Afet Senaryoları için Akıllı Telefon Tabanlı Altyapısız İletişim. Smartphone-based Infrastructureless Communication for Disaster Scenarios

Transkript

1 Afet Senaryoları için Akıllı Telefon Tabanlı Altyapısız İletişim Görkem Karadeniz, Can Tunca, Sinan Işık*, Cem Ersoy Boğaziçi Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, NETLAB, İstanbul *Boğaziçi Üniversitesi, Matematik Bölümü, İstanbul Özet: Afet sonrasında iletişim ve bilgi paylaşımının sağlanması hem felaketzedeler hem de kurtarma ekipleri açısından kritik öneme sahiptir. Zamana karşı yarışın olduğu bu dönemde iletişim altyapısının genellikle kullanılamaz hale geldiği ve tamirinin vakitli bir şekilde sağlanamadığı görülmüştür. Bu bildiride, afet sonrası iletişim için akıllı telefonlar üzerinde, altyapıya gereksinim duymadan çalışan, gecikme toleranslı bir sistem tanıtılmaktadır. Sunulan çözümün temel özelliği standart Android tabanlı akıllı telefonlarda yönetici yetkisi istemeden çok atlamalı iletişim imkanı sağlamasıdır. Ayrıca bu uygulama birçok benzerinden farklı olarak herhangi bir kullanıcı müdahalesine ihtiyaç duymadan cihazlar arasında çok atlamalı bilgi paylaşımı sağlamaktadır. Uygulamamızın işlevselliği çeşitli deneylerle incelenmiş ve umut vadeden sonuçlar alınmıştır. Anahtar Sözcükler: Afet, Acil Durum, Gecikme Toleranslı İletişim, Altyapısız İletişim, Akıllı Telefon. Smartphone-based Infrastructureless Communication for Disaster Scenarios Abstract: Communication and information sharing are of utmost importance, especially after disasters, both for the search and rescue teams and the survivors. Disasters have a tendency to impede the operation of the communication infrastructures, and the timely recovery of the functionalities is usually not possible. In this paper, we present an infrastructureless, delay tolerant communication system designed to operate on smartphones. The key feature of the proposed system is that it can work on Android smartphones with standard configurations, without requiring root privileges, contrary to other proposals in the literature. In addition, the system supports seamless multi-hop communications, without requiring any intervention by the users of the intermediate devices. The operability and the performance of the proposed system is evaluated through real tests and promising results are obtained. Keywords: Disaster, Emergency, Delay Tolerant Communication, Infrastructureless Communication, Smartphone. 1. Giriş 17 Ağustos 1999 da yaşanan Gölcük depremi, saniyeler içinde geniş alanlarda elektrik kesintilerine, telefon altyapılarının çökmesine yol açmıştır. Bu altyapıların tamamen işlevsel hale gelmesi yaklaşık on gün gibi uzun bir süre almıştır. Bu kesintiler, haberleşmenin büyük önem taşıdığı arama, kurtarma çalışmalarını da etkilemiştir. Özellikle kritik bölgelerden haber almayı ve arama/kurtarma ekiplerinin koordinasyonunu sağlayacak hareketli, geçici GSM yapılarının kurulmasındaki gecikme 24 saati bulmuştur [1]. Bu tür doğal afetler maalesef hayatımızın göz ardı edilemez bir parçasıdır. Bu sebeple, afet senaryolarında çalışabilecek haberleşme sistemlerinin geliştirilmesi, daha çok hayatın kurtarılabilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Özellikle Altın Saatler olarak 724

