Applications des réseaux VANET

Applications des réseaux VANET

Technologies d’accès

Afin de déployer les applications décrites au-dessus, nous faisons un tour d’horizon des technologies de communication sans fil existantes. Ce tour d’horizon permet de présenter les caractéristiques des technologies envisagées pour les VANETs. Il existe deux types de systèmes possibles :  Les systèmes intra-véhiculaires composés de capteurs internes au véhicule et ne visant pas à diffuser de l’information vers l’extérieur du véhicule.  Les systèmes extra-véhiculaires visant l’échange d’informations entre une entité et son environnement.
Les systèmes extra-véhiculaires sont divisés en trois sous-systèmes selon leur utilisation :  Les systèmes de télécommunications, qui sont dominants dans le domaine des communications mobiles, mais qui nécessitent une infrastructure. Ils sont particulièrement utilisés pour les applications de confort de l’usager (Internet à bord, vidéoconférence, autres services payants).  Les systèmes de radio diffusion (éventuellement numériques), qui proposent de l’information de manière unidirectionnelle. Ils sont particulièrement utilisés pour les applications de gestion du trafic routier.  Les réseaux informatiques extra-véhiculaires, qui proposent des échanges directs d’informations entre les entités. Ils sont particulièrement utilisés pour les communications V2V et les applications de sécurité routière.

Systèmes de communication intra-véhiculaires

Les systèmes intra-véhiculaires ne visent pas la diffusion d’information à l’extérieur du véhicule. Ils sont composés de capteurs, d’une plateforme de calcul et de réseaux filaires ou sans fil. Ces systèmes ont été les premiers développés par les industriels. Chaque constructeur pouvait définir son propre système sans devoir assurer l’interopérabilité avec les véhicules de marque concurrente. Ces systèmes sont connus sous le nom de « systèmes avancés d’aide à la conduite »
(ADAS). Dans la première phase d’acquisition de connaissance sur l’environnement de conduite, les systèmes actuels d’aide à la conduite utilisent deux sortes de capteur ou source d’informations :
Les capteurs proprioceptifs : Ce genre de capteurs fournit des informations internes au véhicule. Ces capteurs se limitent donc à renvoyer des informations sur le comportement et sur les paramètres du véhicule lui-même sans se préoccuper directement de l’environnement de conduite. Toutefois, ces capteurs fournissent des informations précieuses en termes de définition et de détermination du risque. Citons à titre d’exemple les informations sur la vitesse du véhicule acquises grâce à l’odométrie, sur les accélérations (par gyromètre), sur l’état du moteur du véhicule, sur l’état des freins, sur l’adhérence à la route, etc. Ces informations forment une source d’informations indispensable pour connaître, dans un premier temps, l’état et les capacités du véhicule lui-même pour mieux définir le risque encouru et pouvoir proposer, dans un second temps, des solutions pour réduire ce risque.

Etat de l’art sur les réseaux VANET

Les capteurs extéroceptifs : contrairement à la première catégorie, ces capteurs embarqués sur le véhicule auront pour mission de percevoir l’environnement de navigation du véhicule. Ils fournissent des informations sur le véhicule lui-même et sur les objets qui l’entourent à partir de leur perception de l’environnement. Citons à titre d’exemple la vision monoculaire ou stéréoscopique, la télémétrie laser ou radar, les ultrasons, etc. Plus communément, il existe le régulateur de vitesses adaptatives ou le parcage automatique. Ces capteurs acquièrent des informations sur les objets dans l’environnement de conduite. Ce genre de capteurs est plutôt utilisé dans la classe des ADAS autonomes puisqu’ils n’exigent aucune interaction physique avec l’environnement et se contentent de percevoir passivement. Ce type de système n’apporte qu’une connaissance locale et à courte portée de l’environnement du véhicule. Il est donc intéressant de coupler ce système à un système de communication sans fil extra-véhiculaire.

