Surveillance des réseaux de capteurs sans fil

Introduction

Depuis quelques années, l’observation et le contrôle de phénomènes physiques ont été rendus possibles grâce à l’apparition de Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs). Ces derniers suscitent un grand intérêt vus les nombreux avantages qu’ils apportent mais souffrent, néanmoins pour l’instant, de diverses limitations. De plus, il est difficile, voire même impossible, de remplacer les nœuds ou leurs batteries car l’environnement de déploiement est soit souvent hostile ou inaccessible, soit que le réseau lui-même est très dense (comprenant des milliers de nœuds).La nature ad hoc des réseaux de capteurs sans fil et le coût qui est en diminution continue ainsi que la facilité de déploiement et d’utilisation sont des facteurs qui ont contribué à l’apparition d’une multiplicité d’applications exploitant cette technologie.

La recherche dans ce domaine est active puisque les RCSF posent aussi des problèmes faisant impliquer plusieurs disciplines pour les résoudre. En plus des problèmes étudiés dans les réseaux informatiques habituels (filaires et sans fil) qui s’intéressent généralement au routage, localisation, transfert, contrôle, surveillance et sécurité, les RCSF présentent le problème de la consommation énergétique qui doit être optimisée afin d’avoir des réseaux fiables, tolérants aux pannes et avec une meilleure qualité de service.Les systèmes multi-agents (SMA) ont un principe de fonctionnement qui peut être facilement adapté et intégré dans les systèmes complexes grâce à leur démarche totalement décentralisée. Ils peuvent être utilisés dans la modélisation des phénomènes dont le comportement global émerge des comportements locaux des entités composantes du système en question. Ces composantes ont la capacité de percevoir,traiter, agir et réagir dans leur environnement.La structure des réseaux de capteurs sans fil, leur capacité en traitement distribué et leur complexité quand le nombre de nœuds augmente sont tous des facteurs qui nous conduisent à penser d’exploiter les évolutions faites dans le domaine des systèmes multi-agents pour améliorer les performances de ces réseaux et simplifier leur conception.En effet ces dernières années, plusieurs travaux de recherche s’intéressent à cette technique. Les approches multi-agents pour les RCSF interviennent dans plusieurs niveaux et aspects de fonctionnement. On trouve donc des travaux qui proposent des architectures logicielles des applications et des services, d’autres s’intéressent à l’organisation du réseau et la coopération entre les nœuds.

Le clustering présente une préoccupation dominante pour cette catégorie. Un nombre important de travaux basés sur les agents traitent les problèmes de routage dans les RCSF avec différents domaines d’application. Enfin le monitoring et la mobilité font aussi objet de plusieurs travaux où l’utilisation des principes bio-inspirés semble intéressante avec les systèmes multiagents pour résoudre les problèmes liés à la mobilité et le scheduling des tâches.

Les réseaux de capteurs sans fil

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) – en anglais Wireless Sensor Networks (WSN) – sont considérés comme un type spécial de réseaux ad hoc. Ils sont basés sur l’effort collaboratif d’un grand nombre de nœuds qui opèrent d’une manière autonome et complètement transparente pour l’utilisateur. Ces nœuds, communément appelés capteurs, sont des dispositifs de petite taille qui intègrent principalement des unités de calcul et de communication sans fil en plus des unités de captage et de gestion d’énergie. Cette dernière est une ressource critique vu que le capteur sans fil est alimenté par une batterie à autonomie limitée dont la recharge est souvent impossible.

Le rôle de ces capteurs consiste à détecter un phénomène dans l’environnement adjacent, de traiter les données captées et enfin envoyer le résultat de l’analyse via un support de transmission sans fil. La position de ces nœuds n’est pas obligatoirement prédéterminée. Ils sont dispersés aléatoirement à travers une zone géographique, appelée champ de captage ou zone d’intérêt, qui définit le terrain d’intérêt pour le phénomène à observer. Les données captées sont acheminées grâce à un routage multisaut à un nœud considéré comme un « point de collecte », appelé nœud puits (ou Sink) ou encore station de base. Ce dernier peut être connecté à l’utilisateur du réseau via Internet ou via un satellite. Ainsi, l’usager peut adresser des requêtes aux autres nœuds du réseau, précisant le type de données requises et récolter les données environnementales captées par le biais du nœud puits.

Réseau de capteurs sans fil

Un réseau de capteurs sans fil est constitué de plusieurs nœuds appelés nœuds capteurs ou tout simplement capteurs, permettant de capter et collecter des événements, d’effectuer des traitements et de transmettre les informations recueillies dans différents environnements. Ces nœuds peuvent avoir des positions fixes ou bien être déployés aléatoirement pour surveiller l’environnement. Les communications dans un réseau de capteurs se font souvent d’une manière multi-saut.

