WPAC: wireless payment and access control: dispositivos móveis no pagamento de serviços e controlo de acessos

A rápida evolução dos dispositivos móveis e das tecnologias de comunicação sem fios transformou o telemóvel num poderoso dispositivo de computação móvel. A necessidade de estar sempre contactável, comum à civilização moderna, tem aumentado a dependência deste dispositivo, sendo transportado pela maioria das pessoas num ambiente urbano e assumindo um papel talvez mais importante que a própria carteira. A ubiquidade e capacidade de computação dos telemóveis aumentam o interesse no desenvolvimento de serviços móveis, além de tradicionais serviços de voz. Um telemóvel pode em breve tornar-se um elemento activo nas nossas tarefas diárias, servindo como um instrumento de pagamento e controlo de acessos, proporcionando assim novas interfaces para serviços existentes. A unificação de vários serviços num único dispositivo é um desafio que pode simplificar a nossa rotina diária e aumentar o conforto, no limite deixaremos de necessitar de dinheiro físico, cartões de crédito ou débito, chaves de residência e de veículos automóveis, ou inclusive documentos de identificação como bilhetes de identidade ou passaportes. O interesse demonstrado pelos intervenientes, desde os fabricantes de telemóveis e operadores de rede móvel até às instituições financeiras, levaram ao aparecimento de múltiplas soluções de serviços móveis. Porém estas soluções respondem geralmente a problemas específicos, apenas contemplando um fornecedor de serviços ou uma determinada operação de pagamento, como seja a compra de bilhetes ou pagamento de estacionamento. Estas soluções emergentes consistem também tipicamente em especificações fechadas e protocolos proprietários. A definição de uma arquitectura genérica, aberta interoperável e extensível é necessária para que os serviços móveis possam ser adoptados de uma forma generalizada por diferentes fornecedores de serviços e para diversos tipos de pagamento. A maior parte das soluções actuais de pagamento móvel depende de comunicações através da rede móvel, algumas utilizam o telemóvel apenas como uma interface de acesso à internet enquanto outras possibilitam o envio de um SMS (Short Message Service) para autorizar uma transacção, o que implica custos de comunicação em todas as operações de pagamento. Este custo de operação torna essas soluções inadequadas para a realização de micropagamentos e podem por isso ter uma aceitação limitada por parte dos clientes. As soluções existentes focam-se maioritariamente em pagamentos à distância, não tirando partido das características do pagamento presencial e não oferecendo por isso uma verdadeira alternativa ao modelo actual de pagamento com cartões de crédito/débito. As capacidades computacionais dos telemóveis e suporte de diversos protocolos de comunicação sem fio local não têm sido aproveitadas, vendo o telemóvel apenas como um terminal GSM (Global System for Mobile Communications) e não oferecendo serviços adicionais como seja a avaliação dinâmica de risco ou controlo de despesas. Esta dissertação propõe e valida, através de um demonstrador, uma aquitectua aberta para o pagamento e controlo de acesso baseado em dispositivos móveis, intitulada WPAC (Wireless Payment and Access Control). Para chegar à solução apresentada foram estudadas outras soluções de pagamento, desde o aparecimento dos cartões de débito até a era de pagamentos electrónicos móveis, passando pelas soluções de pagamento através da internet. As capacidades dos dispositivos móveis, designadamente os telemóveis, e tecnologias de comunicação sem fios foram também analisadas a fim de determinar o estado tecnológico actual. A arquitectura WPAC utiliza padrões de desenho utilizados pela indústria em soluções de sucesso, a utilização de padrões testados e a reutilização de soluções com provas dadas permite aumentar a confiança nesta solução, um destes exemplos é a utilização de uma infra-estrutura de chave pública para o estabelecimento de um canal de comunicação seguro. Esta especificação é uma arquitectura orientada aos serviços que utiliza os Web Services para a definição do contracto do serviço de pagamento. A viabilidade da solução na orquestração de um conjunto de tecnologias e a prova de conceito de novas abordagens é