Systèmes de communication extra-véhiculaires

Systèmes de télécommunications : Les systèmes de télécommunications sont également connus sous le nom de réseaux cellulaires mobiles. Cette section traite des standards de télécommunications: GSM et son extension GPRS, et UMTS (4G). L’architecture réseau d’un système de télécommunications contient une station de base qui contrôle l’accès au support et gère le processus d’itinérance (handover).  GSM/GPRS Le Global System for Mobile communication(GSM) est la deuxième génération de téléphonie mobile orientée vers la communication de la voix. Avec l’avènement de l’Internet mobile, le General Packet Radio Service(GPRS) a été développé pour permettre la communication des paquets de données. Le GPRS est la génération 2,5 de téléphonie mobile basée sur la commutation de paquets et son débit théorique maximal est de 171,2 kbit/s. Néanmoins, la voix conserve une priorité supérieure dans la plupart des réseaux basés sur GSM. Le GSM/GPRS est un système radio à délai modéré, à faible débit, entre une station de base et un véhicule. Le trafic de données, plus particulièrement quand il transporte des informations de sécurité routière, a des besoins différents. En effet, il exige une communication en temps réel ayant un faible délai, et une fiabilité de données élevée. Cette technologie n’est donc pas adaptée au transport de paquets pour les applications de sécurité du trafic routier. Par contre, le GSM/GPRS fournit une connexion internet (minimale en terme de débit) utilisée par le service SOS de certains constructeurs automobiles par exemple.  UMTS L’Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) est la norme de la troisième génération de téléphonie mobile. La transmission de données peut atteindre théoriquement des débits de transfert de 1,92 Mbit/s, et de 128 kbit/s pour les équipements mobiles à grande vitesse. Comme chaque utilisateur est lié à un opérateur téléphonique qui gère la facturation, l’UMTS est employé pour l’accès aux services payants tels que l’Internet à bord, la vidéo à la demande ou les jeux en réseau.

Etat de l’art sur les réseaux VANET

Grâce à ses caractéristiques techniques, l’UMTS est plus adapté aux applications de sécurité du trafic routier que le GSM/GPRS. En effet, le débit est constamment augmenté, et comme les applications de sécurité du trafic routier génèrent un volume important de données, l’UMTS répond à ce besoin. Mais des manques perdurent notamment en terme de garantie de délai. Les systèmes de télécommunications sont une solution peu onéreuse et déjà existante. Mais dans notre contexte de communication véhiculaire sur autoroute ces systèmes n’assurent aucune garantie de délai. De plus, rien ne dit que les véhicules utiliseront le même opérateur. Il y aura donc un délai supplémentaire afin d’atteindre le(s) réseau(x) opérateur(s) des autres véhicules. Cela explique donc pourquoi les systèmes de télécommunications sont principalement utilisés pour les applications de confort de l’usager. Systèmes de radiodiffusion numérique Les systèmes de radiodiffusion numérique proposent de diffuser l’information depuis la station de base jusqu’aux utilisateurs. C’est donc un système unidirectionnel. Leur avantage est que les véhicules reçoivent la même information « au même moment ». Cette section présente trois standards pour la diffusion mobile : RDS/TMC,DAB/DMB, et DVB-T/DVB-H.  RDS/TMC Les systèmes de navigation dotés d’un récepteur RDS/TMC (Radio Data System/Traffic Message Channel) leur permettent de calculer les itinéraires en tenant compte des informations délivrées par les opérateurs de service. Le RDS est un système de diffusion de données par la radio permettant d’envoyer des informations, transportées en plus du signal audio normal en modulation de fréquence, grâce à une sous-porteuse de la FM. Le débit de données RDS est de 1,2 kbit/s. Le TMC désigne une norme européenne de diffusion de données numérique sur les systèmes de navigation [ISO 03]. Les données transitent ainsi jusqu’à l’utilisateur sur le canal RDS de la radio FM.  DAB/DMB Le DMB (Digital Multimedia Broadcasting) est une évolution du DAB (Digital Audio Broadcasting), développé et normalisé par l’European Telecommunication Standards Institute (ETSI) en 2005. Le DMB utilise un nouveau mode de compression en MPEG-4 qui permet de diffuser de la radio numérique avec des contenus multimédias, mais aussi de la télévision mobile, sur des appareils de petite dimension tels que des téléphones mobiles. Le DMB a été développé afin d’être le remplaçant de la radio FM. Malheureusement, avec un débit de 2,4 Mbit/s, une latence de 100 ms, un délai non borné et une communication unidirectionnelle, ces technologies ne peuvent supporter que les applications d’information de trafic routier.  DVB-T/DVB-H Le Digital Video Broadcasting(DVB) est une technologie de diffusion pour la télévision numérique concurrente du DAB/DMB. Le Digital Video Broadcasting-Terrestrial (DVB-T) est un système qui transmet la voix et la vidéo via un flux compressé MPEG. Le DVB-H (Digital Video Broadcasting-Handheld) est une version optimisée de DVB-T, lequel n’avait pas été conçu à l’origine pour un usage nomade. Le DVB-H ajoute au DVB-T une redondance temporelle et une forte protection des flux transmis. Le DVB-H est ainsi adapté pour la réception mobile.

