2.3 Caractéristiques des environnements ubiquitaires
2.3.1 Distribution à large échelle
2.3.3 Ouverture et autorité plurielle . . . . 26 2.3.4 Dynamisme . . . . 26 2.3.5 Autonomie . . . . 27 2.3.6 Synthèse . . . . 28
2.4 Caractéristiques des applications ubiquitaires . . . . 29
2.4.1 Gestion des ressources . . . . 29 2.4.2 Orientation donnée . . . . 30 2.4.3 Notion de contexte . . . . 30 2.4.4 Adaptabilité . . . . 31 2.4.5 Sécurité . . . . 32 2.4.6 Synthèse . . . . 32
2.5 Conception des applications ubiquitaires . . . . 33 2.6 Middlewaresspécifiques pour l’ubiquitaire . . . . 35
2.6.1 Gaia/Olympus . . . . 35 2.6.2 Aura . . . . 37 2.6.3 Oxygen . . . . 38 2.6.4 Music . . . . 39 2.6.5 DiaSuite . . . . 40 2.6.6 WComp . . . . 41 2.6.7 Kalimucho . . . . 42 2.6.8 Synthèse . . . . 43 2.7 Middlewaresgénériques . . . . 44 2.7.1 Composants logiciels . . . . 44 2.7.2 Services logiciels . . . . 45 2.7.3 iPOJO . . . . 47 2.8 Conclusion . . . . 52
2.1. ÉVOLUTION DES ENVIRONNEMENTS INFORMATIQUES
FI G U R E2.1 – Évolution des ordinateurs1
2.1 Évolution des environnements informatiques
Notre environnement contient un nombre sans cesse croissant de systèmes infor-matiques. Il est aujourd’hui parsemé d’appareils numériques qui se distinguent par leur forme, leur puissance, leur rôle. Nombre de ces systèmes sont conçus pour nous assister et nous accompagner dans nos activités quotidiennes et même dans nos inter-actions sociales. Ce rapport nouveau et très évolué avec les systèmes informatiques peut paraître surprenant si l’on considère qu’il y a à peine cinquante ans, les machines analogiques de l’âge industriel ont commencé à être remplacées par les machines nu-mériques. Le fait est que les systèmes informatiques n’ont cessé d’évoluer depuis lors, grâce aux progrès technologiques permettant de concevoir des appareils toujours plus petits, plus puissants, plus communicants et consommant moins d’énergie. Le rapport humain à l’informatique a lui aussi franchi plusieurs paliers, chacun bouleversant nos manières d’interagir avec les ordinateurs. L’analyse de l’évolution des systèmes qui va suivre s’inspire d’une analyse présentée dans [Weiser 1996] qui débute par ces quelques lignes d’introduction :
« The important waves of technological change are those that funda-mentally alter the place of technology in our lives. What matters is not technology itself, but its relationship to us.»
La figure 2.1 ci-dessus illustre les changements technologiques fondamentaux liés à l’informatique. Elle met en évidence quelques étapes cruciales qui ont marqué son évolution. En particulier, les notions de distribution, de mobilité et de multiplication des systèmes informatiques apparaissent clairement comme des marqueurs majeurs.
Nous examinons plus précisément dans les sections suivantes ces différentes étapes. Au début des années 1940, l’informatique centralisée était prédominante et appa-raissait comme le seul moyen de construire des systèmes numériques. Ces derniers prenaient la forme d’ordinateurs isolés, pouvant atteindre la taille d’une pièce. Ils étaient composés de processeurs et de mémoire, et étaient administrés en permanence par des experts. Ces experts étaient à la fois les administrateurs, les développeurs et
les utilisateurs du matériel et des logiciels. Ces mainframes, puisque c’est le nom qu’on
donne à ces systèmes centralisés, disposaient de ressources limitées et devaient être partagés entre plusieurs utilisateurs.
Avec les progrès de l’électronique, la signification du terme mainframe a évolué. Il
est aujourd’hui attaché aux ordinateurs « haut de gamme » avec une puissance de calcul considérable, supportant des applications utilisées simultanément par des milliers de personnes. On considère donc aujourd’hui qu’un système informatique aux ressources
limitées et partagées par plusieurs utilisateurs est un mainframe, tel que défini dans
[Weiser 1996] :
« If lots of people share a computer, it is mainframe computing.»