alcançada com a construção de um protótipo e a realização de testes. A arquitectura WPAC possibilita a realização de pagamentos móveis presenciais, isto é, junto do fornecedor de bens ou serviços, seguindo o modelo de pagamento com cartões de crédito/débito no que diz respeito aos intervenientes e relações entre eles. Esta especificação inclui como aspecto inovador a avaliação dinâmica de risco, que utiliza o valor do pagamento, a existência de pagamentos frequentes num período curto de tempo, e a data, hora e local do pagamento como factores de risco; solicitando ao cliente o conjunto de credenciais adequado ao risco avaliado, desde códigos pessoais a dados biométricos. É também apresentada uma alternativa ao processo normal de pagamento, que apesar de menos cómoda permite efectuar pagamentos quando não é possível estabelecer um canal de comunicação sem fios, aumentando assim a tolerância a falhas. Esta solução não implica custos de operação para o cliente na comunicação com o ponto de venda do comerciante, que é realizada através de tecnologias de comunicação local sem fios, pode ser necessária a comunicação através da rede móvel com o emissor do agente de pagamento para a actualização do agente de software ou de dados de segurança, mas essas transmissões são ocasionais. O modelo de segurança recorre a certificados para autenticação dos intervenientes e a uma infra-estrutura de chave pública para cifra e assinatura de mensagens. Os dados de segurança incluídos no agente de software móvel, para desabilitar a cópia ou corrupção da aplicação mas também para a comparação com as credenciais inseridas pelo cliente, devem igualmente ser encriptados e assinados de forma a garantir a sua confidencialidade e integridade. A arquitectura de pagamento utiliza o standard de Web Services, que é amplamente conhecido, aberto e interoperável, para definição do serviço de pagamento. Existem extensões à especificação de Web Services relativas à segurança que permitem trocar itens de segurança e definem o modo de cifra e assinatura de mensagens, possibilitando assim a sua utilização em aplicações que necessitem de segurança como é o caso de serviços de pagamento e controlo de acesso. O contracto de um Web Service define o modo de invocação dos serviços, transmissão de informação e representação de dados, sendo normalmente utilizado o protocolo SOAP que na prática não é mais que um protocolo de troca de mansagens XML (eXtensible Markup Language). O envio e recepção de mensagens XML; ou seja, a transmissão de simples sequências de caracteres, é suportado pela maioria dos protocolos de comunicação, sendo portanto uma solução abrangente que permite a adopção de diversas tecnologias de comunicação sem fios. O protótipo inclui um agente de software móvel, implementado sobre a forma de uma MIDlet, aplicação Java para dispositivos móveis, que implementa o protocolo de pagamento comunicando sobre uma ligação Bluetooth com o ponto de venda do comerciante, simulado por uma aplicação desenvolvida sobre a plataforma .NET e que por isso faz prova da heterogeneidade da solução. A comunicação entre o comerciante e o seu banco para autorização do pagamento e transferência monetária utiliza o protocolo existente para a autorização de pagamentos, com base em cartões de crédito/débito. A definição desta especificação aberta e genérica em conjunto com o forte interesse demonstrado pelos intervenientes, proporciona uma boa perspectiva em termos de adopção da solução, o que pode impulsionar a implementação de serviços móveis e dessa forma simplificar as rotinas diárias das pessoas. Soluções móveis de pagamento reduzem a necessidade de transportar vários cartões de crédito/débito na nossa carteira. A avaliação dinâmica de risco permite aumentar a segurança dos pagamentos, com a solicitação de mais credenciais ao cliente para pagamentos com um maior risco associado, sendo um ponto importante quer para os clientes quer para as instituições financeiras pois diminui o risco de fraude e aumenta a confiança no sistema. Esta solução de pagamento electrónico pode também facilitar a consulta de pagamentos efectuados e saldos, mantendo um histórico dos movimentos, o que não é possível nos cartões de crédito/débito sem uma visita a uma ATM (Automated Teller Machine) ou utilização de homebanking.

