Verschlüsselter Datenaustausch über NFC auf Android Smartphones

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1 Verschlüsselter Datenaustausch über NFC auf Android Smartphones Kai Wolf 25. Januar 2012 Im Rahmen der Lehrveranstaltung Internet der Dinge entstand eine App für Android Smartphones, die über NFC einen symmetrischen Schlüssel und Verbindungsinformationen mit einem zweiten Smartphone austauschen und dann verschlüsselt Dateien über Bluetooth oder WLAN versenden kann. Aufgrund der relativ geringen Übertragungsreichweite von NFC ist der Austauschsvorgang des Schlüssels secure by design. Vor dem eigentlichen Versenden einer Datei wird diese zuvor auf dem Smartphone verschlüsselt. Der generierte Schlüssel ist mit einem Timeout versehen und verliert nach einer einstellbaren Zeit seine Gültigkeit. Die Übertragung der Dateien findet nur mit einem gültigen Schlüssel statt. 1

2 Inhaltsverzeichnis 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Zielsetzung NFC - Near Field Communication NFC in Abgrenzung zu Bluetooth Anwendungsmodi von NFC Mobile Anwendungsentwicklung auf dem Android-Betriebssystem Architektur Android SDK Entwurf der Android App NFCAdapter und NFC NdefMessage und NdefRecord Implementierung Aufbau der App Zusammenfassung und Evaluation 14

3 3 1 Einleitung Mit der Einführung des ip hone c durch die Firma Apple im Jahr 2007 stiegen die Verbreitung und Akzeptanz von Smartphones rapide an. Fünf Jahre später zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments sind Smartphones aus dem Alltag vieler Menschen nicht mehr wegzudenken. Neben einem permanenten Zugang zum Internet, integrierter Kamera für die Aufnahme von Fotos und Videos oder GPS zur Navigation sind diese ständigen mobilen Begleiter zu kleinen Recheneinheiten mutiert, die für uns mittlerweile Aufgaben erledigen, die weit über das Telefonieren und SMS versenden hinausgehen. Im Laufe der Zeit sammeln sich dabei viele (mitunter) persönliche Informationen wie Bilder, Videos oder Kontaktadressen auf dem Smartphone des Benutzers an. Der drahtlose Austausch dieser Daten, beispielsweise via Bluetooth, ist durch die entsprechend verbaute Hardware in Mobiltelefonen zwar schon seit längerer Zeit möglich, jedoch ist der gesamte Vorgang des Austauschs, die Pineingabe und das Warten auf eine erfolgreiche Verbindung langwierig und kompliziert. Durch die Integration von sogenannten NFC-Chips in Smartphones ist die technische Voraussetzung gegeben, um diese persönlichen Daten unkompliziert, schnell und sicher mit anderen auszutauschen. 1.1 Zielsetzung Im Rahmen der Veranstaltung Internet der Dinge soll eine App für Android Smartphones entwickelt werden, die über NFC Verbindungsinformationen mit einem zweiten Smartphone austauscht und dann Dateien wie Musikstücke, Bilder, Videos oder PDF-Dateien über eine gesicherte Verbindung versenden bzw. empfangen kann. Dabei wird beim ersten Kontakt der beiden Smartphones über eine NFC-Verbindung ein sogenannter symmetrischer Schlüssel (also ein Schlüssel bestimmter Länge, wobei beide Smartphones jeweils die Hälfte des Schlüssels bereitstellen) ausgetauscht, welcher dann zur Verschlüsselung der Datei benutzt wird, bevor diese versendet wird. Der eigentliche Versand findet dann beispielsweise über Bluetooth oder WLAN statt. Sobald die Datei vollständig auf das Zielgerät übertragen wurde, wird diese mit Hilfe des zuvor ausgetauschten symmetrischen Schlüssels wieder entschlüsselt.

