Contraintes 'Matérielle'

La contrainte 'Matérielle' est majeure sur les plateformes matérielles et sur les applica-

tions embarquées; elleseconcentre principalementsur laressource énergétique. Les noeudsne

disposant que d'une faible source d'énergie, il est absolument indispensable d'optimiser leur

utilisation. Pour cela, il est possible d'agir sur diérents points pour réduire la consomma-

tion énergétique. Tout d'abord, il est important de développer un noeud qui consomme peu

d'énergie en utilisant des technologiesbasse consommation CMOS (LowPower CMOS). L'ob-

jectif aujourd'huiest de produiredes plateformesne consommant quequelques micro-ampères

[Eriksson 08]. Pour cela, une telle conception demande une optimisation du fonctionnement

de l'application tant sur les traitements que sur l'utilisationdes diérents composants. Ainsi,

il doit être possible de moduler la fréquence de fonctionnement du processeur ou d'éteindre

certainespartiesinutilesdu noeuddepuiscelui-ciouàdistance.L'ajoutd'unmoduleautonome

de contrôle de l'énergie peut constituer un avantage non négligeable concernant l'autonomie

des noeuds. Son objectif premiersera de contrôlerl'activation des diérents périphériques dis-

ponibles ou de moduler les fréquences de chacun en détectant lespériodes de faiblesactivités.

Une autre solution consiste à informer l'utilisateur de l'état du noeud et à lui laisser la pos-

d'administration simple, pour envoyer des traitementsà eectuer, ou évolué, pour agir sur les

diérentsparamètresdu noeud.Encomplément,lanalitédes RCSFsétant d'êtrediusée très

largement,lataillede laplateformematérielleentre encomptedanssaconception.Unsystème

miniaturiséne consommeraque peu d'énergiece qui est unpointfort,maislacontre partieest

de limiter lesperformances du système et samodularité.

1.2.2 Contraintes 'Système'

Les contraintes 'Système' regroupent celles liées aux ressources processeur et mémoire du

noeud.Eneet, l'unitédestockage(mémoireinterneouexterne)d'unnoeudestsouventlimitée

àlamémoireincluseaveclemicrocontrôleur.L'unitédestockageregroupelesmémoiresinternes

Random Access Memory (RAM), Read-Only Memory (ROM), et Flash de type Electrically-

Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) ainsi que les modules externes de

mémoire Flash de type EEPROM par exemple. Il est donc nécessaire de porter une atten-

tion particulièresur son utilisation.Pour cela, l'empreintemémoired'uneapplication doit être

optimisée an de laisser un maximum d'espace aux données utilisateur mais aussi pour per-

mettre leurs mises à jour à distance. Il est toujours possible d'étendre cet espace de stockage

en ajoutant un modulede gestion demémoiresexternes. Lesinconvénients de cettevisionsont

d'ajouter un module consommateurd'énergie etde complexier l'accèsauxdonnées. Enoutre,

la détection des fuites de mémoireainsi que des outils ecaces de gestion de la mémoiresont

nécessaires pour répondre à cette contrainte. Diérents travaux comme [De Sousa 08]portent

surledéveloppementdesystèmedechiersembarquéetutilisantl'ensembledesnoeudscomme

un immense lieu de stockage. En eet, quelques systèmes de chiers comme LIMOS Versatile

Embedded Filesystem (LiveFile) [DeSousa 07]implémententdes méthodes de distributionde

données basées sur un stockage déporté sur diérentsnoeuds d'un même groupepar exemple.

De plus, les caractéristiques des processeurs ou unités de calcul généralement utilisées sur

lesnoeuds(ATMEL ATMega[ATMEL 09],TexasInstrumentsMSP[Texas-Instruments 09]ou

ATMEL ARM7/9 [ATMEL 05]) ne permettent pas de réaliser des calculs longs et complexes

du fait de leur architecture, de leurs fréquences de fonctionnement et bien sur de leurs mé-

moires internes. C'est pourquoi, il est courant d'intégrer un noeud plus performant dans les

réseauxpoursoutenirdes calculspluscomplexesd'organisationoude traitementsdesdonnées,

la station de base ou'sink node'. Sur ce point, ces noeuds doivent pouvoir voir l'ensembledu

réseau oudisposer de méthodes d'accès aux diérents éléments. Par ailleurs,laconsommation

