και SW2 που προσδιορίζουν την επιτυχή ή µη κατάσταση της απόκρισης στην εντολή, δηλαδή το εάν έλαβε ή όχι την αναμενόμενη απόκριση η εντολή. [7][11] 3.4 Η τεχνολογία Near Field Communication (NFC) Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη ενότητα, η τεχνολογία Near Field Communication (NFC) αποτελεί εξέλιξη της Radio Frequency Identification (RFID) ως αµφίδροµη τεχνολογία σύζευξης. Παρέχει τη δυνατότητα µεταφοράς δεδοµένων µε ρυθµούς 106, 212 και 424 kbps σε απόσταση από 4 εως και 10 εκατοστά και µε ισχύ σήµατος MHZ. Μπορούν να υπάρξουν 3 ειδών συσκευών που ενσωματώνουν NFC: τα NFC tags, οι NFC αναγνώστες-nfc readers και τα NFC κινητά τα οποία ανάλογα µε το εάν προκαλούν, δηλαδή αν αποτελούν τους εκκινητές της διάδρασης ή τους αποδέκτες, διαδραµατίζουν αντίστοιχα ενεργά ή παθητικά µέρη στη διαδικασία επικοινωνίας. Ο διαχωρισµός αυτός συµβαίνει και αφορά το κατά πόσο µια NFC συσκευή χρησιµοποιεί τη δική της πηγή ενέργειας για τη δηµιουργία RF πεδίου. Κατά τον ενεργό τρόπο λειτουργίας και οι δύο NFC συσκευές παράγουν πεδίο για να ανταλλάξουν δεδοµένα. Αντίστοιχα, κατά τον παθητικό τρόπο λειτουργίας ο εκκινητής είναι αυτός που παράγει RF πεδίο ενώ ο αποδέκτης χρησιµοποιεί την Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 52

53 ενέργεια από πεδίο του εκκινητή. Κατ' επέκταση, ένα NFC tag το οποίο δεν διαθέτει δική του εσωτερική πηγή ενέργειας λειτουργεί αποκλειστικά ως παθητικό µέρος στη διάδραση όπως συµβαίνει και στην περίπτωση του RFID και επαφίεται στην ενέργεια από το πεδίο του NFC κινητού ή του NFC reader για την ανταλλαγή δεδοµένων [7] [8] Ιστορική Αναδρομή Το NFC (Near Field Communication) αναπτύχθηκε το 2004 από το NFC Forum, το οποίο είναι ένας μη κερδοσκοπικός οργανισμός, και συγκεκριμένα από τις εταιρίες Nokia και Sony. Το NFC Forum καθόρισε τις τεχνικές προδιαγραφές και την αρχιτεκτονική που πρέπει να εφαρμόζονται σε κάθε συσκευή που είναι συμβατή με το ΝFC. Σκοπός του NFC Forum είναι η δημιουργία εφαρμογών και λύσεων βασισμένων στην τεχνολογία NFC. Το 2004, στο ξεκίνημα του το NFC Forum είχε 140 εγγεγραμμένα μέλη ενώ υπολογίζεται πως μέχρι σήμερα τα εγγεγραμμένα μέλη υπερβαίνουν τα 170. Το 2006 ανακοίνωσε επίσημα την αρχιτεκτονική της τεχνολογίας NFC για τις συσκευές και τις «έξυπνες» ετικέτες (NFC Tag), οι οποίες χρησημοποιούν το NFC προσελκύοντας έτσι οργανισμούς όπως ο GSMA (GSM Association), EMVCo και ο Smart Card Alliance. Το Forum υπογράφοντας συμφωνίες με τους παραπάνω οργανισμούς κατάφερε να κατοχυρώσει τις απαιτούμενες τεχνικές προδιαγραφές για τη σωστή και ασφαλή χρήση του NFC. Την ίδια χρονιά, η Nokia κυκλοφόρησε το πρώτο κινητό τηλέφωνο που υποστήριζε NFC, το μοντέλο Νokia To 2009 το NFC Forum ανακοίνωσε τα πρότυπα για την Peer-to-Peer επικοινωνία, την μεταφορά επαφών, url και την εκκίνηση Bluetooth επικοινωνίας. Μετά από ένα χρόνο, το 2010 η Samsung κυκλοφόρησε το πρώτο κινητό τηλέφωνο NFC με λειτουργικό Android, το μοντέλο Nexus S. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 53

54 Εικόνα 20. Λογότυπο NFC Εισαγωγή στην τεχνολογία NFC Το πρότυπο βάσει του οποίου λειτουργούν και επιτυγχάνεται επικοινωνία µεταξύ των NFC συσκευών είναι το NFCIP (Near Filed Communication Interface and Protocol) και διαχωρίζεται σε δύο επιμέρους µέρη το NFCIP-1 και το NFCIP-2. To NFCIP-1 ως πρότυπο περιγράφεται στο ISO/IEC 18092, ECMA 340 και στο ETSI TS και καθορίζει τους τρόπους επικοινωνίας της NFC (όπως συσκευή µε συσκευή peer to peer και ενεργού-παθητικού µεταξύ δυο NFC συσκευών) καθώς και τεχνικά χαρακτηριστικά στο επίπεδο της ραδιοσυχνότητας RF. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά στο RF-επίπεδο που καθορίζει, αφορούν τη διεπαφή επικοινωνίας σήµατος RF και τα πρωτόκολλα ενεργοποίησης της επικοινωνίας-µεταφοράς και ανταλλαγής των δεδοµένων καθώς και απενεργοποίησης της επικοινωνίας. Επίσης, καθώς το RFεπίπεδο της NFC κληρονοµήθηκε από τα προηγούµενα ISO/IEC 1443Ο (που αφορά κυρίως τις Smart Cards) και ISO/IEC 15693, το καθιστά συµβατό µε αυτά. Το NFCIP-2 ως πρότυπο περιγράφεται στο ISO/IEC 2181, ECMA 352 και στο ETSI TS και καθορίζει το µηχανισµό εναλλαγής των τρόπων επικοινωνίας για συσκευές που επικοινωνούν βάσει των προτύπων ISO/IEC 18092(NFCIP-1), ISO/IEC 1443Ο και ISO/IEC και λειτουργούν µε ισχύ σήµατος MHZ. Ουσιαστικά, Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 54

55 το πρότυπο επικοινωνίας NFCIP αποτελεί ένα συγκερασμό προηγούμενων προτύπων παγιώνοντας προδιαγραφές και ενσωματώνοντας καινούργια τεχνικά χαρακτηριστικά.[8] 3.5 Πρότυπα NFC Ο οργανισμός µε τη µεγαλύτερη και σηµαντικότερη συνεισφορά στη διάδοση και προτυποποίηση της NFC τεχνολογίας είναι το NFC Forum, όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη παράγραφο. Με την συµβολή του στη δηµιουργία διάφορων τεχνικών προδιαγραφών, στον τρόπο λειτουργίας της NFC επικοινωνίας, προσπαθεί να διασφαλίσει την διαλειτουργικότητα µεταξύ NFC συσκευών διαφορετικών κατασκευαστών. [9] Πρότυπο ανταλλαγής µηνυµάτων Σύµφωνα µε το πρότυπο επικοινωνίας του NFC Forum, οι συσκευές NFC επιτυγχάνουν ανταλλαγή µηνυµάτων σε µορφή NDEF (NFC Data Exchange Fomat). Τα NDEF µηνύµατα αποτελούν δυαδικές µορφές που εµπεριέχουν µια ή περισσότερες εγγραφές(records) σε ένα ενιαίο φορτίo εφαρµογής (payload) όπως αποτυπώνεται στην εικόνα 21. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 55

56 Εικόνα 21. Σύνολο εγγραφών NDEF µηνύµατος - Μορφή NDEF εγγραφής Ουσιαστικά, οι NDEF εγγραφές αποτελούν τις µονάδες µεταφοράς του φορτίου εφαρµογής σε ένα NDEF µήνυµα και για να περιγράψουν το φορτίο τους κάνουν χρήση 3 βασικών παραµέτρων το µήκος του φορτίου (PAYLOAD LENGTH), τον τύπο του φορτίου (TYPE) και προαιρετικά τον ταυτοποιητή του φορτίου (ID).Το µήκος του φορτίου (PAYLOAD LENGTH) προσδιορίζει τον συνολικό αριθµό των οκτάδων του φορτίου της εφαρµογής και καθορίζεται από το πεδίο SR, ο τύπος του φορτίου προσδιορίζει τον τύπο του φορτίου (όπως URIs, MIME mediα κ.α.) ώστε το φορτίο να διαχειριστεί από την κατάλληλη εφαρµογή και τέλος ο ταυτοποιητής του φορτίου επιτρέπει την αναγνώριση του φορτίου στην NDEF εγγραφή από την εφαρµογή. Τα συστατικά στοιχεία µίας NDEF εγγραφής απεικονίζονται αναλυτικά στην Εικόνα 21 και είναι MB (Message Begin), ME (Message End), CF (Chunk Flag), SR (Short Record), IL, TNF (Type Name Format), TYPE LENGTH, ID LENGTH, PAYLOAD LENGTH, TYPE και ID PAYLOAD. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 56

57 Τα MB (Message Begin) και ME (Message End) είναι πεδία ενός bit και προσδιορίζουν την αρχή και αντίστοιχα το τέλος ενός NDEF µηνύµατος. Το CF(Chunk Flag), SR(Short Record) καθώς και το IL είναι και αυτά πεδία ενός bit όπου το CF προσδιορίζει εάν µια εγγραφή είναι εναρκτήρια ή ενδιάµεση στη διαδοχή των εγγραφών, το SR ότι το πεδίο του µήκος του φορτίου (PAYLOAD LENGTH) είναι µια µονή οκτάδα και το IL ότι το πεδίο ID LENGTH υφίσταται στην κεφαλή ως µονή οκτάδα. Το TNF είναι πεδίο τριών bit και αναπαριστά τη δομή του πεδίου TYPE δηλαδή τον τύπο του φορτίου. Τα TYPE LENGTH και ID LENGTH είναι πεδία 8 bit όπου καθορίζουν το µέγεθος σε οκτάδες των πεδίων TYPE και ID αντίστοιχα. Τέλος το NFC Forum καθορίζει διαφορετικούς τύπους NDEF εγγραφών - NDEF Record Types (RTD) που ξεχωρίζουν µεταξύ τους βάση του ονόματος τους (record type name). Το γεγονός αυτό συμβαίνει, ώστε οι εφαρμογές που χειρίζονται τα NDEF µηνύµατα να µπορούν να αναγνωρίζουν στοιχεία που αφορούν τη δοµή και τη σημασιολογία του περιεχομένου στην εγγραφής. Η τροποποίηση ενός RTD πραγματοποιείται στην κεφαλή της εγγραφής στο πεδίο TNF. [7][10] NFC Forum Tags Μια άλλη προσθήκη του NFC Forum στην τεχνολογία NFC είναι ο καθορισμός τεσσάρων ειδών NFC ετικετών εκ των οποίων η καθεμία διαθέτει διαφορετική χωρητικότητα και µορφοποίηση. Η µορφοποίησή τους στηρίζεται στα ISO/IEC τύπου Α και Β και FEliCa. Οι πρώτοι δυο τύποι NFC ετικέτας στηρίζονται στο ISO/IEC τύπου Α, διαθέτουν ταχύτητα επικοινωνίας στα 106kbps, µπορούν να είναι εγγράψιμοι ή και για ανάγνωση καθώς επίσης µπορούν να κλειδωθούν ώστε να είναι µόνο για ανάγνωση. Η διαφορά µεταξύ των ετικετών τύπου 1 και 2 είναι η χωρητικότητά τους όπου το τύπου 1 διαθέτει µνήµη έως 1ΚΒ ενώ η τύπου 2 µέχρι 2ΚΒ. Η NFC ετικέτα τύπου 3 στηρίζεται στη FEliCa(Smart Card) διαθέτει µνήµη 2ΚΒ και ταχύτητα επικοινωνίας 212kbps. Τέλος, η NFC ετικέτα τύπου 4 στηρίζεται στο ISO/IEC τύπου Α και Β διαθέτει µνήµη έως 32ΚΒ, ταχύτητα επικοινωνίας από 106 εώς 424 kbps και µπορεί Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 57

58 να είναι εγγράψιµη ή µόνο για ανάγνωση, γεγονός που καθορίζεται κατά τη διαδικασία της κατασκευής. [7][10] 3.6 Τρόποι λειτουργίας NFC συσκευών Η τεχνολογία NFC, µοιράζεται όπως αναφέραμε κάποια κοινά χαρακτηριστικά µε την RFID σε επίπεδο εμβέλειας, εύρους ζώνης και εγκαθίδρυσης επικοινωνίας. Παρ όλα αυτά, σε αντίθεση µε την RFID, η NFC δεν έχει έναν και μόνο αποκλειστικό ρόλο λειτουργίας καθώς οποιαδήποτε κινητή συσκευή ενσωματώνει NFC είναι σε θέση να λειτουργήσει µε 3 διαφορετικούς τρόπους, οι οποίοι είναι οι εξής: Λειτουργία Ανάγνωσης/Εγγραφής, Peer to Peer Card Emulation. H επικοινωνία µεταξύ των συσκευών πραγματοποιείται µε την ανταλλαγή µηνυµάτων σε µορφή NFC Data Exchange Fomat (NDEF) όταν αυτά λετουργούν σε Λειτουργία Ανάγνωσης/Εγγραφής (Read/Write) και Peer to Peer, σύµφωνα µε την προτυποποίηση του NFC Forum. Ενώ, κατά την επικοινωνία σε Card Emulation, οι συσκευές ανταλλάσσουν µηνύµατα σε µορφή Application Protocol Data Unit (APDU). [7] [8] [10] Λειτουργία Ανάγνωσης/Εγγραφής Το ΝFC επιτρέπει την εγγραφή και ανάγνωση δεδομένων από ένα NFC κινητό τηλέφωνο σε ένα NFC tag. Σε αυτή την περίπτωση έχουμε ως πομπό (initiator) το κινητό τηλέφωνο και ως δέκτη (target) το NFC tag. Η συσκευή όταν έρθει στην απόσταση που ορίζει το NFC πρωτόκολλο, δηλαδή μικρότερη των 5 εκατοστών, μπορεί μέσω μίας εφαρμογής να διαβάσει ή να γράψει δεδομένα από και προς το tag αντίστοιχα. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 58