2 Şekil 1. Afet sonrası haberleşme adlandırılan ilk 72 saat içinde yapılacak kurtarma çalışmaları çok daha kritiktir [2]. Bu sistemlerin sağlayabileceği imkanlar arasında, kazazedelerin yakınlarıyla haberleşmesi, yardım çağrısında bulunması veya en yakın barınağın yerini öğrenmesi de sayılabilir. Merkezi haberleşme sistemlerinin sansür altında olduğu durumlarda da daha serbest haberleşme olanakları sunulabilir. Örnek bir senaryo Şekil 1 de verilmiştir. Gelişen teknoloji ile birlikte telekomünikasyon cihazları, özellikle akıllı telefonlar, hayatımızın vazgeçilmez parçaları haline gelmiştir. Uluslararası Telekomünikasyon Birliği nin (ITU) verilerine göre cep telefonu abonelik sayısı 2014 yılında yedi milyar civarına ulaşmıştır [3]. Bu telefonların büyük bir kısmını birçok haberleşme standardını barındıran akıllı telefonlar oluşturmaktadır. Fakat bu teknolojileri işler kılan altyapıların varlığı birçok son kullanıcı tarafından fark edilmemektedir. Ancak doğal veya insan kaynaklı bir afet esnasında bu altyapıların hasar görmesi veya beklenenden daha yoğun kullanılması, merkezi bir yapıya bağımlı cihazların fonksiyonlarını ciddi ölçüde kesintiye uğratmaktadır. Bu tarz kriz durumlarında, özellikle akıllı telefonların telekomünikasyon yeteneklerini altyapıdan bağımsız olarak etkin biçimde kullanabilecek yöntemler değer kazanır. Literatürde akıllı telefonlar için tasarlanmış dağıtık haberleşme sistemleri mevcuttur. Bu önerilerde WiFi, Bluetooth gibi birçok standart göz önünde bulundurulmuştur. Önemli çalışmalar arasında, WiFi ve Android tabanlı Serval Projesi [4], ios tabanlı HelpMe projesi [5] ve dağıtık bir Twitter alternatifi sunmayı hedefleyen Twimight [6] bulunmaktadır. Fakat mevcut çoğu öneri, piyasadaki standart akıllı telefonların yönetici yetkileriyle yeniden yapılandırılmasını gerektirmekte ve kullanıcıların alışıldık kullanım deneyimlerini kısıtlamaktadır. Bu bildiride Android işletim sistemi kullanan akıllı telefonlar üzerinde Bluetooth tabanlı çalışan, gecikme toleranslı, fırsatçı ve dağıtık bir haberleşme sistemi sunulmaktadır. Benimsenen gecikme ve sekte toleranslı sistem mimarisi afet senaryolarında kullanıma uygundur [7]. Önerilen yöntemin temel özelliği benzer diğer bazı çözümlerden farklı olarak yönetici yetkisine ya da ve cihaz içerisine gömülü herhangi bir yazılımın yeniden yapılandırılmasına ihtiyaç duymadan birçok Bluetooth destekli Android cihazda çalışabilmesidir (En son uygulama Android 4.1 versiyonu ve yukarısı içindir). Ayrıca geliştirdiğimiz uygulama, kullanıcı müdahalesine ihtiyaç duymadan cihazlar arasında çok atlamalı bilgi paylaşımı sağlayabilmektedir. Bunlara ek olarak uygulamamızın performansı gerçek testlerle değerlendirilmiş ve alınan umut verici sonuçlar son bölümde okur ile paylaşılmıştır. 2. Sistem Mimarisi Önerdiğimiz acil durum iletişim sisteminin geliştirilmesinde göz önünde bulundurulan asıl faktör, sistemin erişilebilir ve olabildiğince fazla kullanıcı tarafından kullanılabilir olmasıdır. Bu sebepten ötürü geliştirme ortamı olarak Android işletim sistemi seçilmiştir. Android işletim sistemi, Samsung ve Motorola dahil önemli akıllı telefon üreticileri tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır ve geçtiğimiz birkaç yıl içerisinde markette güçlü bir konum etmiştir. 725