Efficient implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

On the use of IEEE 802.15.4/Zigbee for time-sensitive wireless sensor network applications

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Urubu: energy scavenging in wireless sensor networks

For the past years wireless sensor networks (WSNs) have been coined as one of the most promising technologies for supporting a wide range of applications. However, outside the research community, few are the people who know what they are and what they can offer. Even fewer are the ones that have seen these networks used in real world applications. The main obstacle for the proliferation of these networks is energy, or the lack of it. Even though renewable energy sources are always present in the networks environment, designing devices that can efficiently scavenge that energy in order to sustain the operation of these networks is still an open challenge. Energy scavenging, along with energy efficiency and energy conservation, are the current available means to sustain the operation of these networks, and can all be framed within the broader concept of “Energetic Sustainability”. A comprehensive study of the several issues related to the energetic sustainability of WSNs is presented in this thesis, with a special focus in today’s applicable energy harvesting techniques and devices, and in the energy consumption of commercially available WSN hardware platforms. This work allows the understanding of the different energy concepts involving WSNs and the evaluation of the presented energy harvesting techniques for sustaining wireless sensor nodes. This survey is supported by a novel experimental analysis of the energy consumption of the most widespread commercially available WSN hardware platforms.

IEEE 802.15.4 for wireless sensor networks: a technical overview

Low-rate low-power consumption and low-cost communication are the key points that lead to the specification of the IEEE 802.15.4 standard. This paper overviews the technical features of the physical layer and the medium access control sublayer mechanisms of the IEEE 802.15.4 protocol that are most relevant for wireless sensor network applications. We also discuss the ability of IEEE 802.15.4 to fulfil the requirements of wireless sensor network applications.

Lower protocol layers for wireless sensor networks: a survey

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests in the development of a new generation of embedded systems with great potential for many applications such as surveillance, environment monitoring, emergency medical response and home automation. However, the communication paradigms in Wireless Sensor Networks differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols and mechanisms. In this Technical Report, we present a survey on communication protocols for WSNs with a particular emphasis on the lower protocol layers. We give a particular focus to the MAC (Medium Access Control) sub-layer, since it has a prominent influence on some relevant requirements that must be satisfied by WSN protocols, such as energy consumption, time performance and scalability. We overview some relevant MAC protocol solutions and discuss how they tackle the trade-off between the referred requirements.

Static-priority scheduling of sporadic messages on a wireless channel

Consider the problem of scheduling sporadic messages with deadlines on a wireless channel. We propose a collision-free medium access control (MAC) protocol which implements static-priority scheduling and present a schedulability analysis technique for the protocol. The MAC protocol allows multiple masters and is fully distributed; it is an adaptation to a wireless channel of the dominance protocol used in the CAN bus. But unlike that protocol, our protocol does not require a node having the ability to receive an incoming bit from the channel while transmitting to the channel.

The influence of inter-domain mobility on message stream response time in wired/wireless PROFIBUS-based networks

In previous works we have proposed a hybrid wired/wireless PROFIBUS solution where the interconnection between the heterogeneous media was accomplished through bridge-like devices with wireless stations being able to move between different wireless cells. Additionally, we had also proposed a worst-case timing analysis assuming that stations were stationary. In this paper we advance these previous works by proposing a worst-case timing analysis for the system’s message streams considering the effect of inter-cell mobility.

Engineering hybrid wired/wireless fieldbus networks - a case study

Advances in networking and information technologies are transforming factory-floor communication systems into a mainstream activity within industrial automation. It is now recognized that future industrial computer systems will be intimately tied to real-time computing and to communication technologies. For this vision to succeed, complex heterogeneous factory-floor communication networks (including mobile/wireless components) need to function in a predictable, flawless, efficient and interoperable way. In this paper we re-visit the issue of supporting real-time communications in hybrid wired/wireless fieldbus-based networks, bringing into it some experimental results obtained in the framework of the RFieldbus ISEP pilot.

A high performance wireless fieldbus in industrial multimedia-related environment

This paper summarises the most important solutions that have emerged from the work carried out by our team within the framework of the EU (IST-1999-11316) project RFieldbus - High Performance Wireless Fieldbus in Industrial Multimedia-Related Environment. Within this project, Profibus was chosen as the fieldbus platform. Essentially, extensions to the current Profibus standard are being developed in order to provide Profibus with wireless, mobility and industrialmultimedia capabilities. In fact, providing these extensions means fulfilling strong requirements, namely to encompass the communication between wired (currently available) and wireless/mobile devices and to support real-time control traffic and multimedia traffic in the same network.