énergétiquede cesmicrocontrôleursesten liendirectavec lafréquencede fonctionnementetles

périphériques utilisés. A l'aide d'une modulationde la fréquence du processeur, des économies

sont eectuées mais par contre les tempsde traitementssont plus longs. On retrouve ce mode

de fonctionnement sur les ordinateurs portables qui ralentissent le processeur lors des phases

d'inactivitéoude faiblesollicitation.Ensuite,une bonne gestiondes périphériques alluméssur

le processeur ore une meilleure durée de vie au noeud. Ici aussi, le modèle est comme les

ordinateurs portables qui en mode batterie choisissent d'éteindre des périphériques externes

1.2.3 Contraintes 'Communication'

Lescontraintesde 'Communication'regroupent touteslesperturbationsque peutsubirune

transmission de données d'un point A à un point B. Dans ce contexte, il est donc nécessaire

de faire attention autaux de pertes des données an de limiter lenombre de retransmissions.

Pour cela, une attention particulière doit être portée au choix du médium de communication

sans l ainsi qu'au choix de son antenne et de son emplacement. Les portées des médiumsde

communication sans l sont directement associées aux conditions d'utilisation et à l'environ-

nement. La dispersion des ondes dans un milieu peut être calculée dans un cas idéal mais en

pratique, les échanges ne répondent pas aux mêmes règles à cause des perturbations externes

ou des infrastructures proches. En agissant sur la portée ou sur la puissance d'émission, il est

possibledegarantirunebonneréceptiondesinformationspourlesnoeudslesplusproches,ceux

enlimitede portéeserontsujetsàuntauxdepertesimportantsdufaitde lafaibleréceptiondu

signal. C'est pourquoi, des mécanismes de détection d'erreurs sont intégrés à chaque message

an de contrôler facilement leur intégrité. Par ailleurs, avec certaines applications à risques, il

devient nécessaire de garantir la réception des messages par le destinataire. Ainsi, le principe

d'accusés de réception est le minimum à employer dans ces cas. La sécurisation des données

est alors àune couche supérieure dans la diusion des données. Cependant, ce point constitue

de nos joursun dé énormesur lequel iln'existe pas de réponse générique. Les algorithmesde

cryptagesquiserontdéveloppésdevrontêtrelégeretavoirunimpacttrèsfaiblesurleséchanges

de données. Sur un noeud, le gros consommateur d'énergie est le médium de communication

[Feeney 01]. Ilfautsavoirquesur un RCSF,laprincipalecontrainteestl'énergieetleplus gros

consommateurestlacommunicationsansl.C'estpourquoi,diérentesrecherchesdéveloppent

et proposent des méthodes de communication minimisant les données contenues dans chaque

message. Pour cela, les techniques de compression classiques sont employées pour accélérer les

échanges et ainsi diminuer les temps d'émission. Enn, la mobilité des noeuds constitue une

importantecontrainteà lacommunication.Les délaisde transmissionainsi que lavariationde

l'environnemententraînentplus de perturbations et plus d'erreurs ce qui demande d'avoirdes

procédures de validation des messages ecaces mais aussi un meilleur contrôle des transmis-

sions. Un noeud mobileest sujetàun nombre importantde paramètreschangeant ce quipeut

induireunetrèsmauvaiseréception.L'exempleleplusparlantest celuidestéléphonesportables

quiconsommentbeaucoup plus d'énergie lorsqu'onsedéplacepour resterassociéàune station

relais.

1.2.4 Contraintes 'Environnement'

Les contraintes 'Environnement' rassemblent celles subies par le noeud dans son contexte

d'utilisation. Ceci setraduit par des méthodes de fabrication évoluées pour résisteraux agres-

sionsdu milieusurveillépar exemple,ouparunemeilleuretoléranceauxpannesan deréduire

les interventions humaines.Le noeud doit donc pouvoir fonctionner même en cas de panne en

exécutant des opérations simples an de garantir un fonctionnement minimal le temps pour

l'utilisateurd'intervenir surcelui-ci.Traditionnellement,latolérance auxpannessetraduitpar

navettes spatiales, deux processeurs eectuent la même tâche, pour qu'ensuite leurs résultats

soientcomparés eten cas de diérences, le troisièmeprocesseur est activé pour arbitrer (tech-

niquede votingprocessor[Rooks07]).Ici,lesRCSFsnepeuventsepermettredetelle structure

an de minimiser les pannes et autres erreurs. Certaines techniques de tolérance aux pannes

dans ces réseaux setraduisentpar une coopérationentre noeuds an de garantir unevaleuren

un point donné. Il est alors possible d'estimer la valeur d'un autre noeud en cas de panne de

ce dernier. La tolérance aux pannes peut se traduire aussi par des traitements redondants à

l'intérieur même du noeud. S'iln'est pas possible de disposer d'une architecture multi proces-

seurs, il est cependant possible de vérier la mesure à plusieurs reprises sur le noeud ou avec

ses voisins.Dece fait,leprincipede calculcollaboratifprend touteson importanceetimplique

d'intégrer cette possibilité au niveau du système d'exploitation et de l'application embarquée.