3 Öncü çalışmalarımız sırasında, görece yeni bir teknoloji olan Wi-Fi Direct in kullanılabilirliği denenmiştir. Bu yöntem daha uzak mesafeler ile bağlantı kurulmasını mümkün kılmaktadır, fakat Android işletim sisteminin, kullanıcıların müdahalesi (arayüzde çıkan bir diyalog aracılığı ile) olmadan cihazların birbiriyle bağlantı kurmasına izin vermemesi sebebiyle çalışmalara Bluetooth ile devam edilmiştir. Bu bölümde sistemimizin yapısal detayları verilmiştir. Sistem kipleri, modüller ve birbirleriyle etkileşimleri detaylı bir biçimde anlatılmaktadır. görülür. Kullanıcı belirli kişilere çok atlamalı şekilde ulaşacak mesajlar gönderebilir. Düğümlerin hareketli olduğu büyük çaplı ağ şartlarında uçtan uca kesintisiz bağlantı sağlamak zordur. Bu sebeple önerdiğimiz sistemde, çok atlamalı haberleşmeyi sağlamak için sakla ve ilet yaklaşımını benimsedik. Bu yaklaşım sayesinde kullanıcıların hareketi, paketlerin daha uzun mesafeler kat etmesi için bir avantaj haline gelmektedir. Örnek bir çok atlamalı haberleşme senaryosu Şekil 2 de verilmiştir. 2.1 İşlem Kipleri Sistemin iki temel işlem kipi bulunmaktadır, bunlar: Mesaj Yayımlama (Broadcast) ve Doğrudan Mesajlaşma. Bu kipler, paketlerin ulaştırılacağı hedef kullanıcıları belirler. Mesaj Yayımlama: Sistemin kullanıcılar tarafından acil durum anonslarını yayımlamak amacıyla, bir alıcı belirtmeden Şekil 3. Modül ilişkileri. (a) Gelen paketler için, (b) Giden paketler için. 2.2 Sistem Modülleri Sistemimiz birçok farklı görevi yerine getiren modüllerden oluşmaktadır. Bu bölümde modüllerin işlevsel detayları okuyucuya sunulmaktadır. Modüllerin birbiriyle ilişki-lerine Şekil 3 te yer verilmiştir. Şekil 2. Hareketli kullanıcılarla çok atlamalı haberleşme senaryosu kullanılabilmesi için mesaj yayımlama kipine gerek duyulmaktadır. Örneğin deprem sonrası kullanıcı bir bina içerisinde mahsur kalmış yardım çağrısında bulunuyor ya da sokaklarda erzak yardımına muhtaç durumda bekliyor olabilir. Yayın mesajları çok atlamalı bir şekilde olabildiğince fazla kullanıcıya ulaşmayı amaçlamaktadır. Afetzede mesaj içerisinde adresini ya da konum bilgisini ekleyebilir ve böylelikle arama kurtarma ekiplerine durum bilgisini ulaştırabilir. Doğrudan Mesajlaşma: Afet sonrasında insanların genel olarak aile ve arkadaşlarına ulaşıp durumları hakkında bilgi paylaşmayı denedikleri görülmektedir. Böyle bir durumda sistemin doğrudan mesaj özelliğinin kullanışlı olduğu Bağlantı Dinleme Modülü: Bu modül dışarıdan gelen bağlantı isteklerini dinler. Uygulamamız aynı anda 3 farklı isteği kabul edebilir; sebebi uygulamanın her biri ayrı bir kanalı ifade eden üç farklı UUID yi dinlemesidir. Bir UUID üzerinden Bluetooth bağlantı isteği geldiğinde kanal müsait ise iki cihaz arasında bir bağlantı kurulur. Bir kanal üzerindeki bağlantının başarılı ya da başarısız bir şekilde son bulması durumunda dinleme modülü tekrar aynı UUID yi dinlemeye başlar. Tarama Modülü: Bu modül bağlanılacak diğer cihazları arama ve bulma görevini yerine getirir. BluetoothAdapter sınıfının cihaz keşif fonksiyonları bu modül tarafından kontrol edilmektedir. Tarama süresi Android işletim sisteminde varsayılan olarak 12 saniyedir ancak uygulamamız bu işlemin sadece 3 saniyesini kullanmaktadır. Tarama sonlandıktan sonra modül belirli rast- 726