Timing analysis of an inter-cell mobility procedure for a wired/wireless PROFIBUS network

Recently, there have been a few research efforts towards extending the capabilities of fieldbus networks to encompass wireless support. In previous works we have proposed a hybrid wired/wireless PROFIBUS network solution where the interconnection between the heterogeneous communication media was accomplished through bridge-like interconnecting devices. The resulting networking architecture embraced a Multiple Logical Ring (MLR) approach, thus with multiple independent tokens, where the communication between different domains was supported by the Inter-Domain Protocol (IDP). The proposed architecture also supports mobility of stations between different wireless cells. To that hybrid wired/wireless networking architecture we have proposed a worst-case response timing analysis of the IDP, without considering inter-cell mobility (or handoff) of stations. In this paper, we advance that previous work by proposing a worst-case timing analysis of the mobility procedure.

Timing analysis of a multiple logical ring wired/wireless PROFIBUS network

Recently, there have been a few research efforts towards extending the capabilities of fieldbus networks to encompass wireless support. In previous works we have proposed a hybrid wired/wireless PROFIBUS network solution where the interconnection between the heterogeneous communication media was accomplished through bridge-like interconnecting devices. The resulting networking architecture embraced a multiple logical ring (MLR) approach, thus with multiple independent tokens, to which a specific bridging protocol extension, the inter-domain protocol (IDP), was proposed. The IDP offers compatibility with standard PROFIBUS, and includes mechanisms to support inter-cell mobility of wireless nodes. We advance that work by proposing a worst-case response timing analysis of the IDP.

Enabling inter-domain transactions in bridge-based hybrid wired/wireless PROFIBUS networks

The marriage of emerging information technologies with control technologies is a major driving force that, in the context of the factory-floor, is creating an enormous eagerness for extending the capabilities of currently available fieldbus networks to cover functionalities not considered up to a recent past. Providing wireless capabilities to such type of communication networks is a big share of that effort. The RFieldbus European project is just one example, where PROFIBUS was provided with suitable extensions for implementing hybrid wired/wireless communication systems. In RFieldbus, interoperability between wired and wireless components is achieved by the use specific intermediate networking systems operating as repeaters, thus creating a single logical ring (SLR) network. The main advantage of the SLR approach is that the effort for protocol extensions is not significant. However, a multiple logical ring (MLR) approach provides traffic and error isolation between different network segments. This concept was introduced in, where an approach for a bridge-based architecture was briefly outlined. This paper will focus on the details of the inter-Domain Protocol (IDP), which is responsible for handling transactions between different network domains (wired or wireless) running the PROFIBUS protocol.

Profibus protocol extensions for enabling inter-cell mobility in bridge-based hybrid wired/wireless networks

Future industrial control/multimedia applications will increasingly impose or benefit from wireless and mobile communications. Therefore, there is an enormous eagerness for extending currently available industrial communications networks with wireless and mobility capabilities. The RFieldbus European project is just one example, where a PROFIBUS-based hybrid (wired/wireless) architecture was specified and implemented. In the RFieldbus architecture, interoperability between wired and wireless components is achieved by the use specific intermediate networking systems operating at the physical layer level, i.e. operating as repeaters. Instead, in this paper we will focus on a bridge-based approach, which presents several advantages. This concept was introduced in (Ferreira, et al., 2002), where a bridge-based approach was briefly outlined. Then, a specific Inter-Domain Protocol (IDP) was proposed to handle the Inter-Domain transactions in such a bridge-based approach (Ferreira, et al., 2003a). The major contribution of this paper is in extending these previous works by describing the protocol extensions to support inter-cell mobility in such a bridge-based hybrid wired/wireless PROFIBUS networks.

Hybrid wired/wireless PROFIBUS networks supported by bridges/routers

Fieldbus networks are becoming increasingly popular in industrial computer-controlled systems. More recently, there has been the desire to extend the capabilities of fieldbuses to cover functionalities not previously considered in such networks, with particular emphasis on industrial wireless communications. Thinking about wireless means considering hybrid wired/wireless solutions capable of interoperating with legacy (wired) systems. One possible solution is to use intermediate systems (IS) acting as repeaters to interconnect the wired and wireless parts. In contrast, we analyze a solution where intermediate systems are implemented as bridges/routers. We detail the main advantages in terms of dependability and timeliness, and propose mechanisms to manage message transactions and intercell mobility.