4 4 2 NFC - Near Field Communication Die Near Field Communication (NFC) ist ein Standard zur Übertragung von Daten über sehr kurze Entfernungen.[9] Dabei können Daten zwischen zwei NFC-fähigen Geräten über eine sehr kurze Distanz (bis max. 2-3 cm) ausgetauscht werden. NFC arbeitet im Frequenzbereich von MHz und bietet eine maximale Datenübertragungsrate von 424 kbit/s[6]. Bereits im Jahre 2008 hat der Mobiltelefon-Hersteller Nokia erste NFC-fähige Geräte auf dem Markt gebracht, die Verbreitung der NFC-Technologie in Deutschland ist aber nach wie vor sehr gering[10]. Derzeit macht sich Google für eine breitere Einführung der NFC-Technologie stark, in dem sie beispielsweise in aktuelle Smartphones wie dem Nexus S oder dem Galaxy Nexus einen NFC-Chip verbaut haben und ihr eigenes Projekt Google Wallet 1 vorantreiben. 2.1 NFC in Abgrenzung zu Bluetooth Aufgrund der unterschiedlichen technischen Spezifikation von NFC gegenüber Bluetooth stehen diese beiden Übertragungsstandards nicht in Konkurrenz zueinander. Während Bluetooth in der weit verbreiteten Version v2.1 eine Reichweite von bis zu 30 Metern und eine Übertragungsrate von bis zu 2,1 MB/s erreicht, ist bei NFC theoretisch ab 10 Zentimetern Schluss. In der Praxis liegt die maximale Reichweite von NFC sogar deutlich unter diesem Wert. Das macht den Einsatz von NFC-Chips für sicherheitskritische Anwendugen wie dem Bezahlen von Produkten secure by design. Desweiteren ist der Stromverbrauch eines NFC-Chip gegenüber Bluetooth äußerst gering, wodurch der verbaute NFC-Chip in einem Smartphone im Prinzip ständig aktiv sein kann. Hinzu kommt, dass ein NFC-Chip ohne vorherige Konfiguration eine Datenverbindung in unter 0,1 Sekunden aufbauen kann, während der Aufbau einer entsprechenden Bluetooth-Verbindung eine Setupzeit von ca. 5-6 Sekunden benötigt, was bei zeitkritischen Vorgängen wie dem Bezahlen eines Produkts oder dem Scannen eines sogenannten Smartposters von Bedeutung sein kann. 1

5 2.2 Anwendungsmodi von NFC 5 Peer-to-Peer Mode Reader/Writer Mode Applications NFC Card Emulation Mode NFC Forum Protocol Bindings LLCP Logical Link Link Protocol NFCIP-1 Data Exchange Protocol RTD Record Type Definition & NDEF Data Exchange Format Tag type 1,2,3,4 Card Emulation Smart Card Capability for Mobile Devices RF Layer ISO ISO Type A, Type B + FeliCa Abbildung 1: NFC Architektur [7] 2.2 Anwendungsmodi von NFC Zuständig für die Entwicklung von NFC ist das NFC Forum, welches 2004 von den Firmen NXP Semiconductors, Sony und Nokia als sogenannte Non- Profit-Organisation gegründet wurde. Bei NFC unterscheidet man grob, wie in Abbildung 1 dargestellt, drei verschiedene Anwendungsmodi 2. Peer-to-Peer Der Peer-to-Peer (P2P) Modus ist für den Datenaustausch zwischen zwei NFC-fähigen Geräten. Dieser Modus wird zum Beispiel genutzt, um Kontaktinformationen (wie Visitenkarten) oder Verbindungsinformationen (WLAN oder Bluetooth) auszutauschen [3]. Reader-Writer In diesem Modus können NFC-Forum kompatible Tags im Reader- Writer Modus gelesen und beschrieben werden. Außerdem können über proprietäre TagTechnologien weitere Tags hinzukommen. NFC Card Emulation Mit diesem Modus ist die Emulation einer physischen Karte gemeint, beispielsweise einer Kreditkarte oder sonstigen Payment 2 Webinar_11_13.pdf