4 lantısal bir aralık boyunca uyur, böylelikle iki cihazın sürekli olarak aynı anda tarama yapma ve birbirlerini görememe olasılığı düşürülür. Uyku süresi bittikten sonra modül tarama Şekil 4. Örnek eşlenme senaryosu işlemini yeniden başlatır ancak eğer local veritabanında iletilecek bir paket yok ise tarama işlemi başlamaz ve böylelikle enerji tasarrufu sağlanır. Paket İşleme Modülü: Paket işleme modülü blocking wait kullanarak diğer cihazlardan gelen paketleri işleme görevini yerine getirir. Paket alanları incelenir ve gelen paket türüne göre gerekli işlem yerine getirilir. Eğer işlenen paketin alıcısı cihazın kendisi ise mesaj grafiksel arayüze iletilir değil ise paket atlama ömrü bir azaltılarak lokal veritabanına depolanır. Eğer gelen paket türü yayın paketi ise grafiksel arayüzde gösterilir. Eğer gelmiş olan paketin alıcısı başka bir cihaz ise aşağıda açıklanan 3 olasılık kontrol edilir: (i) Alıcı ile arada aktif bir bağlantı var ise paket doğrudan o cihaza iletilir. (ii) Alıcı arada aktif bir bağlantı yoksa ancak yakın zamanda bir bağlantı kurulmuş ise tarama modülünün uyku dönemi kesilerek erken bir tarama başlatılır. (iii) Eğer herhangi başka bir cihaz ile aktif bağlantı var ise o cihazla tekrar eşlenme başlatılır. Bağlantı Karar Modülü: Bu modül içerisinde tarama modülü tarafından bulunan cihazlar ile bağlantı kurulmaya ihtiyaç olup olmadığına karar verilmektedir. Lokal veri tabanında iletilecek paket yok ise bağlantı kurulmaya çalışılmaz. Şekil 5. Uygulama arayüzü Bağlantı İstek Modülü: Bu modül karar modülünden gelen istek doğrultusunda başka bir cihaz ile bağlantı kurar. Android işletim sisteminde, başka bir cihazın bağlantıya uygun belirli UUID leri dinleyen Bluetooth soketlerini araştırmak; o soketlere bağlanmayı denemek ile eşit oranda enerji ve zaman harcayan bir işlemdir. Bu sebepten sistemimiz doğrudan uygulama içerisinde tanımlanmış olan 3 UUID yi sırasıyla kullanarak bağlantı kurmayı denemektedir. Eğer bağlantı kurma isteği kabul edilirse iki cihaz arasında bir bağlantı açılır ve eşlenme işlemine başlanır. Eşlenme Modülü: Gelen bir bağlantı isteği kabul edildiğinde ya da dışarı gönderilen bir bağlantı isteğine olumlu yanıt alındığında bir iletişim iş parçacığı başlatılır. Uygulamamızda aynı anda çalışabilecek olan iletişim iş parçacıklarının sayısı 6 ile sınırlanmıştır (üç tanesi gelen bağlantılar ve 3 tanesi giden bağlantılar için). Bunun temel nedeni akıllı telefonlar üzerinde kullanılan Bluetooth yongalarının yapısal sınırlamalarıdır. İki cihazın aralarındaki mesaj alışverişi eşlenme olarak adlandırılmaktadır. Eşlenme işlemi gereğinden fazla paket iletim denemelerini engeller. Cihazlar eşlenme zaman kayıtlarını kullanarak, sadece en son görüşmelerinden sonra ellerine geçen 727

5 4. Sonuç ve Öneriler Şekil 6. Test sonuçları paketleri birbirlerine iletmeyi denerler. Daha önceki paketler iletilmeye çalışılmaz ve böylelikle enerji ve sure tasarrufu sağlanır. Örnek bir eşlenme senaryosu Şekil 4 te verilmiştir. Geliştirdiğimiz uygulamanın arayüzü Şekil 5 te gösterilmektedir. Esas işleve kolay erişim sağlayacak, sezgisel bir tasarım anlayışı benimsenmiştir. Farklı kullanıcılarla yürütülen konuşmalar ayrı ayrı gruplanmış ve mesaj yayımlama kipi de arayüzde ayrı ve kolay erişilebilir bir şekilde yer bulmuştur. 3. Başarım Değerlendirmesi Önerdiğimiz sistemin başarımını çok sayıda cihazla açık alan kampüs ortamında gerçekleştirilen testle değerlendirdik. Bu test için 8 adet Android işletim sistemi yüklü telefon kullanılmıştır (3 x Samsung Galaxy Note 2, 2 x Motorola Moto G, 2 x Samsung Galaxy S4 Mini, 1 x Samsung Galaxy S4). Kullanılan telefonların marka ve modellerinin farklılığı önerdiğimiz sistemin genel kullanışlılığına dair bir göstergedir. Testi otomatik hale getirmek amacıyla belirli sıklıklarda otomatik paket oluşturan bir yapı uygulama içerisine yerleştirilmiştir. Üretilen paketlerde mesaj yayımlama kipi kullanılmış ve paketler test içerisindeki tüm cihazlara dağıtılmıştır. 