Dans cette même analyse, Mark Weiser introduit ensuite l’émergence de l’informa-tique personnelle en ces termes :
« In 1984 the number of people using personal computers surpassed the number of people using shared computers. The personal computing relationship is personal, even intimate. You have your computer, it contains your stuff, and you interact directly and deeply with it.»
L’informatique personnelle, symbolisée par les PC (personal computer), est devenue
le mode d’interaction privilégié entre le monde numérique et l’utilisateur. Encore au-jourd’hui, la majorité des systèmes et applications sont basés sur ce mode d’interaction qui place l’utilisateur dans le rôle central : celui d’utiliser de façon proactive un service. Le système étant personnel, la plupart des utilisateurs sont aussi les administrateurs, installant et configurant les logiciels et périphériques conçus par des tiers.
Tandis que les PC et mainframes disposent de ressources locales limitées, les
in-frastructures réseaux tels que l’Internet permettent aux ordinateurs d’accéder à des services distants, liant ainsi les systèmes d’information personnels, professionnels et gouvernementaux. Ceci est résumé de la façon suivante par Weiser :
« Interestingly, the Internet brings together elements of the mainframe era and the PC era. It is client-server computing on a massive scale, with web clients the PCs and web servers the mainframes.»
L’accès généralisé à l’Internet permet aujourd’hui la conception d’applications plus complexes, avec plus de valeur ajoutée pour les utilisateurs. Ce concept soulève cependant de nombreux défis pour les concepteurs et les administrateurs de tels systèmes, tels que la prise en compte de la sécurité du système, les communications à distance ou l’intégration d’applications hétérogènes. La tendance initiale qui était de masquer tous ces problèmes aux développeurs est aujourd’hui remise en cause. Nous y reviendrons dans cette thèse.
Au début des années 1990, l’émergence des ordinateurs portables et des technolo-gies sans fil a permis la naissance de l’informatique mobile. L’utilisateur peut ainsi
2.2. INFORMATIQUE UBIQUITAIRE
transporter son ordinateur et toujours accéder aux applications distantes dans un
contexte de mobilité. L’intérêt suscité par les smartphones et les tablettes tactiles a
défini un nouveau type d’ordinateur personnel : puissant, mobile, connecté,
commu-niquant sans fil via une nouvelle génération de réseaux cellulaires (3G, LTE, 4G2).
Ces appareils permettent le développement de services nouveaux. Par exemple, les smartphonespeuvent être utilisés pour déterminer la position de leur possesseur grâce un système de géolocalisation intégré, ou par triangulation des signaux du réseau cellulaire. L’intégration d’applications mobiles avec les systèmes distribués existants a soulevé de nouveaux problèmes tels que la sensibilité à la position géographique de l’utilisateur, l’économie d’énergie et la gestion efficace et adaptative des ressources [Satyanarayanan 2001].
L’informatique ubiquitaire, aussi appelée informatique pervasive, est la dernière évolution illustrée par la figure 2.1. C’est en fait une vision fusionnant les ordina-teurs de nouvelle génération avec l’environnement du monde réel. L’informatique ubiquitaire conçoit un mode d’interaction radicalement différent entre ordinateurs et utilisateurs, au-delà de l’informatique mobile, où les ordinateurs se mélangent aux objets du quotidien et où les utilisateurs utilisent des services et accèdent à des données sans même y penser.
2.2 Informatique ubiquitaire
Dans cette section, nous nous concentrons sur la notion d’informatique ubiquitaire. Nous donnons certaines définitions possibles pour ce nouveau domaine. Nous exa-minons également la notion de contexte, intimement lié à l’informatique ubiquitaire. Enfin, nous examinons les impacts sociétaux et les travaux de recherche actuels.
2.2.1 Définition
L’informatique ubiquitaire, telle qu’elle a été présentée dans l’article fondateur [Weiser 1991], décrit la prochaine génération d’environnements informatiques qui place l’être humain au centre de l’attention, plutôt que les machines. Mark Weiser et ses
collègues, au Xerox PARC3, envisage un monde rempli de petits dispositifs informatisés
intégrés dans les objets quotidiens, et des infrastructures communiquant avec ces appareils, dans le but d’assister les utilisateurs, de la manière la plus transparente et naturelle possible. Les utilisateurs peuvent se focaliser sur leurs tâches, sans s’inquiéter de la manière d’utiliser le système informatique. Ces visions ont inspiré des nombreux
chercheurs, ce qui a amené à l’apparition de différents termes tels quecalm computing,
disappearing computer, everyware, Internet of things,ambient intelligence,things that think. Bien qu’il y ait eu une certaine bataille de concepts autours de ces termes, autant dans la communauté scientifique que dans les médias [Ronzani 2009], tous désignent une fusion des environnements informatiques dans le monde réel.
