Système de supervision des réseaux de capteurs sans fil

Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire Ministre de lEnseignement Suprieure et de la Recherche Scientifique

Universit Tahri Mohamed de Bchar

Facult des Sciences Exactes

Dpartement de Mathmatique et Informatique

Mmoire de fin dtudes

En vue de lobtention du diplme de Master en Informatique

Option : Systmes Informatiques et Rseaux

THEME

Prsent par : Encadr par :

HADJADJI Samia Mr. BELAGUID M

Anne universitaire 2014/2015

Systme de supervision

des rseaux de capteurs sans fil

Remerciements Tout dabord grce dieu le tout puissant et misricordieux de mavoir

donn la foi et mavoir permis dapprendre et raliser ce travail. Je tiens remercier mes trs chre parent pour le sacrifice quils ont

constitu pendant la dure de mes tudes et qui mon fournis au quotidien soutien et une confiance sans faille et de ce fait, je ne saurais exprimer ma gratitude seulement par des mots.

Ensuite je tiens remercier lensemble des enseignants auxquels nous exprimons toute notre gratitude et notre sympathie et que sans leur collaboration et soutient de ce travail naurait pu tre ralis.

Je remercier en particulier Mr Belaguid Mustapha pour son savoir et culture ainsi que la confiance quil placer en moi durant toute la dure de ce travail.

Ainsi jadresse mes remerciements les plus chaleureux toutes les personnes qui mont aid de prs ou de loin par le fruit de leurs connaissances.

Jexprime galement ma gratitude tous les consultants et internautes rencontr lors de la recherche effectue et qui ont accept de rpondre mes questions.

Je tiens remercier luniversit TAHRI-Mohamed-Bchar qui ma donn lopportunit de vivre une exprience aussi enrichissante tout sur le plan humain que professionnel.

Jexprime galement ma gratitude aux membres du Jurys qui mont honor en acceptant de juger ce travail.

Enfin, j'adresse mes plus sincres remerciements tous mes proches et amis, qui m'ont toujours soutenu et encourag au cours de la ralisation de ce travail. Merci tous et toutes.

Ddicace

Je ddie ce travail :

Mes enseignants du cycle primaire jusquau cycle universitaire dont les conseils prcieux mont guid ; quils trouvent ici lexpression de ma reconnaissance.

En particulier, l'ensemble des enseignants de l'universit TAHRI-

Mohamed de Bchar. Mes trs chre parent Bachir et Fadila qui se sont dvolus pour que japprenne. Ce travail est le fruit de vos sacrifices que vous avez consentis pour mon ducation et ma formation. Mes deux frre Abdlatif et Mounir Mes oncles, tantes, cousin et cousine. Mes camarades et toutes Mes amies. A tous ceux ou celles qui me sont chers et que jai omis involontairement de citer.

La promotion MSIR-2015

Rsum

Les Rseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs), technologie cl du 21me sicle, sont bass sur

des systmes embarqus faibles ressources et sont fortement contraints (nergie, ressources,

interfrences, etc.). Leur domaine dapplications est trs vaste. Une application type peut

contenir plusieurs dizaines voire plusieurs milliers de nuds capteurs. Le but que se propose

ce projet de relever est de fournir des mthodes simples pour administrer ces rseaux et de

fournir des mthodes permettant de connaitre ltat des nuds. Cela est raliser laide dun

protocole inspir du protocole SNMP, ainsi lutilisation des mthodes de thorie des graphes

(la redondance et les points darticulation).

Ce systme a donc pour but de superviser distance les diffrents lments des rseaux de

capteurs sans fil, de permettre de visualiser et modifier leurs configurations ainsi que

d'accder aux diffrentes valeurs des capteurs.

Mots cls : Rseaux de Capteurs Sans Fil, Supervision, Protocol SNMP, Thorie des

graphes, Redondance, Points darticulation.

Summary

The Wireless Sensor Networks (WSNs), a key technology of the 21st century are based on

embedded systems with limited resources and are heavily constrained (energy, resources,

interference, etc.). Their range of applications is vast. A typical application may contain tens

to thousands of nodes sensors. The goal that this project intends to address is to provide

simple methods to manage these networks and provide methods to know the state of the

nodes. This is achieving by using a protocol based on the SNMP protocol, and the use of

graph theory methods (redundancy and the articulation points).

This system is designed to remotely monitor the various elements of wireless sensor

networks, allowing you to view and edit their configurations and to access the various sensor

values.

Keywords: Wireless Sensor Networks, Supervision, Protocol SNMP, Graph Theory,

redundancy, articulation points.

