Geolokace a geolokační techniky

1. Geolokaceageolokační techniky Jaroslav Srp ČVUT v Praze, Fakulta dopravní Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství DATAKON 2011

2. Osnova • Co je to geolokace ? • Význam geolokování. • Geolokační techniky • databázové, mobilní, satelitní, v internetu • Protokoly a standardy • Geolokace SuHa • sestavení systému, optimalizace, experimentální měření Jaroslav Srp, DATAKON 2011

3. Mgr. Jaroslav Srp • Univerzita Karlova v Praze • Matematicko-fyzikální fakulta • Informatika – softwarové systémy, 2008 (Mgr.) • České vysoké učení technické v Praze • Fakulta dopravní • Ústav bezpečnostních technologií a inženýrství • vědecký pracovník (bezpečnost systémů v prostředí IT, internetu, lidské společnosti, …) • Ph.D. student (bezdrátové senzorické sítě) Jaroslav Srp, DATAKON 2011

4. Úvod do geolokace Geolokace, geolokační techniky Význam geolokace Jaroslav Srp, DATAKON 2011

5. Geolokace Jaroslav Srp, DATAKON 2011

6. Geolokace Statické objekty Jaroslav Srp, DATAKON 2011

7. Geolokace Dynamické objekty Jaroslav Srp, DATAKON 2011

8. Geolokace • … je jistým typem úlohy, jejímž vstupem jsou informace o příslušném objektu a výstupem je jeho konkrétní poloha „kdekoli“ na Zemi. • … zastřešuje všechny možné postupy, jak lze výslednou polohu objektu určit. • Speciálně: geolokace určuje polohu libovolného výpočetního uzlu v síti Internet „kdekoli“ na Zemi. • Obecně: geolokace určuje polohu libovolného objektu „kdekoli“ na Zemi. Jaroslav Srp, DATAKON 2011

9. Geolokační techniky • … jsou to způsoby (metody, postupy, …), jak určit polohu libovolného objektu (výpočetního uzlu) kdekoli na Zemi (eventuelně i mimo Zemi – ve vesmíru, …). Jaroslav Srp, DATAKON 2011

10. Význam geolokace • Služby lidem • navigace • logistika • monitoring pohybu vozidel a osob • nástroj pro prevenci resp. objasňování kriminality • podpora domácího vězení • Monitorování pohybu zvířat • Orientace lodí a letadel • systémy pro řízení letecké dopravy Jaroslav Srp, DATAKON 2011

11. Význam geolokace • Eliminace kybernetické kriminality • určení místa zdroje útoku (spam, phishing, hacking, …) • odhalení – dopadení útočníka • Eliminace útoků na internetové bankovnictví • určení polohy bankovní aplikace i polohy klienta • eliminace phishingových útoků • Ostatní • určení jazykové oblasti objektu (osoby), kraje, města cílená reklama Jaroslav Srp, DATAKON 2011

12. Geolokační techniky Triangulace, trilaterace. Veřejné databáze, mobilní sítě, senzorické sítě, satelitní systémy, geolokace v Internetu Jaroslav Srp, DATAKON 2011

13. Odlišnosti mezi technikami • Způsob určení výsledné polohy • zdrojová data, zvolená metoda • Uplatnitelnost v daném prostředí • Přesnost • metry až stovky kilometrů • Náchylnost na výkyvy okolního prostředí • Rychlost určení polohy • sekundy až minuty (desítky minut) Jaroslav Srp, DATAKON 2011

14. Rozdělení technik I • aktivní • vysílání iniciálních, dotazovacích nebo testovacích dat pro získání dat k výpočtu • viditelné / odhalitelné techniky • pasivní • informace dostupné v okolí geolokačního systému • neviditelné techniky pro své okolí • mohou mít nedostatek vstupních dat Jaroslav Srp, DATAKON 2011

15. Rozdělení technik II • radiové • vstupní data získávána pomocí RF signálů • typické: šíření signálů známou rychlostí • síťové • metalická (optická) vedení, sítě s logickými prvky, … • vysoká volatilita přenosových rychlostí • různé délky cest a disjunktní cesty • databázové • vstupní data získána z veřejných nebo soukromých databází • nerealizují žádná vlastní měření • kombinované Jaroslav Srp, DATAKON 2011

16. Geolokační techniky Triangulace, trilaterace Jaroslav Srp, DATAKON 2011

17. Triangulace, trilaterace • … jsou klíčové algoritmy používané v geolokačních technikách pro výpočet polohy objektu. • … nejsou geolokační techniky. • Cíl: • aktivním přístupem získat data pro určení polohy • k získání dat využít sondy / základnové stanice • základnová stanice je aktivní prvek, který umí do svého okolí odeslat příslušný požadavek na požadovaná data a vhodným způsobem zpracovat přijatou odpověď Jaroslav Srp, DATAKON 2011