Cette contrainteest très présentesur les réseaux utilisantdes noeudsévolués, néanmoinspour

des applications utilisant des noeuds de type poussière, elle devient inutile car il y a su-

samment de noeuds déployés pour obtenir l'information redondante. La perte d'un noeud est

considérée comme acceptable car il y en a assez pour pallier cette perte. Par ailleurs, dans ce

groupe de contraintes, l'impact environnemental du noeud doit être pris en compte. Dans le

cas d'utilisation de piles ou de matériaux dangereux pour l'environnement, une démarche de

recyclage et/ou de récupération des noeuds doit être prévue. Lesnoeuds évolués pouvant être

facilement récupérés, il n'en est pas de même pour ceux de type poussière. Les matériaux les

constituantdevrontpouvoirêtreabsorbésparlemilieuobservéàmoinsdeprévoiruneméthode

de ramassage àl'aide d'un aimantbalayant la zone observée par exemple.

1.2.5 Contraintes 'Capteurs'

Enn, ladernière catégorie, 'Capteurs', centralise toutes les contraintes liées à l'utilisation

d'un capteur. Les coecients de calibration et autres paramètres sont déterminés et transmis

par l'utilisateur au noeud. Bien souvent, ceci se traduit par l'envoi d'une fonction de trans-

fert an d'exploiter les données issues du capteur. La phase de calibration est donc laissée à

l'utilisateur avec leserreursque celapeut inclure.Toutefois, pour des capteurs simples(course

d'un chariot, roue codeuse), il est possible de lescalibrer automatiquement. Par ailleurs,pour

certains cas d'utilisations des mesures, le noeud et l'utilisateur doivent garantir un niveau de

qualité élevée. Par exemple, le suivi de la radioactivité d'une zone contaminée demande une

qualité irréprochable des mesures an de permettre à des personnes de se rendre sur place

pour fairedes étudesentoutesécurité. Ainsi,l'applicationembarquéedevraemployerdestech-

niques de détection etde abilisationdes données issues du capteur an d'obtenir la précision

demandée [Tourancheau 09]. Par ailleurs, l'immense variété de capteurs existants, l'interface

système capteur doit être le plus générique possible an de limiter le développement de nou-

veaux blocs logiciels. Si l'on cherche cette généricité sur les ordinateurs personnels, on trouve

alors l'exemple du port série disponible sur toute machine. Grâce à seulement deux lignes de

données, une pour la réception, l'autre pour la transmission, le port série dans sa version la

plus simple permet de communiquer avec tout périphérique très simplement. Cependant, des

interfaces connues commeInter Integrated CircuitBus(I

2

Controller Area Network (CAN) ou Analog to Digital Controller (ADC) sont à prévoir pour

1.3 Conclusion

Pour conclure ce chapitre d'introduction aux RCSFs, il est important de noter l'immense

variété d'applications actuelles ou futures où chacune génère des contraintes plus ou moins

spéciques. Une réponse à chacune d'elles demande d'étudier en profondeur les diérentes

parties d'un capteur, d'un noeud, et d'un RCSF an de proposer des techniques innovantes

et optimales. Pour formaliser un capteur en reprenant le premier schéma de la gure 1.3,

la représentation 1.6 détaille les diérentes parties essentielles des OIC avec les interactions

possibles.

Figure 1.6 Modélisationd'un noeud capteur

Le coeur du noeudreste bien entendu l'unitéde calcul quidéploiera un systèmed'exploita-

tion pour traiter, envoyer et stocker les données via l'unité de stockage associée. Les capteurs

seront utilisés par une interface générique acceptant une liaison de type série par exemple.