TABLE DES MATIERES

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page i

Table des matires

LISTE DES FIGURES ................................................................................................................. vi

LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................... x

LISTE DES ABREVIATIONS ..................................................................................................... xi

INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE ............................................................. 1

Chapitre I : GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL

I.1. Introduction ............................................................................................................................ 4

I.2. Dfinition des rseaux sans fil ............................................................................................... 4

I.3. Les catgories des rseaux sans fil ....................................................................................... 5

I.3.1. Le rseau personnel sans fil (WPAN) ..................................................................... 5

I.3.1.1. La technologie Bluetooth ................................................................................. 5

I.3.1.2. La technologie ZigBee ..................................................................................... 5

I.3.1.3. Les liaisons infrarouges ................................................................................... 6

I.3.2. Le rseau local sans fil (WLAN) ............................................................................. 6

I.3.2.1. Les rseaux Wi-Fi (Wireless-Fidelity) ............................................................ 6

I.3.2.2. Les rseaux HiperLAN 2 (High Performance LAN 2.0) ................................ 6

I.3.3. Le rseau mtropolitain sans fil (WMAN) .............................................................. 6

I.3.3.1. les rseaux Wimax (Worldwide interoperability for Microwave Access) ....... 6

I.3.4. Le rseau tendu sans fil (WWAN) ......................................................................... 7

I.4. Dfinition dun rseau Ad Hoc .............................................................................................. 7

I.5. Capteur sans fil ...................................................................................................................... 7

I.5.1. Unit de captage ...................................................................................................... 8

I.5.2. Unit de traitement .................................................................................................. 8

I.5.3. Unit de communication ......................................................................................... 8

I.5.4. Unit dalimentation nergtique ........................................................................... 9

I.6. Rseau des capteurs sans fil ................................................................................................. 10

I.7. Le rseau des capteurs mobiles ............................................................................................ 11

I.8. Les tats oprationnels dun nud capteur .......................................................................... 12

I.9. Architecture de rseau de capteurs sans fil .......................................................................... 12

I.9.1. Les rseaux de capteurs sans-fil plats .................................................................... 12

I.9.2. Les rseaux de capteurs sans-fil hirarchiques ...................................................... 13

I.10. Les principales caractristiques et contraintes des RCSFs .................................................. 14

I.10.1. La consommation rduite dnergie ..................................................................... 14

I.10.2. Lauto-configuration des nuds capteurs ............................................................. 14

I.10.3. Lvolutivit .......................................................................................................... 14

I.10.4. La tolrance aux pannes ....................................................................................... 14

I.10.5. Une densit importante des nuds ....................................................................... 15

I.10.6. La Surveillance ...................................................................................................... 15

TABLE DES MATIERES

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page ii

I.10.7. La capacit de communication ............................................................................. 16

I.10.7.1. Les types de communication ......................................................................... 16

I.10.8. Une architecture data-centric .......................................................................... 17

I.10.9. Une collaboration entre les nuds ........................................................................ 18

I.10.10. La bande passante (ou capacit du canal) .......................................................... 18

I.10.11. Notion de cluster ................................................................................................ 18

I.10.12. La qualit de service ............................................................................................ 18

I.10.13. La topologie de rseau ......................................................................................... 19

I.11. La mise en uvre des rseaux sans fil ................................................................................. 19

I.11.1. Le mode de fonctionnement centralis ................................................................ 19

I.11.2. Le mode de fonctionnement ad hoc .................................................................... 20

I.12. Domaines dapplication des rseaux de capteurs ................................................................ 21

I.12.1. Applications militaires ........................................................................................ 21

I.12.2. Applications la surveillance ............................................................................. 21

I.12.3. Applications environnementales ......................................................................... 21

I.12.4. Applications mdicales ....................................................................................... 22

I.12.5. Applications domestiques ................................................................................... 22

I.12.6. Applications commerciales ................................................................................. 22

I.13. Le stockage des donnes ...................................................................................................... 23

I.14. La collection dinformation ................................................................................................. 24

I.14.1. la demande ....................................................................................................... 24

I.14.2. Suite un vnement ........................................................................................... 24

I.15. Systmes embarqus ............................................................................................................ 25

I.16. La pile protocolaire des RCSF ............................................................................................. 25

I.16.1. La couche physique ............................................................................................. 26

I.16.2. La couche liaison de donnes .............................................................................. 26

I.16.3. La couche rseau ................................................................................................. 27

I.16.4. La couche transport ............................................................................................. 27

I.16.5. La couche application .......................................................................................... 27

I.17. Classification des protocoles de routages pour les rseaux de capteur sans fil ................... 28

I.17.1. Selon la topologie du rseau ................................................................................ 29

I.17.2. Selon le fonctionnement du protocole ................................................................. 29

I.17.2.1. Routage bas sur les multi-chemins ........................................................... 29