30 dakika süren testte toplam 500 paket oluşturulmuştur. Test sonuçları Şekil 6 da verilmiştir. Değişik sayıda atlama yapan paketlerin ortalama gecikmeleri gösterilmektedir. Telefon enerji harcamalarının en aza indirgenmesi amacıyla bağlantı aralığını belirleyen değişkenler büyük tutulmuş ve gecikmelerin artması pahasına, kullanıcı deneyiminin önerdiğimiz sistemin ek yükünden etkilenmemesi sağlanmıştır. Paketlerin çok sayıda atlama ile dahi hedefe ulaştırıldığı ve sistemin başarıyla çalıştığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmada, afet sonrası iletişim için Android akıllı telefonlar üzerinde çalışan, Bluetooth tabanlı, altyapıya gereksinim duymayan, gecikme toleranslı bir sistem tasarlanmış ve uygulanmıştır. Sunulan çözümün en temel özelliği standart Android akıllı telefonlarda, yönetici yetkisi istemeden ve cihaz üzeri yongaların yeniden yapılandırılmasına ihtiyaç duyulmadan çok atlamalı iletişim imkanı sağlamasıdır. Ayrıca bu sistem, herhangi bir kullanıcı müdahalesine ihtiyaç duymadan çok atlamalı bilgi aktarımı sağlamaktadır. Uygulamamızın performansı gerçek testlerle incelenmiş ve işlevsel özelliklerinin paket gecikmesine olan etkileri değerlendirilmiştir. Yapılanlara ek olarak çevresine uyum sağlayabilen bağlantı zaman aşımı ve cihaz tarama yöntemlerinin uygulamaya geçirilmesi sistemin genel performansını olumlu yönde etkileyecektir. Veri güvenliği de bu makalede değinilmemiş bir başka önemli konudur. Gelecekte, kötü niyetli kullanıcıların önerdiğimiz sistemin amaçlarını sekteye uğratmasını engelleyecek güvenlik yöntemlerinden faydalanmayı planlıyoruz. Ayrıca sistemin başarımını daha büyük çaplı testlerle değerlendirmeyi hedefliyoruz. 5. Kaynaklar [1] Focus Group on Disaster Relief Systems, Network Resilience and Recovery, Telecommunications and Disaster Mitigation, itu.int/en/itu- T/focusgroups/drnrr/Documents/ Technical report pdf, ITU-T, Tech. Rep., [2] Y.-N. Lien, H.-C. Jang, and T.-C. Tsai, A manet based emergency communication and information system for catastrophic natural disasters, in Distributed Computing Systems Workshops, ICDCS Workshops th IEEE International Conference on, June 2009, pp [3] The Key ICT Data for The World, Mobile Cellular Subscriptions, itu.int/en/itu-d/statistics/pages/stat/ default. aspx, ITU-T, Tech. Rep., [4] P. Gardner-Stephen, The serval project: Practical wireless ad-hoc mobile telecommunications, Rural, Remote & Humanitarian Telecom- munications Fellow, Flinders University and Founder, Serval Project, Inc, vol. 3, [5] O. Mokryn, D. Karmi, A. Elkayam, and T. Tell- 728

6 er, Help me: Opportunistic smart rescue application and system, in Ad Hoc Networking Workshop (Med-Hoc-Net), 2012 The 11th Annual Mediterranean, June 2012, pp [6] F. Legendre, T. Hossmann, F. Sutton, and B. Plattner, 30 years of wireless ad hoc networking research: What about humanitarian and disaster relief solutions? what are we still missing? in Proceedings of the 1st International Conference on Wireless Technologies for Humanitarian Relief (ACWR), Amritapuri, Kollam, Kerala, India, 2011, pp [7] M. Khabbaz, C. Assi, and W. Fawaz, Disruption-tolerant networking: A comprehensive survey on recent developments and persisting challenges, Communications Surveys Tutorials, IEEE, vol. 14, no. 2, pp , Second