Dans la suite de cette thèse, ces termes seront traités de façon équivalente ; le terme
informatique ubiquitaire se réfère au paradigme dans sa globalité. La présence de ces nombreux concepts très liés ne permet pas de donner une définition simple et unique de l’informatique ubiquitaire, mais elle permet de saisir toute la portée de cette vision. On trouve ainsi plusieurs définitions dans la littérature :
2. Générations successives de normes de téléphonies mobiles.
– « The most profound technologies are those that disappear, [...] they weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it.»
[Weiser 1991] – « We characterized a pervasive computing environment as one satura-ted with computing and communication capability, yet so gracefully integrated with users that it becomes a technology that disappears»
[Satyanarayanan 2001] – « These devices are intended to react to their environment and
co-ordinate with each other and network services. Furthermore, many devices will be mobile and are expected to dynamically discover other devices at a given location and continue to function even if they are disconnected.»
[Grimm 2004] – « One could describe ‘ubiquitous computing’ as the prospect of connec-ting the remaining things in the world to the Internet, in order to provide information on anything, anytime, anywhere. [...] the term ‘ubiquitous computing’ signifies the omnipresence of tiny, wirelessly interconnected computers that are embedded almost invisibly into just about any kind of everyday object.»
[Mattern 2001] – « The basic idea of this concept [Internet of Things] is the perva-sive presence around us of a variety of things or objects — such as Radio-Frequency IDentification (RFID) tags, sensors, actuators, mo-bile phones, etc. — which, through unique addressing schemes, are able to interact with each other and cooperate with their neighbors to reach common goals.»
[Atzori 2010]
2.2.2 Propriétés et notion de contexte
Les définitions précédentes possèdent un ensemble de points communs. En particu-lier, il apparaît que l’informatique ubiquitaire peut être caractérisée par un certain nombre de propriétés essentielles :
1. L’informatique ubiquitaire est invisible grâce à une interaction homme machine discrète, naturelle et transparente. La multiplicité des ressources de calcul et de stockage ne permet pas une interaction directe entre humains et dispositifs électroniques. Au contraire, les interactions doivent rester invisibles la plupart du temps.
2. L’informatique ubiquitaire est intrinsèquement répartie entre des dispositifs mobiles et fixes, ainsi que des services réseaux. Ces dispositifs sont habituelle-ment cachés à l’utilisateur et en constante interaction avec leur environnehabituelle-ment
2.2. INFORMATIQUE UBIQUITAIRE
physique et entre eux. Comme pour le point précédent, ces interactions restent majoritairement ignorées par les êtres humains.
3. L’informatique ubiquitaire est sensible au contexte afin de pouvoir optimiser son fonctionnement dans l’environnement actuel. Les services rendus par l’in-formatique sont évolutifs et fondamentalement dépendants de leur contexte d’exécution au sens large.
Ces propriétés fondamentales permettent de clarifier la vision de l’informatique ubiquitaire. Elles dévoilent certains de ses aspects les plus cruciaux, tels que l’invisibi-lité, la distribution, et la mobilité des dispositifs électroniques, ainsi que la sensibilité au contexte des services mis en œuvre au travers des dispositifs.
Revenons sur la sensibilité au contexte qui est une propriété primordiale des systèmes informatiques ubiquitaires. De façon générale, les systèmes sensibles au contexte sont ceux qui sont « conscients » de leur environnement d’exécution et qui sont capables de réagir pour s’adapter aux changements survenus dans cet environnement [Baldauf 2007]. De tels systèmes ont commencé à apparaître avec l’émergence de l’informatique mobile. Dans ce cas, le contexte était souvent réduit à la localisation géographique de l’appareil mobile. Ces systèmes étaient capables de déterminer avec précision la position de l’utilisateur et d’adapter certains contenus (cartes routières par exemple) au fil de ses déplacements. Bien que la position géographique soit encore une des principales informations de contexte, elle n’est pas nécessairement significative pour tous les types possibles d’applications ubiquitaires. Depuis les prémisses de l’informatique mobile, la définition du contexte et des informations qu’il contient a évolué vers un modèle plus élaboré. Cela est dû au fait que le contexte est un élément fondamental de toute application ubiquitaire.