I.17.2.2. Routage bas sur les requtes .................................................................... 29

I.17.2.3. Routage bas sur la ngociation ................................................................. 29

I.17.2.4. Routage bas sur la qualit de service ....................................................... 29

I.17.3. Selon le Paradigme de communication ............................................................... 30

I.17.3.1. Centr-nud (Node centric) ..................................................................... 30

I.17.3.2. Centr-donnes (Data centric) .................................................................. 30

I.17.3.3. Bas-localisation (Position centric) .......................................................... 30

I.17.4. Selon le mode de ltablissement de chemins .................................................... 30

I.17.4.1. Les protocoles proactifs ............................................................................. 30

I.17.4.2. Les protocoles ractifs ............................................................................... 30

TABLE DES MATIERES

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page iii

I.17.4.3. Les protocoles hybrides ............................................................................. 31

I.18. Conclusion ........................................................................................................................... 31

Chapitre II : LADMINISTRATION DES RESEAUX

II.1. Introduction ............................................................................................................................ 32

II.2. La gestion de rseau ............................................................................................................... 32

II.3. Principe gnral ...................................................................................................................... 33

II.4. Le concept de supervision du rseau ..................................................................................... 34

II.5. Structure dun systme dadministration ............................................................................... 35

II.6. Fonctions de base de la gestion de rseau .............................................................................. 36

II.7. Structure des informations dadministration de rseaux (SMI) ............................................. 37

II.7.1. Dfinitions formelles utilisant ASN.1 ...................................................................... 37

II.8. Les diffrents aspects de la supervision des rseaux ............................................................ 37

II.8.1. Lanalyse de flux ..................................................................................................... 38

II.8.2. La supervision applicative : tat des services .......................................................... 38

II.8.3. La supervision SNMP : ltat des quipements ....................................................... 39

II.9. Les protocoles de gestion rseau ............................................................................................ 39

II.9.1. Historique des protocoles dadministration .............................................................. 39

II.10. Ladministration vue par la norme ISO ............................................................................... 40

II.10.1. Les diffrents modles ........................................................................................ 40

II.10.1.1. Le modle architectural ............................................................................. 40

II.10.1.2. Le modle informationnel .......................................................................... 41

II.10.1.3. Le modle fonctionnel ............................................................................... 42

II.11. Ladministration dans lenvironnement TCP/IP .................................................................. 43

II.11.1. Prsentation gnrale de protocole SNMP ............................................................... 43

II.11.2. Les diffrentes versions de SNMP ............................................................................ 44

II.11.3. Architecture globale .................................................................................................. 45

II.11.4. Principe de fonctionnement ...................................................................................... 46

II.11.5. Trame SNMP ............................................................................................................ 49

II.11.5.1. Format des PDUs ................................................................................................ 49

II.11.6. Les MIBS (Management Information base) ............................................................. 50

II.11.7. La scurit sur SNMP ............................................................................................... 52

II.11.7.1. Les faiblesses de SNMPv1 .................................................................................. 52

II.11.7.2. Les amliorations de SNMPv2c .......................................................................... 52

II.11.7.3. La scurit sur SNMPv3 ..................................................................................... 52

II.12. Conclusion ........................................................................................................................... 53

Chapitre III : GESTION ET SUPERVISION DES RCSFs-Etat de lart

III.1. Introduction ...................................................................................................................... 54

III.2. Objectifs de gestion des RCSFs ...................................................................................... 54

III.3. Critres de conception de systmes de gestion de RCSF ................................................. 55

III.4. Les fonctions principales de gestion des RCSFs ............................................................. 56

III.5. Les systmes de gestion de RCSF .................................................................................... 58

III.5.1. Cadre de gestion de rseau de capteurs sans fil ........................................................ 59

TABLE DES MATIERES

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page iv

III.5.1.1. BOSS ................................................................................................................... 59

III.5.1.2. MANNA .............................................................................................................. 60

III.5.2. Protocoles de gestion des rseaux de capteurs sans fil ............................................. 62

III.5.2.1. RRP ..................................................................................................................... 62

III.5.2.2. SNMS .................................................................................................................. 63

III.5.2.3. WinMS ................................................................................................................ 63

III.5.3. Gestion par dlgation .............................................................................................. 64

III.5.3.1. Agilla ................................................................................................................... 64

III.5.3.2. Mobile Management Agent Policy-Based ......................................................... 65

III.5.3.3. sectorielle Sweeper .............................................................................................. 65

III.5.3.4. Intelligent Agent-Based Power Management .................................................... 65

III.5.4. Outils de dbogage .................................................................................................... 65

III.5.4.1. Sympathy ............................................................................................................. 65

III.5.5. Visualisation Outil .................................................................................................... 66