L’écoulement des données se termine vers des nœuds spéciaux appelés nœuds-puits ou stations de base (Sink). Ces nœuds-puits sont des bases de contrôle qui possèdent plus de ressources matérielles et permettent de collecter et stocker les informations issues des capteurs [MAK-08].Le nœud puits est responsable, en plus de la collecte des rapports, de la diffusion des demandes sur les types de données requises par les capteurs via des messages de requêtes. Notons qu’un réseau de capteurs peut contenir plusieurs nœuds puits diffusant des intérêts différents. Ainsi, l’usager peut adresser des requêtes aux autres nœuds du réseau, précisant le type de données requises et récolter les données environnementales captées par le biais du nœud puits.

Dans un réseau de capteurs sans fil, des points d’agrégation peuvent être introduits. Cela a pour but de résoudre le problème de la consommation d’énergie [MAK-08]. En effet, la communication entre les nœuds consomme beaucoup d’énergie. Ainsi ceci a pour but de réduire cette communication entre les nœuds en privilégiant celle entre les points d’agrégation. Un type de regroupement appelé « clustering » peut aussi être appliqué dans ce cas. Un chef de cluster joue le rôle d’un point d’agrégation. La communication au sein d’un groupe doit passer à travers le chef, qui ensuite la transmet à un autre chef du cluster voisin jusqu’à ce qu’il atteigne sa destination. La figure I.2 présente une architecture simple de réseau de capteurs sans fil.

Applications des RCSF

La taille de plus en plus réduite des micro-capteurs, le coût de plus en plus faible, la large gamme des types de capteurs disponibles (thermique, optique, vibrations, multimédia, …) ainsi que le support de communication sans fil utilisé, permettent aux réseaux de capteurs sans fil d’envahir plusieurs domaines d’application. Ils permettent aussi d’étendre les applications existantes et de faciliter la conception d’autres systèmes tels que le contrôle et l’automatisation des chaînes de montage. Les réseaux de capteurs ont le potentiel de révolutionner la manière même de comprendre et de construire les systèmes physiques complexes. Ils peuvent se révéler très utiles dans de nombreuses applications lorsqu’il s’agit de collecter et de traiter des informations provenant de l’environnement.

Parmi les domaines où ces réseaux peuvent offrir les meilleures contributions, nous citons les domaines militaire, environnemental, domestique, santé, sécurité, etc. Certaines applications militaires utilisent les RCSF afin de contrôler les différentes troupes, de surveiller toutes les activités des forces ennemies ou d’analyser le terrain avant d’y envoyer des troupes (détection d’agents chimiques, biologiques ou des radiations). Les applications pour l’environnement incluent la poursuite du mouvement des animaux, et des insectes ainsi que le contrôle des conditions de l’environnement qui affectent les produits agricoles, l’irrigation, l’exploration planétaire, etc.

L’utilisation des réseaux de capteurs dans le domaine de la médecine pourrait apporter une surveillance permanente des patients et une possibilité de collecter des informations physiologiques de meilleure qualité, facilitant ainsi le diagnostic de quelques maladies.Il est clair que ces domaines d’applications des RCSF ont des spécifités déférentes en ce qui concerne la nature des données captées où les nœuds utilisés qui doivent être dotés par de tels capteurs (capteur de pression, température, mouvement, image et vidéo, …). D’un autre coté, il y a des exigences en ce qui concerne le fonctionnement comme le débit nécessaire, les délais de transmission, la qualité de service, la sécurité, etc. On trouve dans [RAU-14] une classification des applications RCSF sous forme de taxonomie avec les performances demandées par chaque type ou domaine d’applications comme le monte la figure I.4 ci-après.

OPNET

OPNET Modeler (Optimized Network Engineering Tools) est un simulateur de réseaux commercialisé par Opnet Technologies. C’est un simulateur utilisé surtout par les industriels pour la modélisation et la simulation des réseaux. Il permet de dessiner et d’étudier des réseaux de communications, des équipements, des protocoles et des applications avec facilité et évolutivité. OPNET est utilisé par les entreprises technologiques les plus performantes pour accélérer leurs procédés de recherches et développements. L’approche orientée objet associée à des éditeurs graphiques intégrés de Modeler simplifie la composition des réseaux et des équipements. Ceci permet de réaliser facilement une correspondance entre le modèle et le système à simuler.Pour la configuration d’un réseau, trois niveaux hiérarchiques sont définis: le niveau réseau qui consiste à créer la topologie, le niveau nœud qui définit le comportement du nœud et qui contrôle le passage des données entre les différents éléments fonctionnels à l’intérieur du nœud, et enfin le niveau processus qui décrit les protocoles représentés par des machines à état finis. Le code est écrit en C/C++. L’analyse des données résultats est effectuée avec un ensemble de fonctions intégrées.