59 Όπως απεικονίζεται στην εικόνα 22 µια NFC συσκευή παράγει RF πεδίο του οποίου η διεπαφή επικοινωνίας είναι συµβατή µε το ISO/IEC τύπου Α και Β και FeLiCa το οποίο µπορεί να ενεργοποιήσει όλους τους τύπους NFC Forum ετικετών 1 εώς 4 και να ανταλλάσσουν µηνύµατα σε NDEF µορφή. Εικόνα 22. Ο τρόπος λειτουργίας Ανάγνωσης/Εγγραφής H χρησιμότητα της λειτουργίας αυτής είναι σημαντική διότι αυτοματοποιούνται διαδικασίες, όπως για παράδειγμα η διαδικασία ανοίγματος του περιηγητή και η είσοδος σε μια ηλεκτρονική διεύθυνση, οι οποίες πραγματοποιούνται με ένα απλό άγγιγμα (touch) του tag. Οι περιπτώσεις χρήσης είναι πάρα πολλές και αυξάνονται συνεχώς καλύπτοντας ανάγκες επικοινωνίας και αυτοματοποίησης καθημερινών ενεργειών-συνηθειών μέσω έξυπνων κινητών τηλεφώνων (smartphones) Λειτουργία Peer to Peer Η Peer-to-Peer (σημείο-προς-σημείο) επικοινωνία επιτρέπει σε δύο συσκευές να συνδεθούν μεταξύ τους και να ανταλλάξουν δεδομένα αυτόματα όταν βρεθούν σε απόσταση μικρότερη των 5 εκατοστών. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 59

60 Εικόνα 23. Τρόπος λειτουργίας Peer-to-Peer Η διεπαφή επικοινωνίας του RF πεδίου είναι συµβατή µε το πρότυπο NFCIP-1 (Near Field Communication Interface Protocol) και οι συσκευές µεταξύ τους πραγµατοποιούν την ανταλλαγή των δεδοµένων σε µορφή NDEF, όπως εµφανίζεται στην εικόνα 23. Σε αυτό τον τρόπο λειτουργίας το NFC Forum εισήγαγε το Logical Link Control Protocol(LLCP) ως προσθήκη στις λειτουργίες αµφίδροµης επικοινωνίας που περιγράφονται στο NFCIP-1 µε στόχο να ισχυροποιήσει τη λειτουργία. Στον Peer-to- Peer τρόπο λειτουργίας καθώς και οι δύο συσκευές είναι ενεργές τίθεται το ζήτημα το ποια συσκευή θα διαδραματίζει το ρόλο του εκκινητή και ποια το ρόλο του δέκτη. Το NFCIP-1 πρότυπο σε γενικές γραµµές ορίζει ότι οι ρόλοι καθορίζονται πριν την εγκαθίδρυση της επικοινωνίας καθώς όµως το LLCP αντιµετωπίζει ισάξια τις δύο συσκευές η διαφοροποίηση των ρόλων επαφίεται στην επιλογή που γίνεται σε επίπεδο εφαρµογής. H Google ήδη από την έκδοση 4 του Android ενσωμάτωσε την εφαρμογή Android Beam (Εικόνα 24) η οποία κάνει χρήση της peer-to-peer σύνδεσης για Android NFC κινητά για την ανταλλαγή φωτογραφιών, κειμένων, επαφών και πολλών άλλων αρχείων. Εικόνα 24. Λειτουργία Android Beam για peer-to-peer επικοινωνία. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 60

61 3.6.3 Card Emulation Mode Ένα κινητό τηλέφωνο NFC μπορεί επίσης να παίξει το ρόλο της έξυπνης κάρτας (Smart Card) που λειτουργεί χωρίς επαφή (contactless smart card). Οι συσκευές που λειτουργούν ως κάρτες μπορούν να εξομοιώσουν όλους τους τύπους καρτών εκτελώντας όλες τις λειτουργίες και συναλλαγές που είναι εφικτό να πραγματοποιηθούν με τις έξυπνες κάρτες. Εικόνα 25. Τρόπος λειτουργίας Card Emulation Όπως απεικονίζεται στην εικόνα 25, η διεπαφή επικοινωνίας του RF πεδίου είναι συµβατή µε το το ISO/IEC τύπου Α και Β και FeLiCa και το ρόλο του εκκινητή το διαδραματίζει η συσκευή ανάγνωσης (NFC reader) όπως ακριβώς και στην περίπτωση της Smart Card. Το παράδοξο σε αυτό τον τρόπο λειτουργίας αποτελεί το γεγονός ότι η NFC συσκευή είναι ενεργή αλλά καθώς λειτουργεί ως Smart Card λειτουργεί παθητικά. Με τον συγκεκριμένο τρόπο η κινητή συσκευή με NFC είναι σε θέση να εκτελέσει όλες τις λειτουργίες και συναλλαγές που είναι εφικτό να πραγματοποιηθούν με τις έξυπνες. 3.7 NFC Tags Ένα NFC Tag είναι στην πραγματικότητα μια παθητική RFID ετικέτα. Σε ένα NFC Tag μέχρι στιγμής μπορεί να αποθηκευτεί μικρός όγκος δεδομένων. Λόγω του ότι είναι σε παθητική μορφή λειτουργίας, για να ενεργοποιηθεί το Tag αρκεί μόνο να έρθει σε επαφή με ένα κινητό τηλέφωνο NFC ή με έναν αναγνώστη (NFC Reader). Η συσκευή αυτή θα δημιουργήσει το ηλεκτρομαγνητικό κύμα στο οποίο θα μεταφερθεί το αίτημα και το Tag Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 61

62 με τη σειρά του θα επιστρέψει τα δεδομένα. Σε αυτό το σημείο πρέπει να σημειωθεί ότι το πρωτόκολλο ορίζει ότι μόνο ένα Tag μπορεί να συμμετέχει στη διαδικασία και όχι περισσότερα. Στα Tags μπορούν να αποθηκευτούν όλοι οι τύποι δεδομένων με τη διασφάλιση πάντα του περιορισμένου χώρου αποθήκευσης. Το NFC Forum όρισε τέσσερις τύπους Tag: Type 1, Type 2, Type 3, Type 4. Κάθε τύπος κάρτας-tag, όπως θα αναφερθεί αναλυτικότερα παρακάτω, έχει τη δική του διαμόρφωση και χωρητικότητα. Type 1: To NFC Tag Type 1 είναι βασισμένο στο πρότυπο ISO/IEC Type A και επιτρέπει λειτουργίες ανάγνωσης και εγγραφής δεδομένων. Τα δεδομένα που έχουν αποθηκευτεί στο Tag μπορούν να τροποποιηθούν εκτός και αν έχει τεθεί σε λειτουργία ανάγνωσης μόνο (read only). Το μέγεθος της μνήμης του συγκεκριμένου τύπου Tag περιορίζεται σε χωρητικότητες από 96bytes μέχρι και 2KB. Η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων που προσφέρει είναι 106 kbps. Type 2: To NFC Tag Type 2 είναι βασισμένο στο πρότυπο ISO/IEC Type A και επιτρέπει λειτουργίες ανάγνωσης και εγγραφής δεδομένων. Τα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στο Tag μπορούν να τροποποιηθούν εκτός αν το Tag είναι σε λειτουργία μόνο ανάγνωσης (read-only). Το μέγεθος της μνήμης του συγκεκριμένου τύπου Tag περιορίζεται σε χωρητικότητες από 48bytes μέχρι και 2KB. Η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων είναι ίδια με του Type 1 στα 106 kbps. Type 3: Το NFC Tag Type 3 βασίζεται στην Sony Felica (ανέπαφη smart card) και έχει μεταβλητή χωρητικότητα με μέγιστη τo 1MB. Προσφέρει μεγαλύτερη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων στα 212 και 424 kbps. Ο συγκεκριμένος τύπος Tag προορίζεται για πιο σύνθετες εφαρμογές και είναι αρκετά πιο ακριβός από τους υπόλοιπους τύπους. Type 4: Το NFC Tag Type 4 είναι συμβατό με το πρότυπο ISO/IEC Type A και Type B. H διαφορά του από τα υπόλοιπα είναι ότι είναι διαμορφωμένο εργοστασιακά. Κατά την κατασκευή του προγραμματίζεται το αν προορίζεται για εγγραφή (write mode) ή για ανάγνωση μόνο (read-only mode). Έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα 32ΚΒ και μεγαλύτερη ταχύτητα στα 424 kbps. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 62

63 Εικόνα 26. NFC tag 3.8 NFC Αναγνώστης (NFC Reader) Ένας NFC Reader (NFC αναγνώστης) είναι μια ενεργή συσκευή NFC η οποία μπορεί να είναι εσωτερική ή εξωτερική. Ένας εσωτερικός αναγνώστης μπορεί να ενσωματωθεί σε ένα κινητό τηλέφωνο NFC ώστε να εκτελεί διαδικασίες ανάγνωσης/εγγραφής από και προς το Tag. Ένα κινητό τηλέφωνο με εσωτερικό αναγνώστη είναι πάντα ενεργό ώστε να παράγει το δικό τoυ μαγνητικό πεδίο το οποίο είναι απαραίτητο για τη διασύνδεση μεταξύ ενός Tag ή ενός δεύτερου τηλεφώνου. Τέλος υπάρχει και ο εξωτερικός ΝFC reader (Εικόνα 27) που χρησιμοποιείται για ανάγνωση/εγγραφή καρτών όπως επίσης για την πραγματοποίηση χρηματικών συναλλαγών. Εικόνα 27. NFC reader Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 63

64 4 Η Αρχιτεκτονική του NFC Η χρήση και ενσωμάτωση της τεχνολογίας NFC στις κινητές συσκευές και κυρίως στα έξυπνα τηλέφωνα, διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη διαφόρων εφαρμογών (μεταφορά δεδομένων, παροχή πληροφοριών, πραγματοποίηση συναλλαγών κ.α.). Μέσω της αξιοποίησης των δυνατοτήτων που προσφέρει η τεχνολογία λόγω της αµφίδροµα ανέπαφης σύζευξης η οποία λειτουργεί βοηθητικά σε επίπεδο διάδρασης, καθιστούν την τεχνολογία ιδανική για την εύκολη ανταλλαγή δεδομένων-πληροφοριών. Το γεγονός αυτό επικυρώνεται από το έντονο ενδιαφέρον των εταιρειών κατασκευής κινητών τηλεφώνων όπου τα τελευταία χρόνια παρουσιάζουν στην αγορά όλο και περισσότερα µοντέλα έξυπνων κινητών (smartphones) και φορητών συσκευών που ενσωματώνουν την τεχνολογία NFC. Παρ όλα αυτά, για να προσελκύσει έντονο ενδιαφέρον σαν τεχνολογία μεταφοράς προσωπικών δεδομένων χρειάστηκε να διευθετηθούν ζητήματα κυρίως ασφαλείας. Το γεγονός ότι το µαγνητικό πεδίο είναι µικρής εμβέλειας µπορεί να παρέχει ασφάλεια µέχρι ένα βαθµό αλλά δεν παρέχει κάλυψη σε επίπεδο κρυπτογράφησης. Το βασικό ζήτηµα ασφάλειας ξεπεράστηκε µε τη διαμόρφωση µιας συγκεκριμένης αρχιτεκτονικής στο εσωτερικό των συσκευών. Η αρχιτεκτονική αυτή αφορά την ενσωμάτωση ασφαλών στοιχείων hardware και συγκεκριµένα του Secure Element (SE). Με τον τρόπο αυτό, η σύµπραξη της NFC µε το SE αποτελούν ιδανικό συνδυασμό για την πραγματοποίηση NFC εφαρμογών µε ασφάλεια. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 64

65 4.1 Η Αρχιτεκτονική του NFC Η βασική NFC αρχιτεκτονική των κινητών συσκευών αποτελείται από 4 µέρη το Baseband ή Host Controller, το NFC Controller, το Secure Element (SE) και την NFC κεραία καθώς επίσης και διεπαφές που τους επιτρέπει να επικοινωνούν µεταξύ τους (Εικόνα 28). Το Baseband ή Host Controller αναπαριστά το υλικό της συσκευής που είναι απαραίτητο για να εκτελεστεί το λειτουργικό και οι διάφορες εφαρµογές σε αυτό. Το Baseband ή Host Controller είναι αυτό που πραγµατοποιεί την επεξεργασία των ανταλλασσόμενων δεδομένων, επιτρέπει την σύνδεση του NFC Controler µε το Secure Element και εναλλάσσει κατά περίπτωση τους τρόπους λειτουργίας του NFC Controler. Συνήθως είναι ευάλωτο σε κακόβουλες επιθέσεις καθώς δεν εφαρμόζει µέτρα για υψηλό επίπεδο ασφάλειας. Εικόνα 28. Η Αρχιτεκτονική ενός NFC συστήματος. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 65