III.5.5.1. Mote-View .......................................................................................................... 66

III.5.6. Systmes de gestion d'nergie................................................................................... 66

III.5.6.1. Senos ................................................................................................................... 66

III.5.6.2. AppSleep ............................................................................................................. 67

III.5.6.3. Node-energy level management ......................................................................... 67

III.5.7. Systmes de gestion de la circulation ....................................................................... 67

III.5.7.1. Siphon .................................................................................................................. 67

III.5.7.2. Gestion des ressources DSN ............................................................................... 68

III.6. Lorganisation du systme de gestion des RCSF ............................................................. 68

III.6.1. Gestion de ractivit ................................................................................................ 69

III.6.2. Architecture de gestion ............................................................................................. 69

III.6.2.1. Les systmes de gestion centraliss .................................................................... 69

III.6.2.2. Les systmes de gestion distribus ...................................................................... 70

III.6.2.3. Les systmes de gestion hirarchique ................................................................. 71

III.7. Comparaison des systmes existants pour la gestion dun RCSF .................................... 72

III.8. Le protocole SNMP pour les RCSFs ............................................................................... 74

III.9. Conclusion ....................................................................................................................... 75

Chapitre IV : MODELISATION ET CONCEPTION

IV.1. Introduction ...................................................................................................................... 76

IV.2. Etude Prliminaire ............................................................................................................ 76

IV.2.1. Prsentation du projet raliser .................................................................................... 76

IV.2.1.1. Le modle formel de prsentation ............................................................................ 76

IV.2.1.2. Les fonctionnalits de protocole SWSNMP ............................................................ 78

IV.2.2. Choix techniques .......................................................................................................... 79

IV.2.3. Identification des acteurs .............................................................................................. 79

IV.2.4. Identification des messages .......................................................................................... 80

IV.2.5. Modlisation du contexte .............................................................................................. 81

IV.3. Capture des besoins Fonctionnels ................................................................................... 82

IV.3.1. Dterminer les cas dutilisations ................................................................................... 82

TABLE DES MATIERES

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page v

IV.3.1.1. Identification des cas dutilisation ...................................................................... 82

IV.3.2. Description prliminaire des cas dutilisations ............................................................. 84

IV.3.3. Description dtaille des cas dutilisations ................................................................... 85

IV.4. Dveloppement du modle dynamique ............................................................................ 89

IV.4.1. Identification des scnarios ....................................................................................... 89

IV.4.1.1. Scnarios de lAdministrateur .............................................................................. 90

IV.4.1.2. Scnarios du Sink ................................................................................................. 90

IV.4.1.3. Scnarios du Capteur ............................................................................................ 91

IV.4.1.4. Scnarios de lAgent SWSNMP ............................................................................ 91

IV.4.1.5. Scnarios de la Cible ............................................................................................ 92

IV.4.2. Construction des diagrammes dtats ........................................................................ 92

IV.5. Dveloppement du modle statique ................................................................................. 94

IV.6. Conclusion ....................................................................................................................... 96

Chapitre V : IMPLEMENTATION ET REALISATION

V.1. Introduction ....................................................................................................................... 97

V.2. Langage utilis................................................................................................................... 97

V.3. Algorithme ......................................................................................................................... 98

V.4. Scnario utilis .................................................................................................................. 98

V.5. Implmentation ................................................................................................................ 100

IV.5.1. Structure des messages utiliss ................................................................................. 100

IV.5.2. Lactivation des capteurs .......................................................................................... 101

IV.5.3. La redondance .......................................................................................................... 102

IV.5.4. Les points darticulation ........................................................................................... 102

IV.5.4.1. Principe ............................................................................................................. 102

IV.5.4.2. Etapes de dtection des points darticulation ................................................... 103

IV.5.4.3. A O (V + E) algorithme pour trouver tous les points d'articulation (AP) ......... 103

V.6. La supervision avec le protocole SWSNMP ................................................................... 105

V.7. La ralisation de la plateforme ........................................................................................ 105

V.8. Droulement du projet ..................................................................................................... 108

V.9. Rsultats et discussion ..................................................................................................... 112

V.10. Conclusion ....................................................................................................................... 115

CONCLUSION GENERAL ET PERSPECTIVE ..................................................................... 116

BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................... 118

Liste des figures

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page vi

Liste des figures

Figure I.1 : Les catgories des rseaux sans fil .............................................................................. 5

Figure I.2 : Les composants dun nud capteur ............................................................................ 8

Figure I.3 : Rayons de communication et de dtection d'un capteur ............................................. 9

Figure I.4 : Architecture dun nud capteur .................................................................................. 9

Figure I.5 : TelosB ....................................................................................................................... 10

