Surveillance et problématique de nœuds défaillants dans les RCSFs

Internet des Objets (IdO) et les Réseaux de Capteurs/Actionneurs Sans Fil (RCASFs)

Différents types d’architecture de RCSF

Comme le montre la figure 1.11, l’architecture des RCSFs comprend des nœuds de capteurs, des points d’agrégation (têtes de cluster), des stations de base (Sink, serveur central ou récepteur), un gestionnaire de réseau, un gestionnaire de sécurité et une interface utilisateur. Ces composants s’entraident mutuellement, ainsi, ils aident le RCSF à fonctionner, correctement [51, 52]. La figure 1.11 illustre les différents types de communication dans les RCSFs comme suit :
 Architecture de communication directe : Chaque nœud de capteur communique directement avec la station de base (Sink). Ainsi, cette architecture n’est pas appropriée pour les RCSFs larges, étant donné qu’elle n’est pas évolutive.
 Architecture multi-saut et point-à-point : Les nœuds de capteurs ont une capacité de routage, cette architecture souffre de scalabilité (n’est pas évolutive), parce que les nœuds de capteurs placés à proximité du nœud Sink, sont habituellement utilisés pour le routage de paquets entre les autres nœuds et le Sink. Par conséquent, si le RCSF est répandu, le trafic de ces nœuds augmentera et leur énergie sera gaspillée, consommée et épuisée, alors ils sortent rapidement du RCSF. Les nœuds de capteurs forment une structure de clustering. Le choix d’une tête de cluster pour n’importe quel cluster, permettra à la tête de communiquer directement avec le récepteur, ainsi, les nœuds de chaque cluster envoient les données collectées à la tête de cluster correspondante. La faiblesse de cette architecture est la suivante : la plupart des opérations de communication se font par des têtes de cluster, ainsi, leur énergie sera consommée, diminuée et gaspillée, plus tôt que les autres nœuds (si les têtes de cluster ont des capacités faibles ou des RCSFs homogènes). Pour remédier à ce problème, il faudrait changer dynamiquement le rôle de tête de cluster vis-à-vis des les nœuds de cluster correspondants, ou utiliser des têtes de cluster fortes et hétérogènes.
 Architecture multi-saut basé sur le clustering avec un cluster dynamique : Cette architecture résout la faiblesse de l’architecture précédente en changeant dynamiquement le rôle de cluster-head vis-à-vis des nœuds de cluster correspondants [53, 54].

Les types des RCSFs

En général, les RCSFs peuvent être classifiés selon deux catégories, le modèle dynamique et le modèle statique. Le modèle dynamique est constitué d’un ensemble de capteurs mobiles évoluant dans un environnement statique, et dont le but est l’exploration de zones inaccessibles ou dangereuses. Avec ce type de réseau, les travaux de recherche sont orientés souvent robotique, où les nœuds jouent à la fois le rôle de capteur et d’actionneur. Concernant le modèle statique, le réseau est constitué de capteurs fixes servant uniquement à la surveillance d’occurrence d’événements sur une zone géographique, comme illustré précédemment dans la figure 1.7 dans la page 27. Cependant, selon ces deux modèles de réseaux des RCSFs et selon que l’environnement de déploiement des nœuds capteurs, nous pouvons distinguer différents types de RCSF confrontés à différents défis et contraintes, tels que les réseaux de capteurs terrestres [55], sous-marins [56] [57], souterrains [58], multimédias [59] [60] et mobiles [61]. Une description détaillée de ces types de RCSFs est abordée dans [48].

 Les Domaines d’application des RCSF

Les réseaux de capteurs sans fil sont adoptés dans divers domaines d’applications : les opérations civiles et militaires, la surveillance industrielle, la surveillance et la prévision environnementale en temps réel et les soins de santé [chatpfe.com]. Actuellement, les RCSF sont exploités dans l’IdO pour les futures applications, concernant les maisons et villes intelligentes (appelées « smart homes & cities ») [16] [18], dont les capteurs sont embarqués dans la plupart des objets afin de les rendre intelligents, et sont ainsi connus sous le terme de « smart objects » (voir la section 1.2.3 page 14). Ces derniers pourront explorer l’environnement, communiquer avec d’autres objets intelligents et interagir avec les humains [70]. Les RCSF traditionnels ont été développés en utilisant uniquement des nœuds statiques. Cependant, l’avancée rapide de la technologie des RCSF implique l’utilisation d’applications plus complexes nécessitant la mobilité des nœuds.