66 Ο NFC Controler είναι ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα(ic), λειτουργεί συµπληρωµατικά στο Baseband ή Host Controller και λειτουργεί ως διασύνδεση ώστε ο Baseband Controller να έχει πρόσβαση στην NFC κεραία. Η σύνδεση µεταξύ αυτών των δύο στοιχείων γίνεται µέσω της διεπαφής Host Controller Iterface(HCI). Το Secure Element (SE) αποτελεί το ασφαλές κοµµάτι υλικού όπου αποθηκεύονται σηµαντικά δεδοµένα, είναι ξεχωριστά από το Baseband Controller, παρ'όλα αυτά όµως µπορούν να ανταλλάξουν δεδοµένα µεταξύ τους. Το Secure Element έχει τη δική του διασύνδεση µε τον NFC Controller. H σύνδεση µεταξύ Secure Element και NFC Controler µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε διάφορους τρόπους, είτε µε τη διεπαφή Signal-in Signal-out Connection (S2C) είτε µε τη διεπαφή Single Wire Protocol (SWP). Η επιλογή για το ποια διεπαφή είναι καταλληλότερη για την επικοινωνία µεταξύ του Secure Element και του NFC Controler έχει να κάνει µε τον τρόπο µε τον οποίο ενσωµατώνεται το Secure Element σε µία κινητή συσκευή NFC. Τέλος, η υλοποίηση ανταλλαγής των δεδοµένων πραγµατοποιείται µέσω της διεπαφής NFC (NFC Interface) που αποτελεί σύµπραξη του NFC Controler, της κεραίας και του NFC Contactless Front Εnd (NFC CLF). Με αυτή την αρχιτεκτονική διασφαλίζεται ένα ασφαλές κανάλι µεταξύ της NFC κεραίας και του Secure Element προσπερνώντας το Baseband Controller που µπορεί να ενέχει κινδύνους ασφαλείας. Το ασφαλές κανάλι µεταξύ NFC κεραίας και Secure Element παρέχει τη δυνατότητα να πραγµατοποιηθούν κινητές πληρωµές καθώς επιτρέπει τη συσκευή να λειτουργήσει σε Card Emulation Mode και µια εξωτερική συσκευή ανάγνωσης να επικοινωνήσει απευθείας µε το Secure Element. Το Secure Element αποτελεί ένα ξεχωριστό από την υπόλοιπη συσκευή και ασφαλές στοιχείο υλικού-harware µε δικό του λογισµικό που αποθηκεύει µε ασφαλή τρόπο εµπιστευτικά δεδοµένα, εφαρµογές και υποστηρίζει κρυπτογραφικές λειτουργίες. Σηµαντικό χαρακτηριστικό του SE αποτελεί το γεγονός ότι η λειτουργικότητά του µπορεί να ορισθεί και να τροποποιηθεί και µετά την κατασκευή του. Η τροποποίηση αυτή όµως µπορεί να πραγµατοποιηθεί µόνο από έµπιστους διαχειριστές υπηρεσίας Trusted Service Manager (TSM), όπως οι κατασκευαστές φορητών συσκευών, οι Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 66

67 εταιρείες κινητής τηλεφωνίας - Mobile Network Operators (MNO), πάροχοι έµπιστων πληροφορικών πλατφόρµων και οι πάροχοι αξιόπιστων συναλλαγών και καρτών. [7],[10],[12],[13] 4.2 Τρόποι ενσωμάτωσης Secure Element στο Hardware Ενώ η αρχιτεκτονική της NFC τεχνολογίας έχει παγιωθεί, υπάρχουν ποικίλες πρακτικές ενσωµάτωσης του SE στο υλικό - hardware των κινητών συσκευών. Στίς επόμενες υποενότητες παρουσιάζονται οι σημαντικότερες απο αυτές.[12],[13],[14],[15],[16],[17] Universal Intergrated Circuit Card SIM Σε αυτή την περίπτωση, οι συσκευές χρησιµοποιούν ασφαλές στοιχείο τύπου Universal Intergrated Circuit Card (UICC). Το οποίο είναι μια τροποποιηµένη έκδοση της γνωστής SIM(Subscriber Identity Module) των τηλεφώνων που τις εκδίδουν οι εταιρείες κινητής τηλεφωνίας (MNO) και παρέχει ασφαλή αυθεντικοποίηση στο δίκτυο της εταιρείας, διαδραµατίζοντας ρόλο Secure Element. Στα πλαίσια αυτής της πρακτικής για την επικοινωνία µε το SE-UICC αναπτύχθηκε το πρότυπο Single Wire Protocol (SWP) το οποίο καθορίζει την επικοινωνία µεταξύ του SE-UICC και του NFC Controler. Ως µειονέκτηµατα αυτής της πρακτικής για την ευρύτερη υιοθέτησή της αποτελεί το γεγονός ότι οι περισσότερες εταιρείες κινητής δεν εκδίδουν µαζικά UICC- SIM κυρίως λόγω έλλειψης εφαρµογών που να χρησιµοποιούν το πρότυπο SWP και υψηλότερου κόστους σε σύγκριση µε τις συµβατικές SIM Ενσωµατωµένο Secure Element Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι συσκευές όπου το Secure Element είναι µη αποσπώµενο δηλαδή είναι ενσωµατωµένο µαζί µε το υπόλοιπο υλικό της συσκευής. Πολλές φορές σε αυτή την περίπτωση, µπορεί να πραγµατοποιηθεί υλοποίηση όπου Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 67

68 το chip του Secure Element ενσωµατώνει και το chip του NFC Controller. Η πρακτική του ενσωµατωµένου Secure Element αποτελεί πολύ κλειστή αρχιτεκτονική καθώς µόνο ο κατασκευαστής έχει τη δυνατότητα να διαχειριστεί το Secure Element. Η εφαρµογή αυτής της πρακτικής αποτελεί µειονεκτήµατα σε ότι αφορά τη φορητότητα του Secure Element και των δεδοµένων του καθώς σε περίπτωση αλλαγής συσκευής οι πληροφορίες που περιέχει το SE δεν θα µπορούν να είναι διαθέσιµες στη νέα συσκευή Εικονικό Secure Element - Host Card Emulation(HCE) Η περίπτωση του εικονικού Secure Element αποτελεί τη µοναδική έως τώρα περίπτωση όπου το Secure Element δεν αποτελεί κοµµάτι υλικού της κινητής συσκευής αλλά η λειτουργία του επαφίεται σε λογισµικό. Η υλοποίηση του Secure Element σε αυτού του είδους την αρχιτεκτονική πραγµατοποιείται µε τη χρήση αποµακρυσµένου ασφαλούς και έµπιστου τερµατικού σε περιβάλλον υπολογιστικού νέφους (cloud computing). Το µειονεκτήµατα της συγκεκριµένης υλοποίησης είναι ότι κατά τη διαδικασία της µεταφοράς των δεδοµένων, τα δεδοµένα διαχειρίζονται από µια εφαρµογή που τρέχει στον Baseband Controller το οποίο δεν παρέχει απολύτως ασφαλές περιβάλλον Ασφαλής microsd κάρτα Στην περίπτωση αυτή το Secure Element ενσωµατώνεται µε τη µορφή microsd κάρτας. Σε αντίθεση µε την πρακτική του Universal Intergrated Circuit Card (UICC) ως Secure Element, όπου για την επικοινωνία του UICC µε το NFC Controler απαιτείται η χρήση του προτύπου SWP, η microsd κάρτα δεν έχει κάποιο προτυποποιηµένο τρόπο επικοινωνίας µε το NFC Controller. Το γεγονός αυτό, επιτρέπει ως εναλλακτική για την επικοινωνία του Secure Element - microsd κάρτα µε το NFC Controller την ανάπτυξη µιάς εναλλακτικής εφαρµογής που θα εκτελείται στο λειτουργικό σύστηµα ως µεσολαβητής αναµετάδοσης Application Protocol Data Unit (APDU) µηνυµάτων (όπου θα έχει πρόσβαση και στα δύο µέρη). Τα µειονεκτήµατα αυτής της πρακτικής Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 68

69 είναι τα εξής: i) το γεγονός ότι η πρακτική µε τη χρήση microsd κάρτας εφαρµόζεται µόνο σε συσκευές που διαθέτουν υποδοχή για microsd κάρτα και ii) η έλλειψη προσοχής σε θέµατα κρυπτογράφησης των δεδοµένων καθώς η εφαρµογή τρέχει στο λειτουργικό σύστηµα του τηλεφώνου που είναι ευάλωτο ως περιβάλλον καθώς δεν παρέχει µέτρα υψηλού επιπέδου. 4.3 Trusted Mobile Base Το Trusted Mobile Βase αποτελεί ανερχόµενη και εξελισσόµενη τεχνολογία. Αποτελεί ξεχωριστό µέρος στον πυρήνα του υλικού της συσκευής και αφορά την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή. Συγκεκριµένα, αποτελεί ένα ασφαλές κοµµάτι µέσα στον επεξεργαστή της κινητής συσκευής. Με τον τρόπο αυτό, ο επεξεργαστής ενώ αποτελεί ένα ενιαίο µέρος υλικού (hardware) διασπάταισυστήματα σε δύο περιβάλλοντα, ένα σε κανονικό τρόπο λειτουργίας και ένα σε ασφαλή, όπου δεν έχει πρόσβαση το υπόλοιπο µέρος. Η πρόσβαση από το ένα περιβάλλον στο άλλο επιτυγχάνεται µέσω ενός µηχανισµού που λειτουργεί εποπτικά σαν διακόπτης και επιτρέπει την εναλλαγή από το ένα περιβάλλον στο άλλο. Η εφαρµογή αυτής της τεχνολογίας σε συνδυασµό µε το Secure Element µπορεί να εξασφαλίσει πιο ολοκληρωµένη ασφάλεια των δεδοµένων που ανταλλάσσονται μέσω του NFC. Άµεση εφαρµογή µπορεί να έχει στην περίπτωση του εικονικού Secure Element που τα δεδοµένα αντί να αποθηκεύονται σε υπολογιστικό σύννεφο (cloud computing) να αποθηκεύονται στο ασφαλές κοµµάτι του υλικού. Το Trusted Mobile Βase θεωρείται ότι µελλοντικά θα µπορούσε να αντικαταστήσει το Secure Element ενσωµατώνοντας τη λειτουργία του Secure Element στο ασφαλές κοµµάτι του επεξεργαστή. Επίσης, το γεγονός ότι ένα ενιαίο κοµµάτι υλικού διαχωρίζεται σε δύο διαφορετικά περιβάλλοντα, το θέτει απευθείας ως µια καλή εναλλακτική µε µικρό κόστος και άµεσα διαθέσιµη σε µεγάλο εύρος χρηστών κινητών συσκευών. [10][18][19][20] Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 69

70 5 Ασφάλεια του NFC Το γεγονός ότι η ασύρµατη τεχνολογία NFC βρίσκεται ακόµα σε εξέλιξη εγείρει σηµαντικά ζητήµατα ασφάλειας. Τα ζητήµατα αυτά αφορούν την ασφάλεια των δεδοµένων, την ιδιωτικότητα του χρήστη, την λειτουργικότητα της συσκευής, του Base Band Controller ή Host Controller, του NFC Controller, του Secure Element καθώς επίσης και τη µεταφορά των δεδοµένων µέσω της κεραίας. Τα ζητήματα αυτά µπορούν να κατηγοριοποιηθούν στις δύο παρακάτω βασικές κατηγορίες θεµάτων ασφαλείας i. σε θέµατα ασφαλείας της RFID επικοινωνίας, δηλαδή του πεδίου ii. σε θέµατα ασφαλείας που αφορούν τα κοµµάτια υλικού των NFC κινητών συσκευών. Όπως είναι αντιληπτό, προσοχή σε ζητήµατα ασφαλείας πρέπει να δοθεί σε όλα τα µέρη της NFC αρχιτεκτονικής. Ο Base Band Controler και οι εφαρµογές που τρέχουν σε αυτόν αν δεχτούν επίθεση από κακόβουλο λογισµικό θέτουν σε κίνδυνο την ιδιωτικότητα και την ασφάλεια των δεδοµένων του χρήστη αφού όλα τα δεδοµένα είναι αποθηκευµένα εκεί. Επίσης θέτουν σε κίνδυνο τη λειτουργικότητα της συσκευής, του Base Band Controller, του NFC Controller και του Secure Element καθώς οποιαδήποτε διαδικασία πραγµατοποιείται µπορεί να µπλοκαριστεί, τροποποιηθεί ή υποκλαπεί. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 70