Figure I.6 : Exemple de rseau de capteurs ................................................................................. 11

Figure.I.7 : Les tats possibles dun nud capteur ..................................................................... 12

Figure I.8 : Architecture plat des RCSF ....................................................................................... 13

Figure I.9 : Architecture hirarchique des RCSF ......................................................................... 13

Figure I.10 : Architecture de communication dun rseau dun RCSF ....................................... 16

Figure I.11 : Le routage data-centric ............................................................................................ 17

Figure I.12 : Cluster d'un RCSF ................................................................................................... 18

Figure I.13 : Un exemple de Scatternet compos de trois Piconet .............................................. 20

Figure.I.14 : Quelques applications des RCSFs........................................................................... 23

Figure I.15 : Collecte la demande ............................................................................................ 24

Figure I.16 : Collecte suite un vnement ................................................................................. 24

Figure I.17 : La pile protocolaire dun RCSF .............................................................................. 26

Figure I.18 : Classification des protocoles de routage pour les Rseaux de capteurs sans fil ..... 28

Figure II.1 : Structure fonctionnelle dadministration du rseau ................................................. 33

Figure II.2 : Accs un service distant ........................................................................................ 38

Figure II.3 : Le modle architectural dadministration par lISO ................................................ 40

Figure II.4 : Les fonctions dadministration ................................................................................ 42

Figure II.5 : Lenvironnement SNMP ......................................................................................... 45

Figure II.6 : Base de SNMP ......................................................................................................... 46

Figure II.7 : Les deux mthodes de supervision SNMP .............................................................. 47

Figure II.8 : Echange de message ................................................................................................ 48

Figure II.9 : Rsum des commandes SNMPv2 ......................................................................... 49

Figure II.10 : Les trames SNMP .................................................................................................. 49

Figure II.11 : Les identificateurs dobjets de La MIB ................................................................. 51

Figure II.12 : Le mcanisme d'authentification ........................................................................... 52

Figure II.13 : Le chiffrement avec DES ..................................................................................... 53

Liste des figures

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page vii

Figure III.1 : Architecture de BOSS .......................................................................................... 59

Figure.III.2 : Lensemble des fonctions de gestion dfinies dans MANNA ............................... 61

Figure.III.3 : Les relations, les fonctions et les modles de systme MANNA .......................... 61

Figure IV.1 : Diagramme de cas dutilisation .............................................................................. 84

Figure IV.2 : Diagramme dactivit- sauthentifier ..................................................................... 86

Figure IV.4 : Diagramme dactivit- superviser .......................................................................... 89

Figure IV.5 : Diagramme de squences Administrateur .......................................................... 90

Figure IV.6 : Diagramme de squences Sink ........................................................................... 90

Figure IV.7 : Diagramme de squences Capteur ...................................................................... 91

Figure IV.8 : Diagramme de squences Agent SWSNMP ...................................................... 91

Figure IV.9: Diagramme de squences Cible ........................................................................... 92

Figure IV.10 : Diagramme dtat ................................................................................................ 93

Figure IV.11 : Diagramme de classe ............................................................................................ 95

Figure V.1: Notre algorithme (Scnario de la simulation( ........................................................... 99

Figure V.2 : Exemple des points darticulation ......................................................................... 103

Figure V.3 : La plateforme principale ........................................................................................... 105

Figure V.4 : Les lgendes ........................................................................................................... 106

Figure V.5 : Lgende de SWSNMP ........................................................................................... 106

Figure V.6 : La fentre dauthentification .................................................................................. 106

Figure V.7 : La fentre de dploiement .................................................................................... 107

Figure V.8 : Dploiement alatoire de 50 nuds ....................................................................... 107

Figure V.9 : La couverture et la connectivit des nuds .......................................................... 108

Figure V.10 : Activation des capteurs et dcouverte de voisinage ........................................... 108

Figure V.11 : La redondance et les points darticulation (49 capteur) ....................................... 109

Figure V.12 : Les points darticulation (34 capteurs) ............................................................... 109

Figure V.13 : Lactivation de SWSNMP ................................................................................... 110

Figure V.14 : La fentre de supervision ..................................................................................... 110

Figure V.15 : Les oprations ..................................................................................................... 111

Figure V.16 : Les identificateurs des capteurs .......................................................................... 111

Figure V.17 : Quelque tat capter par des capteurs .................................................................. 111

Figure V.18 : Exemple dtat de la batterie .............................................................................. 111

Figure V.19 : Exemple dune table de voisinage dun capteur ................................................. 112

Figure V.20 : Les liens du RCSF .............................................................................................. 112

Figure V.21 : Histogramme de lnergie du rseau .................................................................. 113