 Les technologies de communication des RCSFs

La communication sans fil dans les réseaux de capteurs est extrêmement importante et critique. Les RCSFs peuvent en supporter plusieurs types, l’efficacité de ces communications et leur conformité aux particularités de l’application figée sont des critères clés pour le choix de telle ou telle technologie. Etant donné que les RCSFs sont des réseaux particuliers exploités dans l’IdO, alors le développement des applications de ces réseaux nécessite diverses conceptions technologiques de transmissions en fonction de la portée radio (Range) et de la contrainte de l’énergie consommée. Dans la première section de ce chapitre, nous avons cité différentes conceptions technologiques et nous avons décrit la plupart des technologies à courte et à longue portée (voir la sous-section 1.2.5.1 pages 19-21), tel que : Sigfox, Neul, LoRa, les réseaux cellulaires (GSM, 2G, 3G, 4G et 5G), ainsi que Near Field Communication (NFC), WiFi, Bluetooth, Z-Wave et IEEE 802.15.4. Il est à noter que cette thèse porte sur les deux parties ayant trait à nos contributions. La première se rapporte à la technologie IEEE 802.15.4. Quant à la deuxième partie, elle prend en charge la globalité des différentes technologies de réseaux de capteurs utilisées dans l’IdO. En effet, il existe plusieurs technologies de communication utilisées dans les RCSFs, nous en citons les plus importantes et celles en relation avec notre travail..

La technologie IEEE 802.15.4

Dans sa première partie de contribution, cette thèse porte sur la technologie IEEE 802.15.4 [72] [73], car elle est considérée comme l’une des principales technologies candidates aux réseaux de capteurs sans fil, IdO, WdO. En effet, cette technologie est essentiellement conçue pour les petits dispositifs embarqués du fait de leurs ressources limitées à savoir : faible consommation d’énergie, faible portée et faible débit des nœuds utilisant cette norme. Cette technologie spécifie deux couches [chatpfe.com], la couche physique (PHY) et la sous-couche de contrôle d’accès au médium (MAC) pour les réseaux à très faible débit LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Networks), qui fonctionnent sur une bande de fréquence 2.4 GHz, avec un débit de 250kbps et une portée de 10 à 100 mètres. La sous-couche MAC de la norme utilise l’accès multiple à détection de la porteuse avec évitement de collision, noté CSMA/CA (pour Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Comme illustré sur la figure 1.12, IEEE 802.15.4 propose deux modes de fonctionnement pour l’accès au médium : un mode non coordonné (totalement CSMA/CA, sans RTS/CTS) [74], appelé non-beacon et un mode coordonné, ou mode balisé (beacon-enabled mode ou slotted mode). Ces couches (c.-à-d. MAC et PHY) sont très adaptées aux RCSFs, car ils offrent des fonctionnalités qui prennent en considération les contraintes des nœuds capteurs. L’objectif principal de l’IEEE 802.15.4 est de réduire les coûts en termes de consommation d’énergie, basée sur le processus périodique sommeil/réveille [75]. En effet, Le protocole MAC [76] fonctionne selon deux modes pour l’accès au medium, 1) Le mode non-beacon, dans lequel les nœuds suivent le mécanisme classique CSMA/CA, qui est utilisé pour le type de capteur d’interrupteur. 2) Le mode beacon, utilise des trames beacons transmises pour économiser de l’énergie tout en omettant le mécanisme CSMA/CA pour prendre en charge le duty cycle. Pour garantir une synchronisation entre les nœuds capteurs, le mode beacon est basé sur une structure de supertrame comme indiqué sur la figure 1.13 [46]. Une supertrame peut comporter une période active et une période inactive. Durant la période inactive tous les nœuds (y compris le coordinateur) peuvent être en mode sommeil. La période active de chaque supertrame est divisée en seize intervalles de temps égaux et se compose de trois parties : la partie de la balise, la partie dans laquelle les nœuds accèdent au médium avec contention, notée CAP (pour Contention Access Period), et une autre partie avec un accès sans contention, notée CFP (pour Contention Free Period). Pendant la CAP, les nœuds accèdent au médium par compétition suivant l’algorithme CSMA-CA slotté [77]. Comme pour les couches supérieures de la pile de protocoles des RCSFs, d’autres technologies sont impliquées adoptant la norme IEEE 802.15.4 et interagissant avec elle. Les technologies les plus connues sont : 1) Zigbee, qui est proposé par l’alliance ZIGBEE permettant le travail sur les couches Réseau et Application. 2) 6LoWPAN, qui est proposé par l’Internet Engineering Task Force (IETF) permettant l’introduction de la mise en réseau sur l’IPv6 [78], ces technologies vont être décrites par la sous-section suivante avec une discussion sur leur adaptabilité avec IEEE.

Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Introduction générale
1. Problématique et motivation
2. Objectifs.…
2.1 Premier Objectif
2.2 Deuxième Objectif
3. Principales contributions de la thèse
4. Organisation de la thèse
Partie I : Positionnement bibliographique
Chapitre 1 : Internet des Objets (IdO) et les Réseaux de Capteurs/Actionneurs Sans Fil (RCASFs)
1.1 Introduction
1.2 Concept de l’Internet des Objets (IdO)
1.2.1 Historique d’évolution d’IdO
1.2.2 Les objets connectés
1.2.3 Domaine d’applications de l’IdO
1.2.4 Visions de l’IdO
1.2.5 Les technologies de l’IdO
1.3 Contexte technologique et motivation
1.3.1 Des réseaux homogènes aux réseaux hétérogènes
1.4 Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs)
1.4.1 Définition
1.4.2 Architecture d’un RCSF
1.4.3 Systèmes d’exploitation des RCSFs
1.4.4 Classification des RCSF selon le modèle de surveillance
1.4.5 Les caractéristiques et contraintes conceptuelles des RCSFs
1.4.6 Les topologies des RCSFs
1.4.7 Différents types d’architecture de RCSF
1.4.8 Les types des RCSFs
1.4.9 Les Domaines d’application des RCSF
1.5 Les technologies de communication des RCSFs
1.5.1 La technologie IEEE 802.15.4
1.5.2 La technologie Zigbee
1.5.3 La technologie 6LoWPAN
1.5.4 La technologie LoWPAN
1.6 Objectifs du routage dans les RCSFs
1.7 Conclusion
Chapitre 2 : Surveillance et problématique de nœuds défaillants dans les RCSFs
2.1 Introduction
2.2 Concept de supervision
2.3 Les réseaux de supervision
2.3.1 Réseaux de supervision à base de capteurs scalaires
2.3.2 Réseaux de supervision à base de capteurs multimédias
2.3.3 Réseaux de supervision à base de capteurs hybrides
2.4 Concept de contrôle des RCSFs
2.5 Le concept de tolérance aux nœuds défaillants
2.5.1 Notion de panne
2.5.2 Classification des pannes
2.5.3 Procédure de tolérance aux pannes
2.5.4 Classification des approches de remplacement des nœuds défaillants dans les RCSF
2.6 Concept de remplacement de nœuds défaillants dans les RCSF
2.6.1 Solutions de remplacement de nœuds défaillants par des approches curatives
2.6.2 Solutions de tolérance nœud défaillants par protocoles de routage
2.6.3 Solutions tolérance aux nœuds défaillants basées sur le clustering
2.7 Conclusion
Partie 2 : Contributions
Chapitre 3 : Proposition d’une méthode de gestion et réparation locale dans les RCSFs
3.1 Introduction
3.2 RPL : Le nouveau protocole de routage pour les RCSFs
3.2.1 Concept de routage
3.2.2 Protocole RPL : Description
3.2.3 Topologie RPL
3.2.4 Construction de la topologie DODAG
3.2.5 Types d’acheminement du trafic
3.2.6 Gestion du réseau RPL
3.2.7 La mobilité sous le protocole RPL
3.2.8 Positionnement bibliographique
3.3 Synthèse des discutions
3.4 Méthode de gestion des nœuds défaillants avec le protocole RPL
3.4.1 La méthode MNLR_RPL
3.5 Implémentation et évaluation des performances
3.5.1 La plateforme Contiki/Cooja
3.5.2 Le modèle de simulation de MNLR_RPL
3.5.3 Simulation de scénarios et évaluation de performance
3.5.4 Evaluation de performance
3.6 Conclusion
Chapitre 4 : Proposition d’une méthode de contrôle fiable utilisant le concept du Réseaux définis par logiciels (SDN) dans l’IdO 4.1 Introduction
4.2 Contexte et motivation
4.3 Positionnement bibliographique
4.3.1 Dispositifs à contraints de ressources
4.3.2 Réseaux définis par logiciels (SDN) : Description du paradigme
4.3.3 Paradigme du SDN dans les RCSFs
4.3.4 Concept des ensembles dominants connectés (CDS)
4.4 Modèle de contrôle fiable utilisant le paradigme du SDN
4.4.1 Architecture proposée du SDN dans les RCSFs
4.4.2 Méthode de sélection des CLs avec l’algorithme de construction des CDS
4.4.3 Méthode de calcul du Score utilisé par DLC-CDS
4.4.4 Implémentation et évaluation des performances
4.4.5 Résultats de simulation et interprétation
4.5 Conclusion
Conclusion générale
Perspectives
Bibliographie
Annexe A : Installation de Contiki et Le simulateur Cooja

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