71 Πιθανή τροποποίηση του NFC controller µπορεί να θέσει σε κίνδυνο την λειτουργικότητα NFC στην συσκευή, καθώς τα δεδοµένα που ανταλλάσσονται µέσω του σήµατος της κεραίας µπορεί να µπλοκαριστούν, τροποποιηθούν ή υποκλαπούν. Επίσης µπορεί η ροή µεταξύ του Secure Element και της εξωτερικής συσκευής ανάγνωσης ή τον Base Band Controller να αναδροµολογηθεί. Τέλος, παρότι το Secure Element αποτελεί το µοναδικό ασφαλές κοµµάτι της αρχιτεκτονικής, εάν κάποιος το αντικαταστήσει µε κάποιο άλλο τροποποιηµένο είναι σε θέση να εκµεταλλευτεί τα κενά ασφαλείας καθώς η επικοινωνία µεταξύ NFC controller και του Secure Element δεν είναι προς το παρόν απόλυτα προτυποποιηµένη. Παρακάτω παρουσιάζονται οι πιθανές επιθέσεις που µπορεί να δεχτεί µια NFC συσκευή. [10][12][13][21][22] 5.1 Υποκλοπή Δεδομένων Καθώς η επικοινωνία των NFC συσκευών πραγµατοποιείται µέσω RF κυµάτων είναι εύκολο κάποιος µε κατάλληλα µέσα να λάβει το µεταδιδόµενο σήµα. Χαρακτηριστικό της NFC τεχνολογίας αποτελεί το γεγονός ότι οι κινητές συσκευές για να επικοινωνήσουν πρέπει να βρίσκονται σε απόσταση µικρότερη από το πολύ 10 εκατοστά άρα τα ερωτήµατα που εγείρονται σε µία πιθανή υποκλοπή αφορούν την απόσταση στην οποία θα βρίσκεται ο υποκλοπέας. Παρ' όλα αυτά συγκεκριµένη απάντηση δεν µπορεί να δοθεί καθώς υπάρχει µια πληθώρα παραγόντων που διαδραµατίζουν ρόλο στη συσκευή που αποστέλλει το πεδίο, όπως χαρακτηριστικά του RF πεδίου που αφορούν την γεωµετρία της κεραίας, το φαινόµενο ασπίδας που προκαλεί η θήκη της συσκευής και το περιβάλλον που στέλνεται το σήµα. Επίσης, σηµαντικό ρόλο διαδραµατίζουν και τα χαρακτηριστικά του µέσου του υποκλοπέα όπως η γεωµετρία της κεραίας του, η ποιότητα του δέκτη και του αποκωδικοποιητή του RF σήµατος που διαθέτει καθώς και το περιβάλλον που επιχειρείται η υποκλοπή όπως το εάν παρεµβάλουν µεταλλικά εµπόδια ή θόρυβος. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 71

72 Επιπλέον, σηµαντικός παράγοντας σε περίπτωση υποκλοπής αποτελεί ο τρόπος µε τον οποίο λειτουργεί η συσκευή που δέχεται επίθεση. Ο τρόπος µε τον οποίο µεταδίδονται τα δεδοµένα εάν η συσκευή εκπέµπει το RF πεδίο ή το δέχεται είναι διαφορετικός. Όταν η συσκευή στέλνει δεδοµένα, δηλαδή είναι ενεργή, υποκλοπή µπορεί να πραγµατοποιηθεί ευκολότερα ενώ στην περίπτωση που είναι δέκτης του κύµατος είναι δυσκολότερο, και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ανάλογα µε το αν λειτουργεί ενεργά ή παθητικά το σήµα εκπέµπεται µε διαφορετικό τρόπο. 5.2 Τροποποίηση δεδοµένων Στην περίπτωση της τροποποίησης των δεδοµένων (Data modification) αυτός που πραγµατοποιεί την επίθεση επιθυµεί η συσκευή που λαµβάνει το σήµα να λάβει τα αρχικά απεσταλµένα δεδοµένα αλλά αλλοιωµένα. Η επίτευξη αυτής της επίθεσης εξαρτάται από την ισχύ του πλάτους διαµόρφωσης που εφαρµόζεται και µπορεί να οδηγήσει σε µερική ή ολική αλλοίωση των δεδοµένων. Η αποφυγή αυτού του είδους επίθεσης µπορεί να επιτευχθεί παράγοντας και οι δύο συσκευές πεδίο αλλά αυτός ο τρόπος λειτουργίας είναι ευάλωτος σε υποκλοπές. Εναλλακτικά, από τη στιγµή που οι συσκευές NFC µπορούν να ελέγξουν το RF πεδίο καθώς µεταδίδουν δεδοµένα, µπορεί η συσκευή που µεταδίδει τα δεδοµένα να ελέγχει διαρκώς το πεδίο για τυχόν επιθέσεις και να διακόπτει την µετάδοση σε περίπτωση που συµβαίνει κάτι τέτοιο. 5.3 Εισαγωγή δεδοµένων Με την εισαγωγή δεδοµένων επιχειρείται η εισαγωγή µηνυµάτων στα δεδοµένα που ανταλλάσσουν δύο συσκευές µεταξύ τους. Αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί µόνο εάν η συσκευή που πρέπει να αποκριθεί στο µήνυµα της άλλης συσκευής αργήσει να απαντήσει και αυτός που πραγµατοποιεί την επίθεση στείλει πρώτος µήνυµα. Στην περίπτωση που τα µηνύµατα απόκρισης επικαλυφθούν τότε τα δεδοµένα αλλοιώνονται και καµία απόκριση δεν λαµβάνεται από την άλλη συσκευή. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 72

73 Η επίθεση αυτή µπορεί να αποφευχθεί εάν η συσκευή που αποκρίνεται απαντάει χωρίς καθυστερήσεις. Επίσης, ο έλεγχος του πεδίου από τη συσκευή που αποκρίνεται µπορεί να αντιληφθεί μια πιθανή επίθεση και να διακόψει την επικοινωνία. 5.4 Φθορά δεδοµένων Η περίπτωση φθοράς των δεδοµένων (Data corruption) στην ουσία αποτελεί άρνηση υπηρεσίας (Denial of Service) καθώς αυτός που πραγµατοποιεί την επίθεση δεν είναι σε θέση να διαχειριστεί τα πραγµατικά δεδοµένα που ανταλλάσσονται αλλά έχει ως στόχο το να δηµιουργήσει πρόβληµα επικοινωνίας µεταξύ των συσκευών. Η φθορά των δεδοµένων στην τεχνολογία NFC µπορεί να επιτευχθεί παρεµβάλλοντας έγκυρες συχνότητες του φάσµατος των δεδοµένων τον κατάλληλο χρόνο. Η φθορά των δεδοµένων µπορεί εύκολα να εντοπιστεί και αντιµετωπισθεί καθώς οι NFC συσκευές µπορούν να πραγµατοποιήσουν έλεγχο του RF πεδίου καθώς µεταδίδουν δεδοµένα. Επίσης, η ενέργεια που απαιτείται για τη φθορά των δεδοµένων είναι πολύ µεγάλη γεγονός που καθιστά την επίθεση αυτή εύκολα αντιληπτή. 5.5 Man in the Middle Attack Η επίθεση man-in-the-middle (Man-in-the-middle attack) είναι μια κοινή παραβίαση ασφάλειας. Ο επιτιθέμενος παρεμποδίζει τη νόμιμη επικοινωνία μεταξύ δύο μερών, τα οποία είναι φιλικά μεταξύ τους. Στη συνέχεια, ο κακόβουλος host ελέγχει τη ροή επικοινωνίας και μπορεί να αποσπάσει ή να αλλάξει πληροφορίες που στέλνονται από έναν από τους αρχικούς συμμετέχοντες Η επίθεση Man in the Middle σε μια NFC σύνδεση είναι µη εφικτή πρακτικά αφού η µία από τις δύο συσκευές που επικοινωνούν παράγει RF πεδίο και η άλλη είναι Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 73

74 δέκτης του πεδίου. Με τον τρόπο αυτό µπορεί να ελέγχεται το πεδίο διαρκώς για τυχόν παρεµβολές από επιθέσεις και να διακόπτεται η επικοινωνία. 5.6 Αναµετάδοση Δεδομένων Η συγκεκριμένη επίθεση είναι παρόμοια με την επίθεση Man in the Middle που αναφέρθηκε προηγουμένως. Στην περίπτωση της αναµετάδοσης (Relay Attack) ο εκάστοτε υποκλοπέας θα µπορούσε να υποκλέπτει τα ανταλλασσόµενα δεδοµένα µεταξύ µιας κινητής NFC συσκευής και ενός NFC αναγνώστη, και να τα µεταδόσει σε µία άλλη αποµακρυσµένη NFC συσκευή, η οποία θα πραγµατοποιήσει συναλλαγή µε τα στοιχειά αυτά. 5.7 Ασφαλής δίαυλος επικοινωνίας Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως οι NFC συσκευές έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν το RF πεδίο, να αντιλαµβάνονται επικείµενες επιθέσεις και να διακόπτουν την επικοινωνία εάν χρειαστεί. Οι επιθέσεις στις οποίες παρουσιάζεται µεγαλύτερη ευαισθησία είναι η υποκλοπή και η τροποποίηση των δεδοµένων. Όλα τα ζητήµατα ασφαλείας µπορούν να επιλυθουν εάν δηµιουργηθεί ένα ασφαλές κανάλι επικοινωνίας. Με τη χρήση υβριδικών µεθόδων κρυπτογραφίας που βασίζονται σε RSA ή ελλειπτικές καµπύλες και με τη χρήση συµµετρικών κλειδιών όπως 3DES και AES, µπορεί να πραγματοποιηθεί µε ασφάλεια η µετάδοση των δεδοµένων. Επιπρόσθετα, στη δηµιουργία ενός ασφαλούς καναλιού, θα µπορούσε να λειτουργήσει η αντικατάσταση των πραγµατικών στοιχείων του χρήστη µε τεκµήρια(tokens). Τα τεκµήρια αποτελούν κωδικοποιηµένη µορφή των πραγµατικών στοιχείων του χρήστη και µπορούν να χρησιµοποιηθούν εναλλακτικά κατά την ανταλλαγή των δεδοµένων. Η χρήση τεκµηρίων µπορεί να επιφέρει ένα επιπλέον επίπεδο ασφαλείας κατά τη µεταφορά και ανταλλαγή των δεδοµένων καθώς στην πραγµατικότητα δεν µεταφέρονται ποτέ τα ίδια τα δεδοµένα αλλά µια κωδικοποίηση Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 74

75 αυτών. Με την υλοποίηση των tokens επιτυγχάνεται η ισχυροποίηση τόσο της ακεραιότητας των δεδοµένων όσο και της ιδιωτικότητας του χρήστη. [21][22][23][24] Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 75

76 6 Πεδία Χρήσης NFC Η τεχνολογία Near Field Communication (NFC) δημιουργήθηκε το 2004 μετά από συνεργασία της Nokia, της Philips και της Sony, με την εξάπλωση της να είναι μεγαλύτερη των προσδοκιών και να μελετάται συνεχώς και να βρίσκει εφαρμογή σε όλο και περισσότερους τομείς της καθημερινότητας, όπως για παράδειγμα η γρήγορη ανάγνωση και εγγραφή δεδομένων, η χρήση εικονικών πιστωτικών καρτών, η πιστοποίηση οντοτήτων αλλά και η ενεργοποίηση υπηρεσιών. Η ραγδαία εξάπλωση του NFC έγκειται στο γεγονός ότι είναι απλό στη χρήση του και προορίζεται για όλες τις ηλικίες. Δεν χρειάζεται τίποτα περισσότερο από τα να ακουμπήσει κάποιος, από μικρά παιδιά μέχρι ηλικιωμένους ανθρώπους, το κινητό του τηλέφωνο σε ένα tag ή σε έναν NFC αναγνώστη. Χάρη στην αυτοματοποιημένη διαδικασία στην οποία έχει προγραμματιστεί η κάθε εφαρμογή, ανάλογα με την κατάσταση, δρα μόνη της. Όλοι θα μπορούν με ένα άγγιγμα σε κάποιο NFC πόστερ να λάβουν αυτόματα χρήσιμες πληροφορίες για αυτό που ψάχνουν χωρίς περεταίρω διαδικασία. Με το NFC μπορούν να αυτοματοποιηθούν πολλές διαδικασίες της καθημερινότητας του ανθρώπου. Έχοντας ο καθένας ένα κινητό τηλέφωνο NFC θα μπορεί να κάνει εύκολα πληρωμές, να έχει όλα του τα εισιτήρια για λεωφορεία, μετρό, τρένα, αεροπλάνα, κινηματογράφο, γήπεδα, μουσεία μέσα στο κινητό του και απλώς με ένα άγγιγμα να παίρνει το ελεύθερο για τις υπηρεσίες που θέλει να χρησιμοποιήσει. Όλες Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 76