18. Triangulace • min. 2 základnové stanice • 2D prostor, povrch Země a stejná nadmořská výška • požadovaná data • úhel, pod kterým přichází data (signál) od objektu k základnové stanici • omezení • objekt musí vysílat nějaký signál • základnové stanice s min. 2 anténami pro určení směru přicházejícího signálu Jaroslav Srp, DATAKON 2011

19. Triangulace Jaroslav Srp, DATAKON 2011

20. Trilaterace • min. 3 základnové stanice • 2D prostor, povrch Země a stejná nadmořská výška • 3D prostor, navíc proměnná nadmořská výška • požadovaná data • vzdálenost mezi základnovými stanicemi a zkoumaným objektem • omezení • objekt musí vysílat nějaký signál resp. dávat odpověď na speciální příchozí signál • multilaterace – výpočet pro více než 3 základnové stanice Jaroslav Srp, DATAKON 2011

21. Trilaterace Převod zpoždění na skutečnou vzdálenost Jaroslav Srp, DATAKON 2011

22. Trilaterace 3D • v obecném případě se určí průsečík n-koulí se středy a poloměry •  nalezení vektoru splňujících soustavu n-nelineárních rovnic: • j=1,2,…,n Jaroslav Srp, DATAKON 2011

23. Geolokační techniky Veřejné databáze Jaroslav Srp, DATAKON 2011

24. Veřejné databáze Jaroslav Srp, DATAKON 2011

25. Veřejné databáze - vlastnosti • Výhody • jednoduchá implementace • žádné komplikované výpočty • žádná síť základnových stanic • Nevýhody • selhání při nedostupnosti DB serveru • případná absence požadovaných dat o konkrétním objektu Jaroslav Srp, DATAKON 2011

26. Veřejné databáze - přehled • obvykle formou webových služeb • samostatné aplikace (Google Geolocation) • doplňky pro webové prohlížeče (Geolocation Add-on pro Firefox) • DNS LOC RR • Maxmind GeoLiteCity • IPlane • Databáze WiFi • Whois databáze Jaroslav Srp, DATAKON 2011

27. DNS • DNS LOC RR • pouze objekty s IP adresou, které mají vytvořen DNS záznam • DNS LOC záznam (Resource Record) • zeměpisná délka a šířka, nadmořská výška • nepovinný údaj • ruční zápis • správnost údajů se neověřuje •  možnost úmyslného klamání • Kontakty na správce serverů, domén, … Jaroslav Srp, DATAKON 2011

28. DNS LOC RR- ukázka • http://www.simpledns.com/lookup-loc.aspx • ky.gov Jaroslav Srp, DATAKON 2011

29. Maxmind GeoLiteCity, iPlane, … • konkrétní údaje o IP uzlech a IP sítích • příslušnost do autonomního systému • příslušnost do konkrétní země • umístění v konkrétním městě • … • Maxmind GeoLiteCity • iPlane • IP2Country • GeoTargetIP • GeoIP Jaroslav Srp, DATAKON 2011

30. Maxmind GeoLiteCity - ukázka • startIpNum, endIpNum, locId • "46.47.134.128", "46.47.134.135","51807" • "62.40.66.4", "62.40.66.7","51807" • "80.250.10.152", "80.250.10.155","83424" • "194.213.52.248",„194.213.52.255","83424" • locId, country, region, city, postalCode, latitude, longitude, metroCode, areaCode • 51807,"CZ","85","Ostrava","",49.8333,18.2833,, • 52027,"CZ","84","Prerov","",49.4500,17.4500,, • 83424,"CZ","78","Mikulov","",48.8000,16.6333,, Jaroslav Srp, DATAKON 2011

31. MaxMind - ukázka • http://www.maxmind.com/ • určit polohu veřejné IP adresy • 78.24.14.124 (mikulov.cz) • 78.156.158.72 (rmm.cz – regionální muzeum Mikulov) Jaroslav Srp, DATAKON 2011

32. Whois DB - ukázka • RIPE DB • dotaz na IP prefix „147.32“ • https://apps.db.ripe.net/dbweb/search/query.html?searchtext=147.32&searchSubmit=search Jaroslav Srp, DATAKON 2011

33. Databáze WiFi Jaroslav Srp, DATAKON 2011

34. Databáze WiFi • Výhody • vysoká přesnost (odchylka maximálně stovky metrů) • Nevýhody • nefunkční v případě, že IP uzel je připojen přes WiFi router, který není v databázi (nebyl zaměřen) • Příprava WiFi databáze = aktivní technika • Využití WiFi databáze = databázová technika Jaroslav Srp, DATAKON 2011