Liste des figures

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page viii

Figure V.22 : Histogramme de lnergie de chaque capteur ..................................................... 114

Figure V.23 : Histogramme de la totalit des nuds ................................................................ 115

Liste des tableaux

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page x

Liste des tableaux

Tableau III.1: Organisation du systme de gestion de rseau .................................................... 68

Tableau III.2 : Systme de gestion de rseau valu par rapport aux critres de conception .... 72

Tableau IV.1 : Les rles des acteurs ............................................................................................ 81

Tableau IV.2 : Les fonctionnalits des cas dutilisation .............................................................. 82

Abrviations

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page xi

Liste des abrviations

6LoWPAN IPv6 Low Power Wireless Area Networks

ADC Analog to Digital Converter

APTEEN Adapted Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network

ASN.1

BFS

Abstract Syntax Notation 1

Breadth First Search

BLR Boucle Locale Radio

BOSS Bridge Of the SenSors

CMIP Common Management Information Protocol

CMIS Common Management Information Service

CMISE Common Management Information Service Element

CPU Central Processing Unit

CRC Cyclic Redundancy Check

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

DD Directed Diffusion

DEC Digital Equipment Corporation

DFS Depth First Search

DLL Dynamic Link Library

DNS Domain Name System

DPM Data Protection Manager

DSN Distributed Sensor Network

DSN RM Distributed Sensor Network Resource Manager

ETSI Europen Tlcommunications Standards Institute

FDI Fault Detection and Isolation

FEC Forward Error Correction

FTC Fault Tolerance

FTP File Transfer Protocol

GAF Geographic Adaptive Fidelity

GEAR Geographic and Energy Aware Routing

GHT Geographic Hash Table

Abrviations

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page xii

GHz GigaHertz

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile communication

HP Hewlett-Packard

HiperLAN High performance radio Local Area Network

IABP International Arctic Buoy Program

IARP Intra-Zone Routing Protocol

IBM International Business Machines

ICMP Internet Control Message Protocol

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IERP InterzonE Routing Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

ISO International Standard Organization

LAN Local Area Network

LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy

MAC Magic Access Control

MANET Mobile Ad hoc NETwork

MANNA MANagemeNt Architecture

MbD Management by Delegation

Mbits Mgabit

MECN Minimum Energy Communication Network

MIB Management Information Base

RF Radio Frequency

NMS Network Management Station

OID Object IDentifier

OS Operating System

OSI Open System Interconnexion

PC Personal Computer

PDA Personal Digital Assistant

PEDAP Power Efficient Data Aggregation Protocol

PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems

QoS Quality of Service

Abrviations

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page xiii

RCSF Rseau de Capteur Sans Fil

RFC Request for Comments

RGT Rseau de Gestion des Tlcommunications

RR Radio Resource

SAR Single-Aliquot Regenerative-dose

SenOS Sensor Operating System

SMAE System Management Application Entity

SMAP System Management Application Process

SMI Structure of Management Information

SNMP Simple Network Management Protocol

SNMP4J Simple Network Management Protocol for Java

SNMS Sensor Network Management System

SOS Sensor Operating System

SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation

SQL Structured Query Langage

STEM System Tracking wirEless Motion

SWSNMP Simple Wireless Sensor Network Management Protocol

TCP Transmission Control Protocol

IP Internet Protocol

TDMA Time Division Multiple Access

TEEN Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network

TMN Telecommunications Management Network

UDP User Datagram Protocol

UIT-T Union Internationale des Tlcommunications

UML Unified Modeling Language

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

UP Unified Process

UPnP Universal Plug and Play

USM User-based Security Model

VACM View- based Access Control Model

VSs Virtual Sinks

Wi-Fi Wireless Fidelity

Abrviations

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page xiv

WLAN Wireless Local Area Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

Wimax Worldwide interoperability for microwave access

WinMS Wireless sensor network Management System

WPAN Wireless Personal Area Network)

WWAN Wireless Wide Area Network

xDSL x Digital Subscriber Line

INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteur Sans Fil Page 1

Introduction gnral et problmatique

Les progrs technologiques dans les domaines de la microlectronique, des communications

sans fil, coupl aux efforts de miniaturisation et de rduction des cots de production des

composants lectroniques, ont permis le dveloppement de nouvelles gnrations de petits

appareils lectroniques, autonomes, quips de capteurs et capables de dtecter, de calculer, de

stocker et communiquer entre eux sans fil. Ces petits dispositifs sont appels des nuds capteurs.

Ensemble, ils forment un rseau appel rseau de capteurs sans fil (RCSF) qui fournir des

informations utiles prises par les diffrents capteurs et de les communiques ensuite via le

support sans fil un point de collecte appel "Sink" qui les communique aussi un poste de

contrle distant.