Le simulateur OPNET comporte plusieurs fonctionnalités adaptées et performantes pour la simulation des réseaux de capteurs mais c’est un produit commercial

Choix d’un simulateur

La nature des RCSF rend leur simulation plus difficile. Pour cela, et durant ces dernières années, les simulateurs dédiés à ce type de réseaux essayent d’améliorer leurs capacités en termes de rapidité, précision, sociabilité, facilité d’utilisation,… etc. Ces améliorations sont faites soit à travers des nouvelles versions et dans la plus part des cas à travers des frameworks spécifiques à certains types de réseaux comme nous allons le voir par la suite.Chapitre 4: Proposition d’une approche distribuée pour le contrôle de topologie d’un RCSF Pour la simulation de notre approche, le choix est fait sur le simulateur Castalia/Omnet++ vu les caractéristiques et avantages de ce dernier dont on peut citer:
– Il offre un modèle de mobilité.
– Son modèle radio adapté au réseau de capteurs sans fil.
– Il gère correctement la consommation d’énergie.
– Possibilité de simuler des réseaux de taille plus ou moins importante.
– Il met on œuvre des mécanismes de parallélisme et de traitement distribué issus d’Omnet++.
– Gratuité et donc disponibilité du produit .

Le groupe Australien NICTA (Networks and Pervasive Computing program of National ICT Australia) [CAST] a développé le modèle Castalia pour la simulation des réseaux de capteurs mais en se basant sur le simulateur Omnet++.Par la suite Castalia est considéré lui-même un simulateur de réseaux de capteurs sans fil. Comme nous l’avons annoncé. Pour ces raisons, la simulation de notre approche sera faite sous Castalia.

Cycle de vie d’un nœud capteur à base d’agent

L’objectif principal de la proposition d’une architecture multi-agent dans le domaine des RCSF est de rendre ce dernier dynamique, extensible et évolutif du point de vue de son monitoring. Au début, l’exploitation d’un réseau de capteurs sans fil ne nécessite que son déploiement dans la zone d’intérêt avec quelques fonctionnalités de base comme par exemple la détection de voisinage mais à condition que les capteurs soient dotés d’une plateforme qui supporte l’exécution d’un système multi-agent. Ensuite,l’utilisateur ou le développeur du réseau peut suivre et modifier le comportement de son réseau à travers une station de contrôle qui permet la gestion d’un système multiagent à travers tous les capteurs.

Il aura donc la possibilité de déployer, exécuter, migrer ou retirer des agents. Pour notre architecture, chaque capteur, après son déploiement aura le cycle de vie:
– Détection de voisinage.
– Déploiement d’un agent de contrôle de topologie.
– Initialisation du réseau et construction de la topologie initiale.
– Contrôle de topologie.
– Terminaison sur état critique ou défaillance.

Notons ici qu’en réalité ces fonctionnalités concernent seulement le monitoring du réseau de capteurs afin de prolonger sa durée de vie et optimiser la qualité de service d’une manière distribuée. Les fonctionnalités relatives à la collecte de données et les autres tâches ne sont pas sujet de cette étude.