35. WiFi databáze - ukázka • Dostupné WiFi routery (wincmd) • netsh wlan show networks mode=bssid Jaroslav Srp, DATAKON 2011

36. Firefox geolokace - ukázka • určení mojí polohy • využití všech dostupných databází (zejména WiFi) • http://html5demos.com/geo Jaroslav Srp, DATAKON 2011

37. Geolokační techniky Mobilní (GSM) sítě Jaroslav Srp, DATAKON 2011

38. GSM síť s lokalizací Jaroslav Srp, DATAKON 2011

39. GSM síť s lokalizací • aktivní technologie • měření doby přenosu signálu mezi mobilním zařízením a BTS • výhody, nevýhody • přesnost lokalizace závisí na hustotě BTS • liší se podle konkrétní použité metody pro mobilní sítě • technologie pro mobilní sítě: • O-TDOA, U-TDOA • E-OTD • … • Cell ID • RTD • TOA, TDOA Jaroslav Srp, DATAKON 2011

40. Cell Identification (Cell ID) • podmínky • poloha BTS • sektor, v němž je mobilní zařízení • výhody • funguje v sítích GSM, GPRS, UMTS • nevýhody • nepřesná • chyba i přes 35 km Jaroslav Srp, DATAKON 2011

41. Round Trip Delay (RTD) • technika • změření doby přenosu zpráv z mobilního zařízení na BTS a zpět • výpočet trilaterací • podmínky • v okolí mobilního zařízení min. 3 BTS • známá poloha všech BTS • nevýhody • více BTS • výhody • přesnost (minimální odchylka) od 550 m Jaroslav Srp, DATAKON 2011

42. Time of Arrival (TOA) • technika • určení přesného času, kdy byl signál z mobilního zařízení doručen na BTS (její LMU) • synchronní sítě • synchronizovaný čas na BTS i mobilních zařízeních • je znám čas odeslání signálu z mobilního zařízení (časové razítko ve zprávě pro LMU) • lokalizace trilaterací • asynchronní sítě • GSM a 3G sítě • není znám čas odeslání signálu z mobilního zařízení • nevýhody • nelze použít v asynchronních sítích Jaroslav Srp, DATAKON 2011

43. Time Difference of Arrival (TDOA) • asynchronní sítě – řešení synchronizace • vzájemná synchronizace mezi LMU • výměna lokální časů LMU a určení jejich rozdílu • lokalizace mobilního zařízení se určí podle: • pro 3 BTS (LMU) • rozdílem (d1-d2, d2-d3, d3-d2) se eliminuje neznámá ∆TMZ • výsledkem jsou 3 rovnice, jejichž řešení dává (xMZ, yMZ) • technika • trilaterace, místo kružnic jsou hyperboly • výhody • lze použít v asynchronních sítích Jaroslav Srp, DATAKON 2011

44. Observed Time Difference of Arrival(O-TDOA) • technika • založena na TDOA • poloha se určuje podle časů doručení UMTS rámců z min. 3 BTS na mobilní zařízení • nevýhody • pouze UMTS sítě Jaroslav Srp, DATAKON 2011

45. Uplink Time Difference of Arrival(U-TDOA) • technika • jako O-TDOA • poloha se naopak určuje podle časů doručení UMTS rámce z mobilního zařízení na min. 3 BTS • výhody • není nutné znát čas odeslání rámce Jaroslav Srp, DATAKON 2011

46. Enhanced Observed Time Difference(E-OTD) • technika • mobilní zařízení odešle signál všem dostupným BTS • nejbližší BTS odešle signál zpět mobilnímu zařízení • lokalizační server určí trilaterací polohu mobilního zařízení (měření od nejbližší BTS výsledek zpřesňuje) • výhody • vysoká přesnost, chyba 50 až 125 m • nevýhody • přenos většího množství dat Jaroslav Srp, DATAKON 2011

47. Geolokační techniky Bezdrátové senzorické sítě Jaroslav Srp, DATAKON 2011

48. Bezdrátová senzorická síť (WSN) • síť bezdrátových senzorů • sběr dat z okolí • výpočetní kapacity • přenosové kapacity (data) • senzor • výpočetní modul • RF modul • čidla (fyzikální, chemické, … vlastnosti) Jaroslav Srp, DATAKON 2011

49. Bezdrátová senzorická síť (WSN) Jaroslav Srp, DATAKON 2011

50. Geolokace ve WSN Jaroslav Srp, DATAKON 2011