Cette interface ne selimitera pas seulementà ce typede liaison, d'autres viendront lacomplé-

ter (I2C, SPI, CAN, ADC). Les données brutes ou pré-traitées seront manipulées par l'unité

de calcul à travers les applications embarquées et/ou stocker par l'unité de stockage. Chaque

application devra être conçue pour minimiser son empreinte mémoire et son impact sur les

ressources matérielles. Ensuite, les échanges de données seront eectués en passant par une

couche de communication qui sera en charge de mettre en oeuvre les diérents mécanismes

pour transmettre etgarantirladonnée vers le noeuddestinataire. Cettecouche sera l'interface

entre les applications et le médium de communication sans l embarquée. Elle sera en charge

de manager les périodes de veille du médiumainsi que de gérer et de mettre à disposition les

donnéesreçues. Tout cesystèmesera sousladirectiond'ungestionnaired'énergiedédiéoulogi-

cielquipourraagirsur tousles paramètresinuençant laconsommationénergétique du noeud

comme lafréquence de fonctionnement et les périodes de veille du médium. On constate alors

qu'en dehorsdes panneslogicielles,l'ensembledescontraintes est liéàlasourced'alimentation

à ces deux points, le déploiement des RCSFs ne peut être envisagé sans les organiser et sans

moyen d'administration.C'estpourquoi, chaque partiedu noeudaun besoinspécique oùune

réponse ecace et optimale est attendue. Pour résumer et en se basant sur la représentation

de la gure 1.6, lesnoeuds ont des besoins spéciques concernant :

 L'énergie :Ungestionnairedesressources doitêtre embarquépour optimiserl'autonomie

du noeud;il pourraêtre intégréau systèmed'exploitationouêtre externe viaun module

externe.

 La communication :Ilest importantd'échangerdes informationspourmaintenirlacohé-

rencedu réseau;lecontrôle del'intégritéainsi quelecontrôledes échangessontaucoeur

de ce besoin.

 L'organisation:Unréseauorganiséestunréseauquiseraéconomeénergétiquement,c'est-

à-direqu'ilyauramoinsdenoeudsparticipantàladiusiondesmessages;latransmission

des messages est alors plus rapide grâce àla réduction des sauts des messages.

 L'interaction avec l'utilisateur : Lenoeud n'est pas seul àprendre des décisions, certains

paramètres demandent une intervention humaine; l'utilisateur doit pouvoir facilement

contrôlerson réseau àdistance.

L'objet de ce mémoire est de présenter une solution permettant à un utilisateur de gérer les

noeuds d'un RCSFdistantet de proposer une solutionsimple de visualisation.Cependant, les

autresbesoinsnepeuventêtrelaisséspourcompteetdemandentàêtreintégrédanslestravaux.

Le contrôle de l'énergie est un élément quine peut être tenuà l'écart en raison de son impact

important sur l'administration et la durée de vie d'un noeud. De même, les communications

et l'organisation du réseau sont des éléments nécessaires pour améliorer la gestion du RCSF.

C'est pourquoi, dans le chapitre suivant, nous établirons un état de l'art pour chacun de ces

besoins tout en gardant en tête que l'objectif premier est de présenter une solution viable

d'administration àdistance pour la supervision d'Objets Intelligents Communicants sans l.

Analyse des besoins et état de l'art

Dans le chapitre précédent, nous avons pu voir la grande diversité des applications et des

contraintes que subissent les noeuds d'un RCSF. Il est dicile de concevoir une implantation

d'un réseau sans avoir des méthodes et outils permettant de prendre en compteles diérentes

perturbations externes et internes. Lesrecherches portent donc sur un moyen ecace de com-

prendre le fonctionnement des noeuds an de fournir les mécanismes nécessaire au bon fonc-

tionnementdu réseau. De nombreuses solutions existent pour répondre auxdiérents besoins,

dontles solutionsd'administration à distance.

Ce chapitre présentera un ensemble de méthodes qui ont été conçues pour répondre à ces

besoins. On commencera par étudier les solutions permettant à l'utilisateur d'opérer sur les

noeuds pour continuer ensuite sur les méthodes complémentaires permettant d'améliorer la

diusion des données dans lesréseaux. Leroutage etles méthodes d'auto-conguration seront

traités dans cette partiecomme techniques aidant à l'administration.

2.1 Introduction à l'administration

L'administrationd'un RCSFrépondàplusieursobjectifsvisàvisde l'utilisateurmais aussi

des noeuds. Pour le premier, elle doit faciliter l'accès aux informations des éléments du ré-

seau (réseau/noeud/capteur) pour agir rapidement en cas de problème ou pour modier des

paramètres de fonctionnement. Le second intérêt est de limiter les déplacements humains sur

le terrain pour agir sur les diérents noeuds. En eet, les RCSFs peuvent être constitués de

plusieurs milliers de noeuds ce qui limite fortement les interventions humaines. Enn, l'admi-

nistration dans un réseau qu'il soit laire ou non, intègre des mécanismes permettant l'ordre

des noeuds ainsi que leur bon fonctionnement. Cette sectionprésente lescaractéristiques d'un

protocole d'administration, les diérentes couches de réseau pour terminer sur un exemple

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