77 του οι ενέργειες θα πραγματοποιούνται πιο γρήγορα με το NFC χάρη στην ευρεία χρήση σε πολλούς τομείς. Η τεχνολογία NFC συνδυάζει παλιότερες τεχνολογίες ασύρματης επικοινωνίας όπως το Bluetooth και η RFID, οι οποίες εναρμονίζονται ώστε να παρέχονται υπηρεσίες στους χρήστες στις παρακάτω ενδεικτικές περιπτώσεις: - Έλεγχος πρόσβασης - Ηλεκτρονικές συναλλαγές - Ανταλλαγή και συλλογή πληροφοριών - Πληρωμές - Μεταφορές/Διαβιβάσεις - Πιστοποιήσεις 6.1 Μεταφορές Η εφαρμογή του NFC στα Μέσα Μαζικής Μεταφοράς είναι μία καινοτομία που προσφέρει πολλά προνόμια στον επιβάτη. Το NFC μπορεί να υποστηρίξει την αγορά εισιτηρίων ή καρτών μακράς διαρκείας με ένα απλό άγγιγμα στα σημεία πώλησης τους. Ο έλεγχος επιβίβασης του επιβάτη πραγματοποιείται μέσω του κινητού τηλεφώνου σε τρένα, λεωφορεία και αεροπλάνα. Επίσης, μέσα στα Μέσα Μαζικής Μεταφοράς ο επιβάτης θα μπορεί με ένα άγγιγμα στα «έξυπνα» πόστερ που είναι αναρτημένα, να κατεβάζει αυτόματα πληροφορίες όπως δρομολόγια-χάρτες καθώς θα μπορεί να ενημερώνεται αυτόματα για προσφορές εισιτηρίων και καινούργιες εκπτώσεις. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 77

78 6.2 Πληρωμές Το NFC έχει όλες τις προδιαγραφές ώστε να αποτελέσει σημαντικό κομμάτι στις πληρωμές. Κάθε κάτοχος κινητού τηλεφώνου NFC μπορεί με ένα άγγιγμα να δώσει το προβλεπόμενο αντίτιμο για τις υπηρεσίες που του προσφέρονται. Το NFC έχει τη δυνατότητα να εγγυηθεί την εξοικονόμηση χρόνου διότι ο χρόνος που χρειάζεται για τη συναλλαγή είναι ελάχιστος, της τάξης του δευτερολέπτου, και παράλληλα είναι ασφαλής διότι γίνεται γρήγορα από την κοντινή απόσταση των 5 εκατοστών. 6.3 Υγεία Το NFC σε νοσοκομειακές μονάδες χρησιμοποιείται για το ιστορικό των ασθενών προσφέροντας την απαραίτητη ασφάλεια ως προς το απόρρητο των δεδομένων. Κάθε ασθενής θα διαθέτει το δικό του NFC Tag στο οποίο αποθηκεύεται το ιατρικό ιστορικό του καθώς και οι επισκέψεις του στις νοσοκομειακές μονάδες. Οι γιατροί, με την τεχνολογία NFC και με ένα άγγιγμα με το NFC κινητό τους θα μπορούν να δουν αμέσως το ιστορικό του ασθενούς και να είναι σε θέση να καταγράψουν όλες τις ενέργειες που θα πραγματοποιηθούν για την νοσηλεία του. Με το NFC λοιπόν εύκολα θα υπάρχει μια πλήρης εικόνα για τον γιατρό σε σχέση με την πορεία της υγείας των ασθενών. 6.4 Εκπαίδευση Στην εκπαίδευση, χάρη στην τεχνολογία του NFC, είναι εφικτός ο αυτοματισμός πολλών διαδικασιών που πραγματοποιούνται σε ένα σχολικό ή ακαδημαϊκό συγκρότημα. Κάθε μαθητής/φοιτητής θα διαθέτει την προσωπική του NFC ταυτότητα Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 78

79 την οποία χρησιμοποιεί ώστε να δηλώσει την παρουσία του στους χώρους του συγκροτήματος (τάξεις, αμφιθέατρα, εργαστήρια, βιβλιοθήκη, κ.α.), απλά και εύκολα, φέρνοντάς την σε επαφή με έναν NFC reader. Κατά αυτόν τον τρόπο υπάρχει έλεγχος και ασφάλεια στους χώρους που κινούνται οι μαθητές/φοιτητές, δίνοντας τη δυνατότητα καταγραφής και ενημέρωσης των γονέων στην περίπτωση μαθητών μικρής ηλικίας. Είναι επίσης εφικτές μικρόσυναλλαγές εντός του συγκροτήματος ώστε να μην είναι απαραίτητη η χρήση μετρητών από τους μαθητές/φοιτητές. 6.5 Επιχειρήσεις Οι επιχειρήσεις μέσω της τεχνολογίας NFC μπορούν να δημιουργήσουν ένα σύστημα ελέγχου και εποπτείας των εργαζομένων τους. Κάθε υπάλληλος θα δηλώνει την ώρα έλευσης και αποχώρησης του από την επιχείρηση με ένα απλό σκανάρισμα της έξυπνης κάρτας του στον NFC Reader στην είσοδο του κτηρίου. Με αυτόν τον τρόπο θα υπάρχει πλήρης εποπτεία των ωρών εργασίας κάθε υπαλλήλου. Παράλληλα, ο εργοδότης έχει τη δυνατότητα, μέσω της έξυπνης κάρτας, να ορίσει τα μέρη στα οποία τα μέλη του προσωπικού θα έχουν ελεύθερη πρόσβαση. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 79

80 7 Εφαρμογή ανταλλαγής δεδομένων Στο κεφάλαιο αυτό αρχικά θα περιγράψουμε το σύστημα που χρησιμοποιήσαμε για την υλοποίηση και την εκτέλεση της εφαρμογής αυτής. Έπειτα θα περιγράψουμε μια εφαρμογή ανταλλαγής δεδομένων μεταξύ των χρηστών καθώς και τα αποτελέσματα που πήραμε από τα πειράματα που πραγματοποιήσαμε. Τέλος θα παρουσιάσουμε τα γενικά συμπεράσματα μας όχι μόνο ως προς την τεχνολογία NFC, αλλά και για την χρήση αυτής της τεχνολογίας αυτής στη καθημερινή ζωή του ανθρώπου. 7.1 Περιγραφή του συστήματος Για την υλοποίηση της εφαρμογής αυτής δημιουργήσαμε έναν κεντρικό εξυπηρετητή ο οποίος φιλοξενούσε και τη βάση δεδομένων της εφαρμογής, καθώς επίσης χρησιμοποιήσαμε και έναν «έξυπνο» κινητό τηλέφωνο (smartphone) στον οποίο τρέξαμε την εφαρμογή. Τέλος χρησιμοποιήσαμε και πέντε ετικέτες nfc τις οποίες τοποθετήσαμε σε διάφορα σημεία του πανεπιστημίου. Το σύστημα που χρησιμοποιήσαμε αποτελούνταν από έναν desktop υπολογιστή, ένα κινητό τηλέφωνο και πέντε ετικέτες nfc. Στην εικόνα 29 παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του συστήματος που υλοποιήσαμε Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 80

81 Εικόνα 29. Η Αρχιτεκτονική του συστήματός μας. Η σύνθεση των στοιχείων του συστήματος είναι η εξής: - Για τον κεντρικό εξυπηρετητή (server) χρησιμοποιήθηκε ένας desktop υπολογιστής με επεξεργαστή Intel Core i στα 3.10 GHz και μνήμη 16GB. Το λειτουργικό σύστημα που χρησιμοποιεί αυτός ο υπολογιστής είναι τα Windows 7 Professional με Service Pack 1. Για να μπορέσει αυτός ο υπολογιστής να λειτουργήσει σαν server εγκαταστήσαμε το λογισμικό XAMPP Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 81

82 Το XAMPP είναι ένα περιβάλλον για ανάπτυξη διαδικτυακών εφαρμογών. Μας βοήθησε στο να δημιουργήσουμε το δικό μας server στο τοπικό μας δίκτυο με τη χρήση Apache, PHP και βάσεων δεδομένων MySQL, Phpmyadmin την οποία χρησιμοποιήσαμε για να αποθηκεύουμε τα δεδομένα της εφαρμογής. - Το κινητό τηλέφωνο τύπου smartphone πάνω στο οποίο τρέξαμε την εφαρμογή μας είναι ένα LG G4c που βασίζεται στον επεξεργαστή Quad-core Cortex-A53 στα 1.30 GHz και με μνήμη RAM 1 GB. Το κινητό τηλέφωνο αυτό είναι εφοδιασμένο με έναν αναγνώστη NFC (NFC Reader). Ως λειτουργικό σύστημα χρησιμοποιείται το Android OS v5.0.2 (Lollipop) το οποίο στη συνέχεια αναβαθμίστηκε στο Android OS v6.0 (Marshmallow). - Πέντε ετικέτες NFC (nfc tags) οι οποίες ήταν τοποθετημένες σε διάφορα σημεία του πανεπιστημίου. Οι ετικέτες NFC που χρησιμοποιήθηκαν είναι τύπου 2, βασίζοντε πάνω στο πρότυπο ISO/IEC Type A και επιτρέπουν τόσο τη λειτουργία ανάγνωσης όσο και εγγραφής δεδομένων. Το μέγεθος της μνήμης των συγκεκριμένων ετικετών έχουν χωρητικότητα 168 bytes και η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων είναι στα 106 kbps. 7.2 Περιγραφή της εφαρμογής NFC Community Patras Στα πλαίσια της συγκεκριμένης μεταπτυχιακής εργασίας υλοποιήσαμε μια android εφαρμογή ανταλλαγής δεδομένων και απόψεων μεταξύ των χρηστών. Η εφαρμογή αυτή χρησιμοποιεί την τεχνολογία nfc ώστε να μπορεί ο χρήστης να έχει πρόσβαση στην εφαρμογή αλλά και να έχει πρόσβαση μόνο σε συγκεκριμένα δεδομένα ανάλογα με το σημείο-θέση που βρίσκεται κάθε στιγμή. Για να λειτουργήσει η συγκεκριμένη εφαρμογή απαιτείται η κινητή συσκευή του χρήστη να διαθέτει NFC καθώς και να έχει πρόσβαση στο διαδίκτυο. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 82

83 Στην παρούσα εργασία αρχικά υλοποιήσαμε ένα σύστημα εντοπισμού (client side) θέσης σε NFC δίκτυο. Αξίζει να σημειωθεί ότι στο συγκεκριμένο σύστημα ο χώρος θεωρείται κβαντισμένος. Έτσι το σύστημα αποφασίζει για περιοχές και όχι για συγκεκριμένες συντεταγμένες. Αυτό γίνεται διαβάζοντας το id του NFCtag του οποίου η θέση είναι προκαθορισμένη. Τα εξαγόμενα του εντοπισμού θέσης των χρηστών από το σύστημα εισάγονται σε ένα δεύτερο σύστημα (server side) το οποίο κάνοντας περάσματα από την βάση δεδομένων εξάγει όλη την πληροφορία που σχετίζεται με την συγκεκριμένη θέση. Αφού το client side σύστημα εντοπίσει τη θέση του χρήστη δημιουργεί το κατάλληλο δυναμικό μενού το οποίο δίνει τη δυνατότητα στον χρήστη να πλοηγηθεί στην εφαρμογή. Ο χρήστης δύναται να υποβάλει το δικό του κείμενο (αυτό μπορεί να είναι ένα σχόλιο αν αφορά απλό χρήστη ή ένα διαφημιστικό μηνυμα αν ο χρήστης είναι επιχείρηση) το οποίο μπορεί να συνοδέυεται απο μια φωτογραφία (ή βίντεο) η οποία μπορεί είτε να είναι ήδη αποθηκευμένη στη συσκευή είτε να την τραβήξει ο χρήστης εκείνη τη στιγμή μέσω της εφαρμογής. Τα δεδομένα υποβάλονται στο server side σύστημα με τη χρήση της μεθόδου httppost και ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ενημερώνεται real time για την κατάσταση υποβολής των δεδομένων του μέσω progress bar. Τα δεδομένα που μπορεί να υποβάλει ένας χρήστης μπορεί να είναι διάφορα σχόλια ή και παρατηρήσεις για την περιοχή, για συγκεκριμένα αξιοθέατα αλλά και για συγκεκριμένα καταστήματα. Ο χρήστης της κινητής συσκευής επίσης έχει τη δυνατότητα να δεί τις προτάσεις και τα σχόλια των άλλων χρηστών που αφορούν τη συγκεκριμένη περιοχή. Για την παρουσίαση των δεδομένων στον χρήστη γίνεται ασύγχρονη επικοινωνία με το server side σύστημα το οποίο αφού λάβει τη θέση της κινητής συσκευής διαβάζει απο τη database όλα τα δεδομένα που υπάρχουν για τη συγκεκριμένη περιοχή και τα επιστρέφει στο client side σύστημα με τη μορφή JSON array. Η κινητή συσκευή στη συνέχεια κάνει parse το JSON array και αποθηκεύει τα δεδομένα σε ένα HashMap το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για να γίνει set το listview και να εμφανιστούν τα δεδομένα στην οθόνη της κινητής συσκευής. Τέλος δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη να επιλέξει οποιαδήποτε ανακοίνωση επιθυμεί και να την μεγιστοποιήσει, Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 83