Les  Etat de l’art sur les réseaux VANET

différences par rapport au DAB/DMB sont un débit supérieur et une portée réduite. Bien que ces deux technologies soient adaptées pour le transport de vidéo, elles ne répondent pas aux contraintes pour les applications de sécurité du trafic routier. En effet, le DVB-T/DVB-H a une latence de six secondes, ce qui est trop important dans le contexte critique de ces applications. Toutefois, le DVB-T/DVB-H est utilisé pour les applications de confort utilisant les communications I2V uniquement. Par exemple, la diffusion vidéo dans un véhicule roulant à plus de 80 km/h utilise le DVB-H. Réseaux informatiques extra-véhiculaires  Infrarouge : L’infrarouge (IR) est un réseau à visibilité directe. Les émetteurs et récepteurs doivent être proches les uns des autres. Il est adapté pour des communications intervéhiculaires à très courte portée en point à point. Cette technologie souffre de plusieurs limitations. En plus d’être uniquement en point à point, l’IR est une technologie de « ligne de visée » qui ne peut traverser les murs, et requiert donc que la voie entre les périphériques soit dégagée. Cette technologie souffre aussi des perturbations dues aux interférences lumineuses.  WiMAX : Le réseau sans fil métropolitain, WiMAX, basé sur la norme IEEE 802.16, permet d’atteindre des débits de 70 Mbit/s sur un rayon de 50 kilomètres. Avec un débit élevé et un délai modéré, le WiMAX est adapté pour l’accès à Internet. Sa version mobile, Mobile WiMAX (basé sur le standard IEEE 802.16e), offre aussi une connectivité à moyenne et longue portée, mais adaptée pour des véhicules à vitesse modérée.  WiFi : Aujourd’hui, la technologie Wireless Fidelity (WiFi) est devenue omniprésente dans les ordinateurs portables, les téléphones portables ou les consoles de jeux. Grâce à cette démocratisation et le faible coût de production, la technologie WiFi est une technologie abordable pour le déploiement de réseaux sans fil véhiculaires. Depuis la fin des années 1990, date d’apparition des premiers équipements utilisant la technologie WiFi sur le marché, trois spécifications de la couche physique pour le standard IEEE 802.11 furent ajoutées afin d’accroitre la vitesse de transmission. La dernière spécification en date est le 802.11n qui propose des débits théoriques de 300 Mbit/s. Malheureusement, en pratique le surcoût du protocole réduit de moitié les débits potentiels de la couche application. Cette dégradation de débit peut être pénalisante, surtout dans les réseaux véhiculaires. À première vue, la couverture radio omnidirectionnelle de 400 mètres semble suffisante pour maintenir une connectivité multisaut dans le milieu autoroutier ou urbain. Mais de nombreux travaux de recherche ont démontrés qu’à cause des caractéristiques uniques des VANETs, cette technologie ne peut pas être appliquée telle quelle. À plus forte raison dans le contexte d’application de sécurité du trafic routier où le IEEE 802.11(g) affiche un taux de perte de paquets élevé à vitesse élevée.  DSRC: Dedicated Short Range Communication(DSRC) regroupe un ensemble de technologies dédiées aux communications véhiculaires. À l’origine, la technologie DSRC a été conçue pour  répondre au besoin de transactions financières électroniques (télépéage). C’était un modèle de communication à courte portée (4 à 10 mètres) avec des débits inférieurs à 1 Mbit/s. Ensuite, le standard DSRC a évolué à partir du IEEE 802.11a vers la norme IEEE 802.11p ou WAVE (Wireless Access for Vehicular Environments) afin de répondre aux caractéristiques des VANETs. Le DSRC propose un canal de communication spécialement conçu pour transmettre des messages de très haute priorité à l’instar de certains messages critiques liés à la sécurité routière. Le WAVE présente aussi des caractéristiques beaucoup plus adaptées à la mobilité (comme des temps d’établissement de connexion plus courts) qui permettent l’envoi à la volée d’informations à des véhicules roulants à grande vitesse. Il présente une bonne fiabilité avec un taux d’erreur de 10−6 à 160 km/h. La technologie IEEE 802.11p est particulièrement adaptée pour les applications à portée moyenne et sensibles au délai.

Protocoles de routage Ad hoc véhiculair

Le routage est le mécanisme qui permet de trouver et maintenir un chemin de communication entre une paire de nœuds distants dans un réseau VANET, et qui fonctionne selon deux phases distinctes :  Une phase de signalisation assurée par des échanges de messages de contrôle afin de permettre la construction et le maintien des chemins,  Une phase d’acheminement des paquets de données. En raison des caractéristiques de ces réseaux, les protocoles de routage conçus pour les réseaux filaires ne peuvent être directement utilisés. Pour fonctionner, ces protocoles doivent prendre en considération certains aspects liés à l’environnement dans lequel ils sont déployés tels que les changements de la topologie dus à la mobilité des nœuds, l’absence d’une entité centrale de gestion…, etc.