6 6 Card. Ein praktisches Beispiel ist das zuvor angesprochene Projekt Google Wallet, mit dem an jeder Akzeptanzstelle bargeldlos über das eigene Smartphone bezahlt werden kann. 3 Mobile Anwendungsentwicklung auf dem Android-Betriebssystem Android ist ein quelloffenes Betriebssystem, was von der Firma Google, Inc. für den mobilen Einsatz, hauptsächlich Smartphones und Tablets, entwickelt wird. Die aktuelle Version des Android-Betriebssystems ist (Ice Cream Sandwich). 3.1 Architektur Das Android-Betriebssystem setzt auf einem Linux-Kernel auf, welcher eine Abstraktionssicht zwischen der Hardware und dem Benutzermodus bildet und unabhängig von der darunterliegenden Hardware wie Display, Audio, Netzwerk oder Kamera eine einheitliche API für die darüberliegende Schicht zur Verfügung stellt[5]. Auf dem Linux-Kernel setzen, wie in Abbildung 2 dargestellt verschiedene Bibliotheken auf. Diese werden beispielsweise zur Anzeige von Webseiten (Web- Kit), zur Darstellung von 2D- beziehungsweise 3D-Szenen (OpenGL ES) oder zum Abspielen und Aufnehmen von Video und Musikdateien (Media Framework) benutzt. Android Apps werden in der Programmiersprache Java entwickelt[2]. Jede Anwendung besteht aus mindestens einer sogenannten Activity. Eine Activity ist für die Anzeige einer grafische Benutzeroberfläche auf dem Display zuständig. In ihr werden also Elemente wie Buttons, Eingabefelder, Schieberegler usw. verwaltet und dargestellt. Ein zentrales Konzept von Android stellt die Verbindung aller installierten Apps über sogenannte Intents dar. Mit Hilfe von Intents kann jede App auf bestimmte Funktionalitäten anderer Apps zurückgreifen. Möchte man beispielsweise das Aufnehmen von Fotos oder Videos in eine App miteinbauen, so muss man diese Funktionalität nicht selbst implementieren, sondern kann den Be-

7 3.1 Architektur 7 Applications Home Contacts Phone Browser... Package Surface OpenGL ES SGL Activity Libraries Telephony Media Framework FreeType SSL Application Framework Window SQLite WebKit libc Resource Content Provider Location View System Android Runtime Core Libraries Dalvik Virtual Machine Notification Display Driver Keypad Driver Camera Driver WiFi Driver Linux Kernel Flash Memory Driver Audio Drivers Binder (IPC) Driver Power Management Abbildung 2: Systemarchitektur der Android Plattform [5] nutzer stattdessen zur Kamera App weiterleiten und das fertige Foto in der eigenen App weiter bearbeiten. Um über bestimmte Aktivitäten wie beispielsweise das Herunterladen von Dateien oder das Versenden von Dokumenten über Bluetooth informiert zu werden, existieren in Android sogenannte Broadcast receiver. Jedesmal, wenn eine bestimmte Aktion ausgeführt wird (z.b. Download beendet, Übertragung beendet) wird ein Intent systemweit ausgesendet, der von allen installierten Apps gefangen werden kann. Falls mehrere Apps mit dem versendeten Intent arbeiten können, wird dem Benutzer eine Auswahlliste aller möglichen Apps präsentiert, aus der er dann eine bestimmte App für diesen Vorgang auswählen kann. Um auf verschiedene Systemkomponenten wie beispielsweise Bluetooth, Internet oder NFC zugreifen zu können, muss jede App diese Rechte (Permissions) an einer zentralen Stelle (in der sogenannten AndroidManifest.xml 3 ) diese Zugriffe freischalten. Vor jeder Installation werden dem Benutzer alle System- 3 manifest-intro.html