84 με σκοπό να διαβάσει ευκολότερα το κείμενό της, να κάνει zoom στη φωτογραφία ή να αναπαράγει το βίντεο που έχει «συνδεθεί» με τη συγκεκριμένη ανακοίνωση. Το πιο χρήσιμο χαρακτηριστικό της εφαρμογής που υλοποιήσαμε είναι ότι φιλτράρει και ομαδοποιεί τα δεδομένα των χρηστών με βάση τη χρονική στιγμή που έχουν υποβληθεί και κάποιες λέξεις κλειδία (hashtags) που έχουν συμπεριλάβει οι χρήστες κατά την υποβολή της δημοσίευσής τους (Post). Αυτό γίνεται για την διευκόλυνση των χρηστών ώστε να μπορούν να λάβουν πιο έυκολα και πιο γρήγορα την πληροφορία που αναζητούν και να μην αναλώνουν τον χρόνο τους στο scrolling όλων των data αναζητώντας τη πληροφορία που χρειάζονται. Ένα άλλο χρήσιμο χαρακτηριστικό είναι ότι κατά την υποβολή μιας δημοσίευσης απο έναν χρήστη η εφαρμογή εμφανίζει στον χρήστη τα πιο πιθανά emoticons και hashtags τα οποία μπορεί απλά και εύκολα να τα προσθέσει στο κείμενο της δημοσίευσής του. 7.3 Εργαλεία ανάπτυξης της εφαρμογής Στη συγκεκριμένη ενότητα θα περιγράψουμε όλα τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση της εφαρμογής NFC Community Patras Το περιβάλλον ανάπτυξης Eclipse Το Eclipse είναι ένα ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης (IDE) προγραμματισμού το οποίο χρησιμοποιήθηκε στην υλοποίηση της συγκεκριμένης εφαρμογής. Περιέχει μια βάση εργασίας (workspace) και ένα σύστημα για επεκτασιμότητα (plugin-ins). Με το Eclipse μπορούμε να αναπτύξουμε εφαρμογές σε γλώσσες προγραμματισμού όπως : ADA, C, C++, COBOL, Fortran, Haskell, JavaScript, Lasso, Perl, PHP, Python, R, Ruby, Scala, Clojure, Groovy και Erlang. To Eclipse SDK (Software Development Kit) περιέχει εργαλεία ανάπτυξης σε γλώσσα Java. Το Eclipse SDK παρέχεται δωρεάν και είναι ένα λογισμικό ανοιχτού κώδικα το οποίο ξεκίνησε σαν ένα πρότζεκτ της εταιρίας IBM. Με την εξαίρεση ενός μικρού runtime Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 84

85 πυρήνα, τα πάντα στο Eclipse είναι ένα plug-in. To Eclipse παρέχει plug-ins για μια ευρεία ποικιλία χαρακτηριστικών όπως για UML διαγράμματα, plug-in για τον DB Explorer και πολλά άλλα. Εικόνα 30. Eclipse IDE Android Software Development Kit Για να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε το eclipse Για τη δημιουργία της android εφαρμογής μας αγκαταστήσαμε στο περιβάλλον του eclipse το Android Android Software Development Kit (SDK) που μας επιτρέπει να εξομοιώσουμε τη λειτουργία του Android στον υπολογιστή μας. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 85

86 Εικόνα 31. Το Android SDK Manager Το Android SDK είναι το βασικότερο εργαλείο για τους προγραμματιστές οι οποίοι αναπτύσσουν εφαρμογές για το Android. Περιλαμβάνει βιβλιοθήκες (API Libraries), μηχανισμό αποσφαλμάτωσης (debugger) καθώς και τον εικονικό εξομοιωτή συσκευής Android ο οποίος λειτουργεί όπως κάθε συσκευή Android. To Android SDK υποστηρίζει όλα τα λειτουργικά συστήματα και πολλά περιβάλλοντα ανάπτυξης κώδικα (IDE) αλλά ο βασικότερος είναι το Eclipse IDE με την επέκταση (plugin) ADT Android. To ADT παρέχει τον AVD (Android Virtual Device) ο οποίος είναι ο προσομοιωτής της συσκευής τόσο στο λειτουργικό σύστημα όσο και στο υλικό μιας πραγματικής συσκευής Android. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 86

87 7.3.3 Γλώσσα Προγραμματισμού JAVA Η γλώσσα προγραμματισμού Java είναι κατά κύριο λόγο η γλώσσα που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη εφαρμογών για το Android. Η Java αναπτύχθηκε από την εταιρία Sun Microsystems από τον James Gosling και κυκλοφόρησε το Είναι μια αντικειμενοστραφής γλώσσα και οι εφαρμογές της τρέχουν σε οποιοδήποτε λειτουργικό σύστημα (Windows, Linux, Unix, Mac OSX) χωρίς να χρειάζονται μεταγλώττιση χάρη στην εικονική μηχανή της Java (Java Virtual Machine-JVM). Στην περίπτωση του Android, όπως προαναφέρθηκε, οι εφαρμογές εκτελούνται στην εικονική μηχανή Dalvik μετατρέποντας τα αρχεία σε εκτελέσιμα αρχεία.dex Δομή της Android Εφαρμογής Κάθε Android εφαρμογή, έτσι και η δική μας, αποτελεί και ένα project στο Eclipse IDE και αποτελείται απαραίτητα από τα παρακάτω στοιχεία : Φάκελος src Ο φάκελος src (source) περιέχει τα πακέτα στα οποία υπάρχει ο πηγαίος κώδικα της εφαρμογής o οποίος περιέχει αρχεία με όνομα ActivityName.java, όπου ΑctivityName είναι το όνομα του Activity έτσι ακριβώς έχει δηλωθεί στο AndroidManifest αρχείο, και άλλα αρχεία πηγαίου κώδικα με κατάληξη.java Φάκελος bin O Φάκελος bin περιέχει τα μεταγλωττισμένα αρχεία καθώς και το Android Application Package αρχείο (.apk) της εφαρμογής Φάκελος gen O φάκελος gen περιέχει τα αρχεία που αποτελούν τους πόρους της εφαρμογής τα οποία παράγονται αυτόματα. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 87

88 Φάκελος libs Περιέχει τις βιβλιοθήκες που χρησιμοποιούνται στην εφαρμογή Φάκελος res Ο φάκελος res περιέχει τους πόρους της εφαρμογής στους εξής υποφακέλους: Φάκελος drawable: περιέχει αρχεία bitmap (PNG, JPEG ή GIF) και εικόνας τα οποία περιγράφουν εικόνες ή σχέδια στην εφαρμογή. Ο φάκελος res περιέχεται τέσσερις φορές με τα ονόματα drawable-hdpi, drawable-mdpi, drawable-ldpi και drawable-xhdpi παρέχοντας τα γραφικά για διάφορες αναλύσεις. Φάκελος layout : απαρτίζεται περιέχοντας όλα τα xml αρχεία τα οποία αντιπροσωπεύουν το UI (User Interface) της εφαρμογής. Φάκελος menu: περιέχει τα xml αρχεία για κάθε menu της εφαρμογής AndroidManifest.xml Κάθε εφαρμογή Android είναι απαραίτητο να περιέχει το αρχείο AndroidManifest.xml μέσα στον root φάκελό της. Το αρχείο αυτό περιέχει πληροφορίες που χρειάζεται να ξέρει το Android πριν εκτελεστεί ο κώδικας της εκάστοτε εφαρμογής. Κάποιες από τις σημαντικότερες πληροφορίες που παρέχει είναι οι εξής: Ορίζει το όνομα του πακέτου Java της εφαρμογής το οποίο είναι μοναδικό αναγνωριστικό. Περιγράφει τα μέρη της εφαρμογής (components) όπως activities, broadcast receivers κλπ και ορίζει τα ονόματα των κλάσεων. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 88

89 Ορίζει τα δικαιώματα που πρέπει να έχει η εφαρμογή για την σωστή λειτουργία της. Ορίζει την ελάχιστη έκδοση του Android που απαιτείται για τρέξει η εφαρμογή. 7.4 Υλοποίηση της εφαρμογής Βάση Δεδομένων Οι περισσότερες εφαρμογές χρειάζονται μια βάση δεδομένων για την αποθήκευση των απαραίτητων πληροφοριών. Στην εφαρμογή NFC Community Patras χρησιμοποιήθηκε η MySQL Database, που συμπεριλαμβάνεται στο εργαλείο XAMPP, για την αποθήκευση των δεδομένων. Η βάση δεδομένων που δημιουργήσαμε αποτελείται από τους πίνακες όπως φαίνεται στην Εικόνα 31. Εικόνα 32. NFC Community Patras DataBase Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 89

90 Πίνακας nfctag_content Ο πίνακας nfctag_content δημιουργήθηκε για την αποθήκευση των δημοσιεύσεωνposts των χρηστών της εφαρμογής και αποτελείται απο 6 πεδία: NFCTag_contentId είναι το πρωτεύον κλειδί του πίνακα και είναι μοναδικό για κάθε δημοσίευση χρήστη. nfctagid περιέχει το id του της ετικέτας nfc απο την οποία υποβλήθηκε η δημοσίευση. linkimage περιέχει το μονοπάτι (path) στο οποίο έχει αποθηκευθεί η φωτογραφία ή το video που υπέβαλλε ο χρήστης. perigrafh περιέχει όλο το κείμενο το οποίο έχει υποβάλει ο χρήστης στη δημοσίευσή του. username περιέχει το IMEI της συσκευής απο την οποία υποβλήθηκε η συγκεκριμένη δημοσίευση. datenfc περιέχει την ημερομηνία που υποβλήθηκε η συγκεκριμένη δημοσίευση. Πίνακας hashtag Ο πίνακας hashtag δημιουργήθηκε για την αποθήκευση των hashtag της κάθε δημοσίευσης-posts και αποτελείται απο 2 πεδία: hashtagid είναι το πρωτεύον κλειδί του πίνακα και είναι μοναδικό για κάθε hashtag της συγκεκριμένης δημοσίευσης-post. hashtagname περιέχει το το λεκτικό του hashtag της κάθε σημοσίευσης. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 90

91 Πίνακας nfchashtag Ο πίνακας nfchashtag είναι ένας relation πίνακας πουδημιουργήθηκε για την συνένωση του πίνακα nfctag_content που περιέχει τις δημοσιεύσεις και του πίνακα hashtag που περιέχει τα hashtag της συγκεκριμένης δημοσίευσης. Ο πίνακας αυτός αποτελείται απο τα εξής 2 πεδία: NFCTag_contentId είναι το foreign key και αναφέρεται στο NFCTag_contentId του πίνακα nfctag_content. hashtagid είναι το foreign key και αναφέρεται στο hashtagid του πίνακα hashtag Σάρωση και ανάγνωση NFC Tags Τo Android ενσωµατώνει 2 βασικά πακέτα για τη λειτουργιά της NFC τεχνολογίας στις κινητές συσκευές. Το πρώτο πακέτο είναι το to android.nfc και το δεύτερο το android.nfc.tech. Το πρώτο πακέτo android.nfc, παρέχει τη δυνατότητα εγγραφής και ανάγνωσης NDEF µηνυµάτων µεταξύ κινητών συσκευών και ετικετών καθώς επίσης και τη δυνατότητα ανταλλαγής µηνυµάτων µεταξύ δύο συσκευών. Η λειτουργία αυτών των διεργασιών πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια 6 κλάσεων. Οι πρώτες τρεις κλάσεις είναι οι tag, NdefMessage, NdefRecord που αφορούν τις ετικέτες, τα NDEF µηνύµατα και τις NDEF εγγραφές. Οι υπόλοιπες τρείς κλάσεις είναι οι NfcAdapter, NfcManager και η NFCEvent. H NFCEvent περιέχει πληροφορίες σχετικά µε ένα NFC συµβάν. H NfcAdapter αφορά τον NFC προσαρµογέα της συσκευής. Τέλος, η NfcManager αφορά τη διαχείριση της NfcAdapter σε επίπεδο λήψης στιγµιοτύπων της NfcAdapter. Το δεύτερο πακέτο android.nfc.tech, αφορά την ενσωµάτωση κλάσεων για τη διαχείριση διαφόρων άλλων ειδών ετικετών. Επίσης, ενσωµατώνει κλάσεις για τη διαχείριση ετικετών που δεν υποστηρίζουν την NDEF µορφοποίηση των µηνυµάτων αλλά περιέχουν δεδοµένα σε ακατέργαστη µορφή. [7] Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 91

92 Τέλος, βασικό χαρακτηριστικό στη λειτουργία µιας NFC εφαρµογής αποτελεί η δυνατότητα πρόσβασης σε εχέγγυα χρήσης της NFC τεχνολογίας. Σηµείο κλειδί για τη λήψη των εχέγγυων είναι το αρχείο Manifest στο οποίο ενσωµατώνεται η αδειδότηση της χρήσης της NFC τεχνολογίας. [7] To Android διαθέτει δύο συστήµατα διαχείρισης για το πως θα χειριστεί τα δεδοµένα µιας ετικέτας όταν την διαβάζει: το Tag Ιntent Dispatch System και το Foreground Dispatch System. Σε γενικές γραµµές όταν µια ετικέτα διαβάζεται, τα δεδοµένα που περιέχει προκαλούν µια πρόθεση(intent) για το Android η οποία αφορά το ποια εφαρµογή θα διαχειριστεί τα δεδοµένα που έχουν αναγνωσθεί. Η ειδοποιός διαφορά στη λειτουργία των δύο συστηµάτων έχει να κάνει µε το γεγονός ότι το Tag Ιntent Dispatch System διαχειρίζεται το ποια εφαρµογή θα τρέξει τα δεδοµένα βάσει της πρόθεσης (intent) που προκαλούν τα δεδοµένα ενώ το Foreground Dispatch System διαχειρίζεται τα δεδοµένα όταν η εφαρµογή είναι σε χρήση. Η διαφορά αυτή γίνεται κατανοητή στον τρόπο που πραγµατοποιείται η ενσωµάτωση τους στην εφαρµογή: το Tag Ιntent Dispatch System ενσωµατώνεται στο Manifest ενώ το Foreground Dispatch System εσωτερικά σε µια δραστηριότητα της εφαρµογής. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας χρησιμοποιήσαμε το Tag Ιntent Dispatch ώστε να δύνεται η δυνατότητα στην android συσκευή να εκκινήσει την εφαρμογή αυτόματα με το αγγιγμα της συσκευής πάνω στην ετικέτα nfc, χωρίς να είναι απαραίτητο o χρήστης να έχει εκκινήσει την εφαρμογή απο πρίν Επικοινωνία της εφαρμογής με τη Βάση δεδομένων Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως όλα τα δεδομένα για την εφαρμογή NFC Community Patras βρίσκονται στη βάση δεδομένων του web server μας. Για να μπορέσει η εφαρμογή να έχει πρόσβαση σε αυτά τα δεδομένα χρησιμοποιήσαμε το HttpRequest και τις μεθόδους POST και GET. Το HttpRequest χρησιμοποιήθηκε για να εκτελέσει μια αίτηση τύπου HTTP σε έναν (web) server ανοίγοντας έτσι ένα κανάλι επικοινωνίας. Μας χρησίμευσε κάθε φορά Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 92