Lavancement des technologies dans les infrastructures de rseau et de minuscules capteurs

du rseau permet de nombreuses applications de rseau de capteurs allant du civils aux

militaires, de la maison lenvironnement et de la nature de lindustriel au domaine commercial

de saccroitre, car de nos jours le besoin dobserver des phnomnes physiques tel que la

temprature, la pression ou encore la luminosit est devenu essentiel. Exemples : la surveillance

de lhabitat des animaux, observation de lenvironnement et de prvision, le corps humain le

suivi, le champ de bataille de dtection et danalyse, etc.

Les capteurs sont dploy alatoirement ou dune manire bien dfinit dans une zone

gographique, appele champ de captage, qui dfinit le terrain d'intrt pour les phnomnes

cibls. Ainsi, Ladministrateur est besoin dadresser des requtes aux capteurs du rseau, en

prcisant le type de donnes requises et rcolter les donnes captes telles que les donnes

environnementales ou physiologiques par le biais de la station de base.

Une des solutions qui sannonce prometteuse dans les RCSFs est lutilisation dun systme

qui est capable de superviser les capteurs et une rgion ou un phnomne dans une zone

dintrt, La gestion de rseau correspond aux actions qui permettent de prendre en charge la

configuration, la scurit, les pannes. La prise en charge de toutes ces fonctions nest pas un

mince problme, de nombreux travaux de normalisation ont t effectus dans ce domaine, mais

tous nont pas encore abouti cause de a difficult et a complexit, pour cela le domaine de

supervision et de gestion des RCSFs est encore ouvert.



Lobjectif de ce projet est dtudier le problme de gestion et de supervision des RCSFs en

sinspirant et en se basant sur les solutions des rseau filaire afin de minimiser la consommation

dnergie pour chaque capteur en garantissant la continuit de bon fonctionnement du rseau et

assurant le prolongement de son dure de vie.

Lnergie est la ressource la plus prcieuse dans un rseau de capteurs puisquelle influe

directement sur la dure de vie des capteurs et du rseau en entier. Larrt de fonctionnement

dun ou de plusieurs nuds peut provoquer la rpartition de rseau en plusieurs parties et la d-

connectivit dun sous ensemble des nuds capteurs. Pour cela, nous avons propos des

mcanismes de gestion en utilisant des aspects de la thorie des graphes spcifiquement la

dtection des points darticulations. Notre mmoire sera organis comme suit:

Chapitre I : Gnralit sur les rseaux de capteurs sans fil

Donne un aperu sur les rseaux de capteurs sans fil. On commence dabord par dcrire

un nud capteur et ses caractristiques, ensuite on expose les rseaux de capteurs sans fil

et leurs architectures puis nous prsentons les facteurs et les caractristiques qui

influencent la conception de ce type des rseaux. Nous introduisons aussi quelques

caractristiques et mtriques des RCSFs.

Chapitre II: Ladministration des rseaux

Ce chapitre est consacr ladministration des rseaux o nous avons prsent les

principaux concepts de gestion et plus prcisment la structure dun systme de gestion

et les fonctions de base pour grer un rseau, puis en parle sur les protocole de gestion

utilis au niveau de la norme ISO et au niveau de la norme TCP/IP par la description de

protocole SNMP en rappelant les diffrentes notions et principes de fonctionnement de ce

protocole qui est le plus rpandu actuellement.

Chapitre III : Gestion et supervision des RCSFS-tat de lart

Ce chapitre prsente les travaux existant dans le domaine de la gestion et la supervision

des rseaux de capteur sans fil, ainsi une petite comparaison des caractristiques de ces

dernires.

Chapitre IV : Modlisation et conception

Ce chapitre constitue le noyau de ce travail, o en va proposer la modlisation et la

conception afin de raliser un systme de supervision du RCSF, en utilisant le langage

UML.



Chapitre V : Implmentation et ralisation

Ce chapitre prsente notre implmentation en montrant les algorithmes proposs pour

raliser le systme de supervision des RCSFs avec lutilisation de quelque outil de la

thorie des graphes. Les rsultats de limplmentation seront galement prsents pour

justifier la validit de notre projet.

Enfin, on conclue notre travail en donnant une conclusion gnrale que nous avons tire

de notre travail effectu avec quelques perspectives.

Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL

Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 4

I.1. Introduction

Les rcentes avances dans le domaine des technologies sans-fil et lectronique ont permis

le dveloppement faible cot de minuscules capteurs consommant peu d'nergie. Ces capteurs

ont trois fonctions ; la capture des donnes, le calcul des informations l'aide des valeurs

collectes et l'envoi des rsultats de calcul travers un rseau de capteurs sans-fil.