La sensibilité au contexte a ainsi été mentionnée et définie dès les débuts de l’informatique ubiquitaire par Bill Schilit, Norman Adams et Roy Want [Schilit 1994]. Précisément, ces auteurs ont défini le contexte de la façon suivante :
« The location of use, the collection of nearby people, hosts, and accessible devices, as well as to changes to such things over time.»
Anind Dey et Gregory Abowd [Dey 1999] proposèrent plus tard une nouvelle défi-nition plus précise qui fait aujourd’hui figure de référence :
« Context is any information that can be used to characterize the situation of an entity. An entity is a person, place, or object that is considered relevant to the interaction between a user and an application, including the user and applications themselves.»
À partir des diverses définitions générales de ce qu’est le contexte, une classification a été proposée pour les différents types de contexte [Schilit 1994] :
1. L’environnement virtuel inclut toutes les propriétés qui décrivent le système
informatique, telles que les ressources utilisées, les périphériques et ressources
disponibles, les connexions aux réseaux, la bande passante,etc.
2. L’environnement utilisateur comprend les informations sur les personnes
utili-sant le système : position géographique, besoins, activités sociales, personnes
avoisinantes, etc.
3. L’environnement physiquedécrit quant à lui les attributs physiques de
!"#$%&""'('")* +)$,$-.)'+% !"#$%&""'('")* /01-$2+' !"#$%&""'('")* #$%)+',
FI G U R E 2.2 – Contexte d’un environnement ubiquitaire
la luminosité, le bruit ambiant, etc.
Cette classification des différents types de contexte dévoile une caractéristique importante de la sensibilité au contexte dans l’informatique ubiquitaire : cela montre à quel point ce paradigme rassemble et mêle l’environnement virtuel et le monde physique, plaçant l’utilisateur au centre de l’attention. Dans les ères pré-ubiquitaires, l’informatique n’impliquait que des entités virtuelles, conceptualisées par les déve-loppeurs de logiciels. Le contexte de fonctionnement de ces systèmes était principale-ment réduit aux ressources matérielles de l’ordinateur, très souvent abstraites par le système d’exploitation. Néanmoins, l’informatique ubiquitaire n’implique pas seule-ment une abondance d’appareils informatiques communicants, mais aussi un nombre potentiellement important d’utilisateurs, et une grande diversité et un dynamisme dans les environnements physiques. Les informations relevant de l’environnement des utilisateurs et de l’environnement physique sont aussi importantes que celles de l’environnement virtuel. Un environnement ubiquitaire se compose ainsi de ces trois environnements, comme le montre la figure 2.2.
Les environnements virtuels, utilisateurs et physiques sont en interaction constante entre eux. Par exemple, le fait qu’un utilisateur se déplace provoque des changements dans l’environnement physique, ce qui peut entraîner des changements dans l’envi-ronnement virtuel, via des capteurs. Ou encore, un changement dans l’envil’envi-ronnement physique, comme l’augmentation de la température intérieure, peut affecter le confort des utilisateurs, mais aussi causer des dommages sur le matériel informatique. En étant sensible aux différents environnements, un système ubiquitaire coordonne les interactions entre ces environnements afin de fournir des services et des informations aux utilisateurs.
La sensibilité au contexte est un concept central pour les systèmes ubiquitaires. Elle est nécessaire pour créer des dispositifs discrets et des applications non-intrusives dans le quotidien de l’utilisateur. Un point important à signaler est que la plupart des travaux de recherche sur la sensibilité au contexte sont appliqués au domaine des environnements ubiquitaires. Ce concept est l’un des plus abondamment traités dans la littérature concernant l’informatique ubiquitaire. Néanmoins le concept d’informatique ubiquitaire ne doit pas être réduit au traitement de la sensibilité au contexte car bien d’autres aspects et besoins doivent être pris en compte. Nous verrons que ces aspects sont très techniques, et ont un impact sur la conception des applications.