8 3.2 Android SDK 8 komponenten aufgelistet auf die die App Zugriff hat. 3.2 Android SDK Das Software Development Kit (SDK) für Android bietet neben einem Plugin 4 für die Entwicklungsumgebung Eclipse 5 auch einen Emulator, auf dem eine App während der Entwicklung getestet werden kann. Obwohl die Entwicklung von Android Apps auch ohne die Verwendung von Eclipse möglich ist, erleichtert diese die Erstellung einer App erheblich. Abbildung 3: Typische Android Projektstruktur nach Erstellung eines Projekts mit Hilfe des Eclipse Plugins Ein Android-Projekt beinhaltet üblicherweise die in Abbildung 3 gezeigte Projektstruktur, wobei die einzelnen Ordner folgenden Konventionen folgen: src In diesem Ordner werden, analog zu üblichen Java-Projekten, sämtliche Quelltextdateien (*.java) abgelegt. gen Dieser Ordner besteht ebenfalls aus Quelltextdateien. Diese werden aber automatisch vom Android SDK erstellt und sollten nicht händisch abgeändert werden, da diese Dateien bei jedem Build-Prozess automatisch neu erstellt werden und manuell gepflegte Änderungen dadurch verloren gehen

9 9 Android (Versionsnummer) In diesem Ordner befinden sich die Bibliotheken (im Format *.jar), die für das Projekt benötigt werden. assets Dieser Ordner beinhaltet externe Ressourcen im Rohformat, die der App zur Laufzeit zur Verfügung stehen. Die in diesem Ordner befindlichen Dateien können nur programmatisch ausgelesen werden und sollten eine bestimmte Größe nicht überschreiten. res In diesem und den darunter liegenden Ordnern befinden sich ebenfalls externe Ressourcen, die überlicherweise von der App referenziert und zur Anzeige von Bildern, Farben und Texten benutzt werden. Außerdem befinden sich in diesen Ordnern XML-Dateien, die das Aussehen der App festlegen. AndroidManifest.xml In dieser XML-Datei stehen sämtliche Metainformationen zu dem Android Projekt. Beispielsweise werden dort sämtliche sogenannte Activities, Broadcast Receiver oder Permissions deklariert. Ohne diese Datei kann das Projekt nicht erfolgreich gebaut werden. Außerdem werden hier Hardwarevoraussetzungen, wie z.b. Frontkamera oder Lagesensoren festgelegt, die für die App zwingend vorausgesetzt werden. 4 Entwurf der Android App Damit eine Android App auf die NFC spezifischen Features des Smartphones zugreifen kann, muss im AndroidManifest.xml zunächst die entsprechende Permission deklariert werden: <uses permission android:name="android.permission.nfc" /> Außerdem wird empfohlen für den Einsatz von NFC-Technologien mindestens gegen die Android SDK Version 10 zu entwickeln 6, um auf sämtliche NFC- Features Zugriff zu bekommen. Die Mindestversion des SDKs wird ebenfalls in der Datei AndroidManifest.xml festgelegt: <uses sdk android:minsdkversion="10" /> 6

10 4.1 NFCAdapter und NFC NFCAdapter und NFC Die zentralen Klassen im Umgang mit NFC auf Android sind NFCAdapter und NFC. Mit der letzten Klasse besorgt man sich Zugriff auf den NFCAdapter. Da der Benutzer eines Smartphones den NFC-Chip über ein Einstellungsmenü ein- und ausschalten kann, sollte zur Laufzeit überprüft werden, ob NFC auf dem entsprechenden Gerät aktiviert ist: NfcAdapter nfc = NfcAdapter.getDefaultAdapter(getApplicationContext()); if (! nfc. isenabled()) { } // Hinweis an den Benutzer NFC einschalten Der Austausch von Daten über NFC geschieht über sogenannte Tags. Es existieren derzeit neun TagTechnology-Klassen: NfcA, NfcB, NfcF, NfcV, IsoDep, MifareClassic, MifareUltralight, Ndef und NdefFormatable[8]. Je nach Technologie werden unterschiedliche Methoden und dadurch Features des jeweiligen Tags angeboten. Jedesmal, wenn die NFC-Hardware des Smartphones einen NFC-Chip ausgelesen hat, werden je nach Chip und verwendeter Technologie bestimmte Intents ausgesendet. Um diese Intents der passenden App zuzuweisen (wie bereits in Abschnitt 3.1 erläutert), gibt es ein dreistufiges Filtersystem. Beginnend mit der Androidversion 2.3 wurde zunächst für jeden gescannten NFC-Tag, unabhängig von der verwendeten Technologie, ein NFC-Intent mit der Action android.nfc.action.tag_discovered versendet, so dass eine Activity einen BroadcastReceiver auf diesen Intent registrieren konnte. Ab der Version kamen dann zwei weitere Filterstufen hinzu, die eine gestaffelte Priorität haben: Zum einen android.nfc.action.tech_discovered, wobei man hier mit einem entsprechenden Filter weiter zwischen der jeweiligen verwendeten Technologie (also beispielsweise NfcA, MifareClassic usw.) unterscheiden konnte und android.nfc.action.ndef_discovered, der die höchste Priorität bei der Filterung von NFC-Intents hat. Für die Android App wurde sich nur auf die beiden TagTechnology-Klassen Ndef und NdefFormatable beschränkt, da diese das vom NFC Forum standardisierte NFC Data Exchange Format (NDEF) unterstützten, wofür auch im Android SDK die entsprechenden Klassen NdefMessage und NdefRecord bereitgestellt werden.