Table des matières

Introduction générale
1. Introduction
2. Mise en contexte
3. Organisation de la thèse 
Chapitre 1 : Surveillance distribuée des RCSF
1. Introduction
2. Les réseaux de capteurs sans fil
2.1 Le nœud capteur
2.2 Réseau de capteurs sans fil
2.3 Architecture en couches des réseaux de capteurs sans fil
2.4 Applications des RCSF
2.5 Caractéristiques des RCSF
2.6 Problèmes étudiés en RCSF
3. Surveillance des réseaux de capteurs sans fil
3.1 Définitions
3.2 Aspects relevant de la surveillance d’un RCSF
3.2.1 Déploiement d’un RCSF
3.2.2 Localisation
3.2.3 La connectivité
3.2.4 La couverture
3.2.5 Couverture et connectivité
3.2.6 Tolérance aux pannes
3.2.7 Durée de vie
3.2.8 La redondance des nœuds
3.2.9 Contrôle de la topologie
4. Techniques utilisées pour la surveillance des RCSF
4.1 Techniques de surveillance centralisée
4.2 Techniques de surveillance distribuée
5. Modélisation d’un RCSF 
5.1 Nécessité d’un modèle
5.2 Définitions et notations
5.3 Réduction du degré d’un graphe
5.3.1 Graphe RNG
5.3.2 Graphe de Gabriel
6. Conclusion 
Chapitre 2 : Contrôle de topologie des RCSF
1. Introduction
2. Définitions
2.1 Topologie
2.2 Contrôle de topologie
2.3 Objectifs de contrôle de topologie
2.4 Défis du contrôle de topologie
3. Déférentes topologies des RCSF
3.1 Topologie plate
3.2 Topologie par clusters
3.2.1 Définition
3.2.2 Formation de clusters
3.2.3 Communication intra-cluster et inter-cluster
3.2.4 Maintenance des clusters
3.2.5 Quelques algorithmes de clustering pour RCSF
3.3 Topologie à base de chaines
3.4 Topologie à base d’arbre
4. Techniques de contrôle de topologie des RCSF 
4.1 Ajustement de la portée radio
4.2 Changement d’états des nœuds
4.3 Structures en hiérarchie
4.4 Approches hybrides
5. Travaux existants
6. Conclusion 
Chapitre 3 : Utilisation des SMA dans les RCSF
1. Introduction
2. Les systèmes multi-agents
2.1 Définitions
2.1.1 Un agent
2.1.2 Un système multi-agent
2.2 Caractéristiques des SMA
2.3 Types d’agents
3. Plateformes logicielles pour les SMA
3.1 Qu’est ce qu’une plateforme SMA
3.2 Quelques plateformes SMA
4. Application des SMA pour les RCSF
4.1 Motivations
4.2 Différentes Manièresd’introduire un SMA dans un RCSF
4.2.1 Nœuds capteurs comme agents
4.2.2 Agents fonctionnels
4.2.3 Agents mobiles
5. Travaux SMA pour les RCSF 
5.1 Architecture logicielle des applications et services
5.2 Organisation du réseau, clustering et coopération
5.3 Routage
5.4 Monitoring et mobilité
5.5 Sécurité
6. Travaux SMA pour le contrôle de topologie
7. Plateformes SMA pour les RCSF
8. Conclusion
Chapitre 4 : Proposition d’une approche distribuée pour le contrôle de topologie d’un RCSF
1. Introduction
2. La problématique
3. Travaux existants
4. Détails sur le protocole CTP
4.1 Définition
4.2 Structure du protocole CTP
4.2.1 Routing Engine (RE)
4.2.2 ForwardingEngine(FE)
4.2.3 Link Estimator (LE)
4.3 Structure des donnée en CTP
4.3.1 La trame de données
4.3.2 Structure de routage CTP
5. Proposition d’une amélioration du CTP 
5.1 Modèle du réseau
5.2 Construction de topologie
5.3 Contrôle de topologie
5.4 Structure des trames
6. Etude de performances par simulation 
6.1 Pour quoi simuler
6.1.1 Le simulateur J-Sim
6.1.2 Le simulateur NS
6.1.3 OPNET
6.1.4 OMNET++
6.2 Choix d’un simulateur
7. Environnementde simulation
7.1 Présentation
7.2 Méthodologie d’utilisation
7.3 Modèle de Castalia
8. Détails de l’implémentation
9. Paramètres d’évaluation
9.1 La durée de vie
9.2 Changement de parent
9.3 Energie consommée
9.4 Hypothèses
10. Résultats et analyse
11. Conclusion
Chapitre 5 : Proposition d’une architecture multi-agent pour le contrôle de topologie d’un RCSF
1. Introduction.
2. Cycle de vie d’un nœud capteur à base d’agent
3. Modèle du système multi-agent proposé
3.1 Déploiement des agents
3.2 L’agent de contrôle de topologie ATCagent
4. Les outils utilisés
4.1 Aperçu sur les capteurs Sun Spots
4.1.1 Les capteurs
4.1.2 La machine virtuelle Squawk
4.1.3 Manipulation des SunSpots
5. Indications sur l’implémentation de notre algorithme en java 
6. Intégration du fonctionnement multi-agent 
6.1 Choix de la plateforme multi-agent
6.2 Structure d’un projet MAPS
7. Implémentation du SMA 
7.1 Scénario de déploiement
7.2 Le plan d’exécution
7.3 Implémentation de l’agent ATCagent
7.4 Implémentation de la MIDlet
7.5 Déploiement et exécution
8. Résultats
9. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques

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