93 που θέλουμε να στείλουμε και να πάρουμε δεδομένα από την βάση δεδομένων που έχουμε στον web server της εφαρμογής. Εικόνα 33. Επικοινωνία με τον webserver Χρησιμοποιήσαμε την μέθοδο POST για την προώθηση των δεδομένων στο webserver. Η μέθοδος POST έχει κάποια βασικά πλεονέκτημα έναντι της GET μεθόδου. Μερικά απ αυτά είναι ότι η POST μέθοδος δεν έχει όριο μέγιστων χαρακτήρων, και τα δεδομένα δεν φαίνονται στο URL, προσθέτωντας έτσι περισσότερη ασφάλεια για την επικοινωνία με τη βάση δεδομένων. Παρακάτω φαίνεται η συνάρτηση UploadToServer η οποία είναι υλοποιεί την μεταφορά όλων των δεδομένων της δημοσίευσης του χρήστη απο την android συσκευή στον webserver. private class UploadToServer extends AsyncTask<Void, Integer, String> protected void onpreexecute() { // setting progress bar to zero progressbar.setprogress(0); super.onpreexecute(); Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 93

94 @Override protected void onprogressupdate(integer... progress) { // Making progress bar visible progressbar.setvisibility(view.visible); // updating progress bar value progressbar.setprogress(progress[0]); // updating percentage value txtpercentage.settext(string.valueof(progress[0]) + protected String doinbackground(void... params) { return private String upload() { String responsestring = null; String tempperigrafh=null; HttpClient httpclient = new DefaultHttpClient(); HttpPost httppost = new HttpPost(Config.UPLOAD_URL); try { AndroidMultiPartEntity entity = new AndroidMultiPartEntity( new ProgressListener() (float) totalsize) * 100)); public void transferred(long num) { publishprogress((int) ((num / Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 94

95 ); File sourcefile = new File(filePath); // Adding file data to http body entity.addpart("image", new FileBody(sourceFile)); // Extra parameters if you want to pass to server entity.addpart("website",new StringBody(" entity.addpart(" ", new StringBody("aposstam@gmail.com")); entity.addpart("nfctagid", new StringBody(NFC_variables_1.m_NfcTagId)); entity.addpart("perigrafh", new StringBody( Perigrafh.getText().toString(), Charset.forName("UTF-8"))); entity.addpart("phoneimei", new StringBody(NFC_variables_1.PhoneIMEI)); totalsize = entity.getcontentlength(); httppost.setentity(entity); // Making server call HttpResponse response = httpclient.execute(httppost); HttpEntity r_entity = response.getentity(); int statuscode = response.getstatusline().getstatuscode(); if (statuscode == 200) { // Server response responsestring = EntityUtils.toString(r_entity); else { responsestring = "Error occurred! Http Status Code: " + statuscode; catch (ClientProtocolException e) { responsestring = e.tostring(); Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 95

96 catch (IOException e) { responsestring = e.tostring(); return protected void onpostexecute(string result) { Log.e(TAG, "Response from server: " + result); textviewperigrafh.settext("η διαδικασία ολοκληρώθηκε"); //kruboume to buton kai to edittext Perigrafh.setVisibility(View.GONE); btnupload.setvisibility(view.gone); // showing the server response in an alert dialog showalert("η διαδικασία ολοκληρώθηκε επιτυχώς"); Log.e("response", "response: " + result); super.onpostexecute(result); Στην onpreexecute() μέθοδο της ασύγχρονης διεργασίας εμφανίζεται ένα progressdialog στην οθόνη του χρήστη όσο εκτελείται (στο παρασκήνιο) η διεργασία μέσω της doinbackground() μεθόδου. Σε αυτή τη μέθοδο καλείται η συνάρτηση upload() που ως σκοπό έχει να δημιουργήσει τις σωστές παραμέτρους και να στείλει μέσω ενός HttpRequest το σωστό url που έχουμε ορίσει εμείς μέσω ενός entity. Επομένως όπως μπορούμε να δούμε έχουμε δημηουργήσει ένα HttpResponse χρησιμοποιόντας τη μέθοδο post με την οποία καλόντας το UPLOAD_URL μεταφέρουμε όλη την πληροφορία απο την android συσκευή στον web server καλώντας ένα PHP αρχείο. Στη συνέχεια η όλη διαδικασία μεταφέρεται στον server Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 96

97 όπου εκτελείται το αρχείο Upload.php το οποίο αναλαμβάνει να αποθηκευσει όλα τα δεδομένα στη βάση δεδομένων. <?php $objconnect = mysql_connect(" ","stamatis","st@m@t!s"); $objdb = mysql_select_db("nfc_app_v1"); $linkimage='c:\/xampp\/htdocs\/androidfileupload\/uploads\/'; // Path to move uploaded files $target_path = "uploads/"; // array for final json respone $response = array(); // getting server ip address $server_ip = gethostbyname(gethostname()); // final file url that is being uploaded $file_upload_url = ' $server_ip. ':8989/'. 'AndroidFileUpload'. '/'. $target_path; $timezone = date_default_timezone_set('europe/athens'); $datenfc = date('y-m-d H:i:s', time()); if (isset($_files['image']['name'])) { $NFCTagID = isset($_post['nfctagid'])? $_POST['nfctagid'] : ''; $foldernfctagid = isset($_post['nfctagid'])? ($_POST['nfctagid'].'\/') : ''; $DBfolderNFCTagID = isset($_post['nfctagid'])? ($_POST['nfctagid'].'/') : ''; $phoneimei=isset($_post['phoneimei'])? ($_POST['phoneIMEI']) : ''; $target_path = $target_path.$foldernfctagid; $directory = $target_path; $target_path = $target_path.$phoneimei.basename($_files['image']['name']); $linkimage = $linkimage.$foldernfctagid.basename($_files['image']['name']); Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 97

98 $file_upload_url = $file_upload_url.$dbfoldernfctagid.$phoneimei.basename($_files['image']['name' ]); // reading other post parameters $ = isset($_post[' '])? $_POST[' '] : ''; $Perigrafh = isset($_post['perigrafh'])? $_POST['Perigrafh'] : ''; $website = isset($_post['website'])? $_POST['website'] : ''; $response['file_name'] = basename($_files['image']['name']); $response[' '] = $ ; $response['perigrafh'] = $Perigrafh; $response['website'] = $website; //check if directory exists if (!file_exists($directory)) { mkdir($directory, 0777, true); try { // Throws exception incase file is not being moved if (!move_uploaded_file($_files['image']['tmp_name'], $target_path)) { // make error flag true $response['error'] = true; $response['message'] = 'Could not move the file!'; // File successfully uploaded $response['message'] = 'File uploaded successfully!'; $response['error'] = false; $response['file_path'] = $file_upload_url; $strsql = "INSERT INTO nfctag_content(nfctagid, linkimage, perigrafh, username, datenfc ) VALUES Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 98

99 ('".$NFCTagID."','".$file_upload_url."','".$Perigrafh."','".$phoneIMEI."','".$datenfc."') "; mysql_query($strsql); //get the ID generated for an AUTO_INCREMENT column by the previous query on success, //0 if the previous query does not generate an AUTO_INCREMENT value, or FALSE if no MySQL connection was established $NfcContentID=mysql_insert_id(); //Find the hashtags preg_match_all('/#([^\s]+)/', $Perigrafh, $matches); for ($i = 0; $i < count($matches[0]) ; $i += 1) { $strhashtag = PostG2G($matches[0][$i]); //convert from greeklish to Greek $strhashtag = mb_strtolower($strhashtag, 'UTF-8'); $strhashtag = xwris_tonous($strhashtag); $strhashtag = str_replace('"','', $strhashtag); $strsqlhashtag = "INSERT INTO hashtag(hashtagname) VALUES ('".$strhashtag."')"; mysql_query($strsqlhashtag); $hashtagid=mysql_insert_id(); $strsqlnfchashtag = "INSERT INTO nfchashtag(nfctag_contentid, hashtagid ) VALUES ('".$NfcContentID."','".$hashtagID."')"; mysql_query($strsqlnfchashtag); catch (Exception $e) { // Exception occurred. Make error flag true $response['error'] = true; $response['message'] = $e->getmessage(); Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 99

100 else { // File parameter is missing $response['error'] = true; $response['message'] = 'Not received any file!f'; mysql_close($objconnect); // Echo final json response to client echo json_encode($response); function PostG2G($text){ $Username = "android"; $Password = "g2g "; $url = " // bulid soap xml $data = "<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>". "<soap:envelope xmlns:xsi=' xmlns:xsd=' xmlns:soap=' " <soap:header>". " <ServiceAuthHeader xmlns=' " <Username>". $Username. "</Username>". " <Password>". $Password. "</Password>". " </ServiceAuthHeader>". " </soap:header>". " <soap:body>". " <GreeklishToGreek xmlns=' " <text><![cdata[". $text. "]]></text>". " </GreeklishToGreek>". " </soap:body>". "</soap:envelope>"; Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 100

101 //url $url = parse_url($url); // extract host and path: $host = $url['host']; $path = $url['path']; // open a socket connection on port 80 $fp = fsockopen($host, 80); // send the request headers: fputs($fp, "POST $path HTTP/1.1\r\n"); fputs($fp, "Host: $host\r\n"); fputs($fp, "Content-Type: text/xml;charset=\"utf-8\"\r\n"); fputs($fp, "Content-Length: ". strlen($data)."\r\n"); fputs($fp, "SOAPAction: \" fputs($fp, "Connection: close\r\n\r\n"); fputs($fp, $data); $result = ''; while(!feof($fp)) { // receive the results of the request $result.= fgets($fp, 128); // close the socket connection: fclose($fp); // split the result header from the content $result = explode("\r\n\r\n", $result, 2); $header = isset($result[0])? $result[0] : ''; $content = isset($result[1])? $result[1] : ''; //parse xml $dom = new domdocument; $dom->loadxml($content); Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 101

102 $nodelist=$dom->getelementsbytagnamens(" "GreeklishToGreekResult"); return $nodelist->item(0)->nodevalue; function xwris_tonous($hashtag_name) { $first = array('ά','ά','έ','έ','ή','ή','ί','ί','ϊ','ϊ','ΐ',' ','ό','ό','ύ','ύ','ώ','ώ'); $final = array('α','α','ε','ε','η','η','ι','ί','ι','ι','ι','','ο','ο','υ','υ','ω','ω'); $newhashtag_name = str_replace($first, $final, $hashtag_name); return $newhashtag_name;?> Το PHP αρχείο Upload.php δέχεται τις παραμέτρους που έχει στείλει η εφαρμογή μας και αποθηκεύει τα δεδομένα στη βάση δεδομένων. Επίσης στο συγκεκριμένο στάδιο γίνεται και ο διαχωρισμός των hashtags του κειμένου του χρήστη τα οποία θα χρησιμοποιηθούν μετέπειτα κατά την αναζήτηση των δημοσιεύσεων απο άλλους χρήστες. Για την αποδοτικότερη λειτουργία της εφαρμογής γίνεται μετατροπή στα Ελληνικά των hashtags που είναι γραμένα με greeklish. Για να πραγματοποιηθεί η μετάφραση των hashtags απο τα Greeklish στα Ελληνικά χρησιμοποιήσαμε το web service της εταιρείας INNOETICS ή οποία μας παρείχε αφιλοκερδώς το web service GreeklishToGreek Οι Δυνατότητες της εφαρμογής NFC Community Patras Για την υλοποίηση της εφαρμογής έχουμε κατανέμει ετικέτες NFC σε διάφορα σημεία του πανεπιστημίου Πατρών. Ο λόγος που έγινε αυτό είναι για να μπορούν όσο το δυνατόν περισσότεροι χρήστες να έχουν πρόσβαση στην εφαρμογή. Για να χρησιμοποιήσει κάποιος την συγκεκριμένη εφαρμογή θα πρέπει το κινητό του να διαθέτει NFC (near field communication) το οποίο θα το έχει ενεργοποιημένο όπως Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 102