11 4.2 NdefMessage und NdefRecord 11 NDEF Message NDEF Record NDEF Record NDEF Record TNF Type TNF Type TNF Type [Type] [Type] [Type] [Id] [Id] [Id] [Payload] [Payload] [Payload] Abbildung 4: Data Container für NFC 4.2 NdefMessage und NdefRecord Mit den beiden bereits erwähnten Technologien Ndef und NdefFormatable lassen sich NDEF-Messages auf einem Tag abspeichern. Die Klasse NdefMessage ist ein einfacher Container für eine beliebige Anzahl von NdefRecords (Vgl. Abbildung 4). Auf einen Tag kann eine NDEF Message geschrieben werden, die ihrerseits mehrere NDEF Records haben kann. Die Anzahl der NDEF Records ist jedoch durch die Anahl der zur Verfügung stehenden Bytes auf dem Tag beschränkt. Jeder NDEF Record hat vier Parameter: TNF Type Ein 3-Bit-TNF-Feld (Type Name Format) als short, welches angibt, wie das Type-Feld zu interpretieren ist Type Ein Typ-Feld, welches aus einem Byte Array besteht ID Eine ID, die ebenso als Byte Array angegeben wird Payload Die Payload, der eigentliche Inhalt des Records, ebenfalls ein Byte Array

12 12 5 Implementierung Für die Implementierung der Android App wurde das aktuelle Android SDK 7 benutzt. Als Entwicklungsumgebung kam Eclipse mit dem ADT Plugin 8 für Eclipse zum Einsatz. Als Testgerät standen zwei Android Smartphones Nexus S der Firma Samsung zur Verfügung. Der Android Emulator kann offensichtlich keine NFC Tags simulieren, weswegen er für die Implementierung einer NFC App nicht in Frage kommt. 5.1 Aufbau der App Zur Darstellung des Userinterface (UI) und die Interaktion mit dem Benutzer wurden mehrere Activities implementiert. Für ein einheitliches Erscheinungsbild aller Activities durch ein app-weites Theme und zur Implementierung einer sogenannten Actionbar im oberen Displaybereich wurde auf eine freie Referenzimplementierung zurückgegriffen[1]. Diese Actionbar erlaubt den Zugriff auf häufig benutzte Funktionen innerhalb der App und ist ein weit verbreitetes UI-Pattern auf Android Smartphones. In dem Package de.hsrm.viashare befinden sich mehrere Activities für das Hauptmenü, das Einstellungsmenü und Menüs zur Auswahl von Musik- und PDF-Dateien. Zusätzlich befinden sich im selben Package auch noch Klassen für die Verwaltung der drahtlosen Verbindungen wie WLAN und Bluetooth und dem Auslesen aller Bilder, die auf dem Abbildung 5: Hauptmenü Smartphone gespeichert sind. In der Abbildung 5 sieht man das Hauptmenü (implementiert in der DashboardActivity), sowie die zuvor erwähnte Actionbar