2.2. INFORMATIQUE UBIQUITAIRE 2.2.3 Dimensions sociétales et implications
Comme nous l’avons vu précédemment, l’informatique ubiquitaire dépeint un monde empli de dispositifs informatiques et de logiciels communicants. Des êtres humains parcourent ce monde et utilisent ces appareils et applications dans leurs activités quotidiennes. L’interaction avec cet environnement doit être naturelle et transparente pour l’utilisateur, de sorte qu’il puisse se focaliser sur une tâche, un objectif, pendant que le système l’assiste, sans l’envahir. Cette vision a donc des implications considérables non seulement pour nos modes d’interactions avec les machines, mais aussi pour notre vie quotidienne, où monde ubiquitaire et monde physique sont entremêlés. Plusieurs utilisations de cette vision ont d’ores et déjà été définies et (partiellement) mises en place. Nous examinons ici trois cas de figures particulièrement intéressants :
– lessmart spaces,
– le M2M,
– les applications smartlife.
Smart spaces
La vision de l’informatique ubiquitaire est donc une idée qui a pu paraître extrê-mement futuriste à une époque, mais qui semble réalisable, voire inéluctable de nos jours. Les premiers travaux dans ce domaine se focalisaient principalement sur l’inté-gration d’ordinateurs miniaturisés dans l’environnement quotidien, et l’exploration de nouveaux types d’interactions homme-machine. Ces travaux ont été les pionniers dans la recherche d’applications de l’informatique ubiquitaire. Ils ont permis de dé-velopper des scénarios d’applications s’exécutant dans des environnements équipés
de capteurs, actionneurs et dispositifs mobiles, nommés espaces intelligents ou smart
spaces [Abowd 1998].
Des bureaux sensibles à la position des employés, et redirigeant les appels télépho-niques entrants, des salles de réunion sensibles au contexte qui capturent les activités humaines, des salles de classe équipées de tableaux intelligents et de surfaces inter-actives, des espaces ouverts augmentés numériquement, ou encore des ordinateurs vestimentaires sont autant d’exemples d’application de l’informatique ubiquitaire. La
figure 2.3 illustre un exemple d’habitation aménagée en smart space. Bien qu’elles
fussent principalement des prototypes hautement expérimentaux, ces applications ont montré quelques-uns des domaines d’applications fondamentaux de l’informatique ubiquitaire.
Systèmes M2M
Les systèmes M2M (Machine-to-Machine) sont basés sur la communication entre
machines sans intervention humaine nécessaire. Dans une application M2M, les
ma-chines communiquent entre elles en utilisant les services fournis par chacune d’entre elles et en échangeant des données. Ces types de systèmes sont largement utilisés dans différents secteurs industriels tels que la surveillance de l’environnement, la
logistique, des infrastructures de services publics, etc.
L’idée derrière les systèmesM2M provient du monde de la télémétrie, littéralement
« mesure à distance ». Le concept de télémétrie consiste à utiliser des capteurs et des ordinateurs distants pour collecter des données et les envoyer vers un emplace-ment central pour les analyser ultérieureemplace-ment. Les types de machines interagissant
FI G U R E 2.3 – Exemple d’environnement de type smart space [Helal 2005] dans un tel système sont très variables : on peut y trouver des capteurs à très faible consommation, des puissants serveurs de collecte ainsi que des nœuds de calculs intensifs.
Les systèmesM2M modernes apportent des améliorations considérables par rapport
aux concepts de télémétrie existants. Les technologies de capteurs sans fil offrent une connectivité et une sensibilité améliorées. Les systèmes d’information modernes assistés par des serveurs interconnectés et des grappes de serveurs permettent un traitement rapide de très grandes quantités de données.
Les systèmes M2M impliquent le déploiement à grande échelle de machines et d’applications. Des réseaux de capteurs connectent des nœuds de capteurs fixes ou mobiles qui mesurent différents paramètres de l’environnement et transmettent ces relevés aux systèmes d’information centralisés, équipés de bases de données et/ou de logiciels d’analyse.
Durant leur remontée, les données brutes produites par les capteurs passent éven-tuellement par une série de transformations et de filtrage, appelée médiation de données. Les données traitées, transférées aux serveurs, seront stockées dans des bases de données pour permettre des requêtes ultérieures. Elles peuvent ensuite être analysées, soit par des humains ou des ordinateurs, afin de créer des rapports et de prendre des décisions.
Les systèmes M2M ont de nombreux domaines d’application, comprenant par
exemple la surveillance de la qualité de l’eau pour des services publics, la gestion des