Classification des protocoles de routage

Selon la manière dont les nœuds établissent les chemins nous pouvons distinguer deux grandes classes de protocoles : les protocoles de routages basés sur la topologie (topologybased)[2] et les protocoles de routages géographiques (position-based)[3].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Etat de l’art sur les réseaux VANET
1.1. Réseaux sans fil
1.1.1. Techniques de communication sans fil
1.1.2. Avantages et contraintes de la communication sans fil
1.2. Réseaux mobiles
1.2.1. Classification des réseaux mobiles
1.3. Réseaux ad hoc
1.4. Réseaux Véhiculaires Ad hoc
1.4.1. Définition d’un réseau VANET
1.4.2. Messagerie et architectures des réseaux sans fil véhiculaires
1.4.2.1. Entités communicantes
1.4.2.2. Types de messages
1.4.2.3. Architectures de communication
1.4.3. Caractéristiques des réseaux VANET
1.4.4. Applications des réseaux VANET
1.4.4.1. Les applications liées aux STI et à la gestion du trafic routier
1.4.4.2. Les applications liées au confort du conducteur et des passagers
1.4.4.3. Les applications liées à la sécurité du trafic routier
1.4.5. Technologies d’accès
1.4.5.1. Systèmes de communication intra-véhiculaires
1.4.5.2. Systèmes de communication extra-véhiculaires
1.4.6. Protocoles de routage Ad hoc véhiculaire
1.4.6.1. Classification des protocoles de routage
1.4.6.2. Le protocole OLSR (Optimized Link State Routing)
1.4.6.3. Le protocole AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector)
Chapitre 2 : Menaces et problèmes de sécurité dans les VANETs
2.1. Attaques dans les réseaux sans fil véhiculaires
2.1.1. Modèles d’attaquant
2.1.2. Menaces au niveau applicatif
2.1.3. Attaques contre les protocoles de routage
2.1.4. Vulnérabilités et types d’attaques spécifiques au protocole OLSR
2.1.4.1. Génération incorrecte du trafic
2.1.4.2. Relayage incorrect du trafic
2.1.5. Vulnérabilités et types d’attaques spécifiques au protocole AODV
2.1.5.1. Classifications des attaques spécifiques au protocole AODV
2.1.5.1.1. Attaques élémentaires
2.1.5.1.2. Attaques composées
Chapitre 3 : Mécanismes et techniques de sécurité dans les VANETs
3.1. Services de sécurité et mécanismes
3.1.1. Confidentialité
3.1.2. Authenticité
3.1.3. Intégrité
3.1.4. Non-répudiation
3.1.5. Disponibilité
3.1.6. Contrôle d’accès
3.2. La sécurité de routage dans les réseaux VANET
3.2.1. Mécanismes de sécurité pour le protocole OLSR
3.2.1.1. Secure OLSR
3.2.1.2. Architecture de sécurité pour OLSR
3.2.1.3. ADVSIG (An Advanced Signature System for OLSR)
3.2.1.4. GPS-OLSR (OLSR with GPS information)
3.2.1.5. TOLSR (Trust system for OLSR)
3.2.1.6. CSS-OLSR (Cooperative Security Scheme for OLSR)
3.2.2. Comparaison entre les extensions sécurisées du protocole OLSR
3.2.2.1. Les mesures de sécurité standards implémentées pour chaque variante
3.2.1.1. Les protections offertes par chaque variante
3.2.3. Mécanismes de sécurité pour le protocole AODV
3.2.3.1. SAODV (Secure Ad hoc On-Demand Distance Vector)
3.2.3.2. ARAN (Authenticated Routing for Ad hoc Networks)
3.2.3.3. SEAR (Secure Efficient Ad hoc on demand Routing)
3.2.4. Comparaison entre les extensions sécurisées du protocole AODV
Chapitre 4 : Simulations et résultats
4.1. Contexte et objectif
4.2. Processus de simulation dans les VANETs
4.2.1. Génération d’une Mappe de simulation
4.2.2. Simulation de modèle de mobilité et la génération du trafic
4.2.3. Simulation de modèle réseau
4.2.4. Traitement de données
4.3. Environnement de simulation
4.3.1. NS-2
4.3.2. VanetMobiSim
4.4. Paramètres d’évaluation
4.4.1. Taux de paquets délivrés : PDR (Packet Delivery Ratio)
4.5. Scénario de simulation
4.5.1. Le modèle d’attaque
4.5.2. La sécurité avec CSS-OLSR
4.5.2.1. Procédure de CSS-OLSR
4.5.2.2. Détection du nœud malicieux
4.6. Etapes de simulation
4.6.1. Modèle de mobilité
4.6.2. Modèle de trafic
4.6.3. Simulation réseau
4.7. Résultats et Analyse
4.7.1. Courbes de visualisation du PDR
4.7.2. Courbes de visualisation de Délai
4.7.3. Courbes de visualisation de la gigue
4.7.4. Courbes de visualisation du cout de routage
4.7.5. Courbes de visualisation de l’Efficacité
Conclusion
Références

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