13 5.1 Aufbau der App 13 Das Package de.hsrm.viashare.connection beinhaltet Klassen, die sich um den Austausch von Dateien über Bluetooth und WLAN kümmern (Vgl. Abb. 6). Zusätzlich wird hier in BluetoothTransferCompleteReceiver ein BroadcastReceiver implementiert, der aufgerufen wird, sobald eine Datei über Bluetooth übertragen wurde. Die Implementierung kümmert sich um die Entschlüsselung der zuvor verschlüsselten und übertragenen Datei. In dem Package de.hsrm.viashare.nfc befindet sich eine weitere Hilfsklasse NFCUtils für die Erstellung von NDEF Messages. Diese wird auch benötigt, um die Verbindungsinformationen zu Bluetooth und WLAN in einen NdefRecord zu packen, damit dieser via NFC zu einem zweiten Smartphone übertragen werden kann. Abbildung 6: Dateiübertragungsvorgang Das letzte Package de.hsrm.viashare.security beinhaltet Klassen zur Erstellung eines symmetrischen Schlüssels und zur Verwaltung beider Hälften der Schlüssel. Die jeweilige Hälfte des symmetrischen Schlüssels wird aus der eindeutigen Android Device ID generiert, da diese App lediglich als Referenzimplementierung dient und der Einsatz in der Praxis nicht geplant ist [4]. Für eine sicherere Implementierung des symmetrischen Schlüssels bietet sich beispielsweise eine Zufallszahl oder der aktuelle Zeitstempel an.

14 14 6 Zusammenfassung und Evaluation Im Rahmen der Veranstaltung Internet der Dinge wurde eine Android App entwickelt, die mit Hilfe des im Smartphone verbauten NFC-Chips einen symmetrischen Schlüssel und Verbindungsinformationen mit einem zweiten (NFCfähigen) Smartphone austauschen und anschließend verschlüsselt Dateien über Bluetooth oder WLAN versenden kann. Für den Austausch via NFC wurde mit Hilfe der Tag-Technologie Ndef NDEF-Messages erstellt, die dann beim Zusammenhalten der beiden Smartphones ausgetauscht wurden. Die größte Herausforderung in diesem Projekt bestand in dem Debugging und Testen der Anwendung, da durch den physischen Vorgang des Aneinanderhaltens der beiden Smartphones zum Austausch von NDEF-Messages keine automatisierten Tests geschrieben werden konnten. Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass sich die NFC-Technologie auf Smartphones bereits gut zum Austausch von Dateien nutzen lässt. Der unkomplizierte Austausch von Dateien durch das Aneinanderhalten zweier Smartphones könnte in der Praxis zu einer hohen Akzeptanz führen, da das umständliche Verbinden über Bluetooth entfällt und komplett von der App übernommen wird.

15 Literatur 15 Literatur [1] Inc. Google. ActionBarCompat - Action Bar Compatibility Android Developers. Zuletzt abgerufen am [2] Inc. Google. Application Fundamentals Android Developers. Zuletzt abgerufen am [3] Inc. Google. NFC Basics Android Developers. Zuletzt abgerufen am [4] Inc. Google. Telephony Android Developers. Zuletzt abgerufen am [5] Inc. Google. What is Android? Android Developers. Zuletzt abgerufen am [6] NFC Forum. NFC and Contactless Technologies. Zuletzt abgerufen am [7] NFC Forum. NFC Architecture Schematic - June Zuletzt abgerufen am [8] NFC Forum. Specifications. Zuletzt abgerufen am [9] Erkki Siira and Vili Törmänen. The Impact of NFC on Multimodal Social Media Application. In 2010 Second International Workshop on Near Field Communication, pages IEEE, April [10] Sybase 365. Industry Survey Finds Widespread Adoption of NFC Payments at Least Two Years Away Press Release: Sybase Sybase Inc. Zuletzt abgerufen am

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