103 επίσης θα πρέπει να έχει πρόσβαση στο internet. Αν ο χρήστης δεν έχει ενεργοποιημένο το NFC ή το WiFi ή τα Δεδομένα του κινητού του τότε η εφαρμογή θα του δώσει τη δυνατότητα να μεταβεί στις ρυθμίσεις της συσκευής ώστε να τα ενεργοποιήσει. Εικόνα 34. Αδυναμία εισόδου στην εφαρμογή. Στη συνέχεια αφού έχει ενεργοποιήσει το NFC και το Internet τότε μπορεί να συνεχίσει στην εφαρμογή αφού πρώτα φέρει την κινητή συσκευή κοντά σε μια ετικέτα nfc. Η συγκεκριμένη εφαρμογή είναι μια εφαρμογή κοινωνικής δικτύωσης όπου όπως και σε όλες τις άλλες παρόμοιες εφαρμογές δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη να προσθέσει το δικό του σχόλιο συμπεριλαμβάνοντας hashtags, emoticons, φωτογραφίες και video. Η λογική και οι δυνατότητες που παρέχει στον χρήστη η εφαρμογή NFC Community Patras παρουσιάζονται στο επόμενο διάγραμμα ροής. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 103

104 Διάγραμμα 1. Διάγραμμα ροής δεδομένων της εφαρμογής μας. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 104

105 Όπως μπορούμε να δούμε η εφαρμογή δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να υποβάλει τη δική του δημοσίευση συμπεριλαμβάνοντας σχόλια, hashtags, emoticons φωτογραφίες ή βίντεο. Μέσω της συγκεκριμένης εφαρμογής μπορούν οι χρήστες να ανταλλάσουν απόψεις να δίνουν συμβουλές και προτάσεις σε άλλους χρήστες και να ενημερώνονται για διάφορα θέματα γύρω απο την περιοχή που βρίσκεται η συγκεκριμένη ετικέτα nfc. Αυτο που κάνει την συγκεκριμένη εφαρμογή να ξεχωρίζει είναι η κατηγοριοποίηση των δημοσιεύσεων των χρηστών με βάση τα hashtags που έχουν συμπεριλάβει στις δημοσιεύσεις τους. Επίσης κατά την πληκτρολόγηση του κειμένου της δημοσίευσης η εφαρμογή εμφανίζει στον χρήστη κάποια προτεινόμενα hashtags και emoticons τα οποία μπορεί να τα συμπεριλάβει απευθείας στο κείμενο που θέλει να δημοσιεύσει χωρίς να χρειαστεί να τα πληκτρολογήσει. Κατά την υλοποίηση της εφαρμογής δοκιμάσαμε διάφορους κανόνες κατηγοριοποίησης των δημοσιεύσεων. Αρχικά δοκιμάσαμε την εμφάνισή τους αντίστροφα με την σειρά υποβολής τους, δηλ. οι πιό πρόσφατες δημοσιεύσεις εμφανίζονταν πρώτες, πάνω-πάνω, στη λίστα. Αυτό όμως είχε σαν αποτέλεσμα ο χρήστης να χρειάζεται να σκρολάρει πολλές φορές μέχρι να βρεί την δημοσίευση που τον ενδιαφέρει. Στη συνέχεια αποφασίσαμε να κάνουμε κατηγοροιοποίηση των δημοσιεύσεων. Έτσι λοιπον στραφήκαμε στο να σαρώσουμε το κείμενο και να αναζητούμε λέξεις κλειδιά που μπορεί να περιέχονται. Αυτός ο τρόπος κατηγοριοποίησης ενώ βελτίωνε την εμφάνιση των αποτελεσμάτων είχε σαν αποτέλεσμα την καθυστέρηση της εφαρμογής. Ο λόγος είναι οτι κάθε φορά που καταχωρούνταν μια δημοσίευση θα έπρεπε να γίνεται ανάλυση του κειμένου ώστε να αναζητούνται λέξεις κλειδιά, αν αναλογιστούμε ότι μελλοντικά η εφαρμογή μπορεί να χρησιμοποιείται ταυτόχρονα από πολλούς χρήστες τότε καταλαβαίνουμε πόσο θα καθυστερούσε η εφαρμογή μέχρι να υποβληθεί η δημοσίευση. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 105

106 Όλα αυτά μας οδήγησαν στο να κατευθυνθούμε στην αξιοποίηση των hashtags για την κατηγοριοποίηση και την ομαδοποίηση των δημοσιεύσεων. Η λέξη hashtag προέρχεται από την ένωση των λέξεων hash και tag, δηλαδή του συμβόλου # και μιας ετικέτας (λέξης). Η πρώτη χρήση hashtag στα Social Media πραγματοποιήθηκε στο Twitter το 2007 και έκτοτε χρησιμοποιείται έως και σήμερα για την κατηγοριοποίηση συζητήσεων και δημοσιεύσεων. Ένα hashtag, δηλαδή, μπορεί να προσδώσει νόημα σε μία δημοσίευση η οποία υπό άλλες συνθήκες να μην είχε νόημα, διότι δείχνει σε τι αναφέρεται. Ετσι λοιπόν οδηγηθήκαμε στην χρήση των hashtags για την κατηγοριοποίηση των δημοσιεύσεων των χρηστών. Η κατηγοριοποίηση με βάση τα hashtags απο μόνη της δεν ήταν αρκετή δεδομένου ότι και πάλι θα είχαμε πάρα πολά διαφορετικά hashtags που θα αναφέρονται σε δημοσιευσεις. Επομένως και σε αυτή την λύση ο χρήστης θα έπρεπε να σκρολάρει την λίστα με τα hashtag μέχρι να βρεί αυτό που τον ενδιαφέρει. Ο επόμενος στόχος μας ήταν η ταξινόμηση αυτών των hashtags με κάποιο τρόπο που θα μπορούσε να προβλέψει τις «αναζητήσεις» του χρήστη. Αρχικά χρησιμοποιήσαμε την συχνότητα εμφάνισης των hashtags για την ταξινόμησή τους, δηλ τα πιο πολυεμφανιζόμενα hashtag εμφανίζονταν πάνω πάνω στη λίστα. Αν και αυτή η σκέψη βελτίωσε την αρχική ταξινόμηση και την κατηγοριοποίηση των δημοσιεύσεων δεν κατάφερε όμως να είναι τόσο αποδοτική όσο πιστεύμε. Ο λόγος είναι ότι οι χρήστες αναζητούν δημοσιευσεις όχι μόνο με το τι είναι πιο συχνό αλλά και με βάση την χρονική στιγμή που αναζητεί κάτι. Για παράδειγμα αν θεωρήσουμε ότι οι πιο πολλές δημοσιευσεις έγιναν πρωινές ώρες τότε η πιθανότητα το hashtag #coffee να έμφανίζεται πάρα πολλές φορές στις δημοσιευσεις των χρηστών είναι πολύ μεγάλη. Αν όμως ένας χρήστης χρησιμοποιήσει την εφαρμογή βραδυνές ώρες τότε πολύ πιθανό είναι να μην τον ενδιαφέρουν οι δημοσιεύσεις που αφορούν τον καφέ. Όμοια το ίδιο μπορεί να συμβεί και με τις ημέρες της εβδομάδας όπου άλλα ενδιαφέροντα έχουν οι χρήστες τις καθημερινές και άλλα το Σαββατοκύριακο. Προσπαθώντας λοιπόν να κατανοήσουμε τις ανάγκες των χρηστών και να τους βοηθήσουμε ώστε να βρίσκουν εύκολα και χρήγορα αυτό που θέλουν την κάθε Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 106

107 στιγμή αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε και άλλες παραμέτρους πέρα απο την συχνότητα εμφάνισης των hashtags. Οι παράμετροι αυτοί ήταν χρονικοί και ημερολογιακοί παράμετροι. Συνδέσαμε λοιπόν κάθε διαφορετικό hashtag με μια πιθανότητα όπου η πιθανότητα αυτή είναι η πρόβλεψή μας να έχει αναζητηθεί απο τον χρήστη. Ο τύπος που με τον οποίο υπολογίζουμε την πιθανότητα εμφάνισης των hashtag στη λίστα των πιθανών ενδιαφερόντων του χρήστη είναι ο εξής: P= 0.5*f+ 0.3*r *r2 (1) Όπου f είναι η συχνότητα εμφάνισης των hashtags στις δημοσιεύσεις των χρηστών που έχουν ήδη υποβληθεί, r1 είναι η χρονική απόκλιση της κάθε δημοσίευσης/hashtag σε σχέση με την συγκεκριμένη χρονική στιγμή την οποία ο χρήστης κάνει αναζήτηση στις δημοσιεύσεις που έχουν υποβληθεί και τέλος r2 είναι η ημερολογιακή απόκλιση της κάθε δημοσίευσης/hashtag σε σχέση με την συγκεκριμένη ημέρα την οποία ο χρήστης κάνει αναζήτηση στις δημοσιεύσεις που έχουν υποβληθεί. Πιο συγκεκριμένα μας ενδιαφέρει κάθε φορά να ενφανίσουμε τον χρήστη τα πιθανότερα hashtag/δημοσιευσεις τα οποία πιθανώς τον ενδιαφέρουν εκείνη τι στιγμή. Η λογική με την οποία κατηγοριοποιήσαμε τις δημοσιευσεις είναι με βάση τη συχνότητα εμφάνισής τους αλλά και με βάση την ώρα και την ημέρα την οποία κάνει αναζήτηση ο χρήστης. Θα μπορούσε κάποιος να αναρωτηθεί γιατί δεν κάναμε την κατηγοριοποίηση και με βάση τον χώρο που βρίσκεται ο χρήστης. Ο λόγος είναι ότι η δομή της εφαρμογής είναι τέτοια ώστε να μην επιτρέπει σε ένα χρήστη που έχει «διαβάσει» μια ετικέτα NFC να μπορεί να δεί δημοσιεύσεις που έχουν υποβληθεί στις άλλες ετικέτες NFC. Η λογική πάνω στην οποία βασίζεται η εφαρμογή είναι ότι οι ετικέτες αυτές θα είναι διασκορπισμένες σε διάφορα στατικά σημεία στο χώρο, στο συγκεκριμένο πείραμα ο χώρος αυτός είναι το πανεπιστήμιο Πατρών, οπότε ο κάθε χρήστης θα υποβάλει τη δημοσίευσή του με βάση το συγκεκριμένο σημείο, δηλ. θέματα που αφορούν το Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 107

108 συγκεκριμένο χώρο ή περιοχή, και θα διαβάζει τις δημοσιεύσεις άλλων χρηστώv που αφορούν το συγκεκριμένο σημείο (NFC Tag). Όπως συμπεραίνουμε απο τα παραπάνω η εφαρμογή, όταν ο χρήστης επιλέξει τη προβολή των δημοσιευσεων των άλλων χρηστών, δημιουργεί μια λίστα με όλα τα hashtags που έχουν αναφερθεί σε δημοσιευσεις που πιθανώς θα ενδιαφέρουν τον χρήστη. Εικόνα 35. Προβολή των προτεινόμενων hashtag Στη συνέχεια ο χρήστης μπορεί να επιλέξει κάποιο απο τα συγκεκριμένα hashtag ώστε να δεί όλες τις σχετικές με αυτό το hashtag δημοσιεύσεις (Εικόνα 35). Αν δεν τον ενδιαφέρει καμία απο αυτές τις κατηγορίες τότε μπορεί να επιλέξει την τελευταία επιλογή στη λίστα και να φορτώσει όλες τις δημοσιευσεις που έχουν υποβληθεί στο συγκεκριμένο NFC Tag. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 108

109 Εικόνα 36. Προβολή των δημοσιευσεων που αφορούν το Πανεπιστήμιο Πατρών. Ένα άλλο χρήσιμο χαρακτηριστικό της συγκεκριμένης εφαρμογής είναι ότι εκτός απο την κατηγοριοποίηση και ταξινόμηση των hashtags για την δημιουργία της λίστας με τις προτεινόμενες κατηγορίες δημσιεύσεων είναι και η δημιουργία προτεινόμενων hashtags κατά την υποβολή μιας δημοσίευσης απο έναν χρήστη. Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 109

110 Εικόνα 37. Προβολή των προτεινόμενων hashtags κατά την υποβολή δημοσίευσης Όπως μπορούμε να δούμε στην εικόνα 36 κατά την πληκτρολόγηση κτου κειμένου του χρήστη και μόλις αυτός πληκτρολογήσει τον χαρακτήρα «#» η εφαρμογή του εμφανίζει μια λίστα με τα hashtags τα οποία πιθανώς θα θέλει να συμπεριλάβει στη δημοσίευσή του. Με αυτόν τον τρόπο ο χρήστης μπορεί να υποβάλει τη δημοσίευσή του πιο γρήγορα αφού σε πολλές περιπτώσεις δε χρειάζεται να πληκτρολογεί όλα τα hashtags αφού μπορεί να επιλέξει αυτά που τον ενδιαφέρουν κατευθείαν απο την προτεινόμενη λίστα και να προστεθούν αυτόματα στο κείμενό του. 7.5 Αποτελέσματα Κατά τη διαδικασία της χρήσης του συστήματος και την ασφαλέστερη εξαγωγή συμπερασμάτων έγινε αρχικοποίηση τους συτήματος με δεδομένα που λάβαμε απο το Panoramio ( Το panoramio δίνει τη δυνατότητα να λάβει κανείς φωτογραφίες με βάση μια συγκεκριμένη περιοχή. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας χρησιμοποιήσαμε μόνο φωτογραφίες και σχόλια που έχουν Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Σελίδα 110