Les RCSFs prsentent un intrt considrable et une nouvelle tape dans lvolution des

technologies de linformation et de la communication. Le but gnral d'un RCSF est la collecte

d'un ensemble de paramtres de l'environnement entourant les capteurs, telles que la temprature

ou la pression de l'atmosphre, afin de les acheminer vers des points de traitement.

De nombreux domaines dapplication sont alors envisags tels que la dtection et la

surveillance des dsastres, le contrle de lenvironnement, la surveillance et la maintenance

prventive des machines, etc.

Dans ce chapitre, nous prsenterons les rseaux de capteurs sans fil, leurs architectures de

communication, leurs applications. Nous discuterons galement les principaux caractristiques et

contraintes qui influencent la conception des rseaux de capteurs sans fil ainsi que des protocoles

de routage utilis pour lacheminement.

I.2. Dfinition des rseaux sans fil

Un rseau informatique est un ensemble dquipement informatique reli entre eux grce

des supports de communication permettant la communication et le partage de ressources [1].

Selon le type de supports de communication, on distingue : les rseaux filaires qui utilisent

un canal de transmission matriel (le cble coaxial, les paires torsades, la fibre optique) et les

rseaux sans fils [1].

Un rseau sans fil est un rseau de machines qui n'utilisent pas de cbles. C'est une

technique qui permet aux particuliers, aux rseaux de tlcommunications et aux entreprises de

limiter l'utilisation de cbles entre diverses localisations [2].

Les rseaux sans fil recours des ondes radiolectriques (radio et infrarouges) en lieu et

place des cbles habituels. L'utilisation des rseaux sans fil procure plusieurs avantages,

notamment [2]:

Facilit de dploiement ;

Faible cot dappartenance ;

L'augmentation de la connectivit ;

Mobilit et la flexibilit gnratrices de gains de productivit, etc.



I.3. Les catgories des rseaux sans fil

Il existe plusieurs catgories de rseaux sans fil qui diffrent par le primtre gographique

quils couvrent ainsi que par les types dapplications supportes. Le schma suivant illustre les

catgories des rseaux sans fil [3].

Figure I.1 : Les catgories des rseaux sans fil [3]

I.3.1. Le rseau personnel sans fil (WPAN)

Il concerne les rseaux sans fil d'une faible porte : de l'ordre de quelques dizaines

de mtres. Ce type de rseau sert gnralement relier des priphriques (imprimante,

tlphone portable, appareils domestiques, ) [3]. Il existe plusieurs technologies

utilises pour les WPAN :

I.3.1.1. La technologie Bluetooth

Elle est connue aussi sous le nom de la norme IEEE 802.15.1, elle a t

lance par Ericsson en 1994, proposant un dbit thorique de 1 Mbps lui permettant

une transmissions de la voix, des donnes et des images [3], dune porte maximale

d'une trentaine de mtres [4]. Bluetooth est une technologie peu onreuse, grce sa

forte intgration sur une puce unique de 9 mm sur 9 mm ; Elle prsente galement

lavantage de fonctionner sur des appareils faible puissance do une faible

consommation dnergie [3].

I.3.1.2. La technologie ZigBee

Elle est connue aussi sous le nom de la norme IEEE 802.15.4 et permet

d'obtenir des liaisons sans fil bas prix et avec une trs faible consommation

d'nergie, ce qui la rend particulirement adapte pour tre directement intgre dans

de petits appareils lectroniques (capteurs, appareils lectromnagers...) [4].

Rseaux personnels sans fil (WPAN)

Rseaux mtropolitains sans fil (WMAN)

Rseaux locaux sans fil (WLAN) Rseaux tendu sans fil (WWAN)

GSM

UMTS

GPRS



Les rseaux ZigBee permettent doffrir des dbits jusqu 250 Kbits/s dans la

bande classique des 2,4GHz. Les RCSF constituent une des applications que cette

norme peut couvrir [3].

I.3.1.3. Les liaisons infrarouges

Elles permettent de crer des liaisons sans fil de quelques mtres avec des

dbits pouvant monter quelques mgabits par seconde. Cette technologie est

largement utilise dans la domotique (tlcommandes), elle souffre toutefois des

perturbations dues aux interfrences lumineuses [5].

I.3.2. Le rseau local sans fil (WLAN)

Cest un rseau permettant de couvrir une porte d'environ une centaine de

mtres. Il permet de relier entre eux les terminaux prsents dans la zone de couverture

[3]. Il existe deux technologies concurrentes :

I.3.2.1. Les rseaux Wi-Fi (Wireless-Fidelity)

Ils proviennent de la norme IEEE 802.11, qui dfinit une architecture

cellulaire. On y trouve principalement deux types de rseaux sans fil : Ceux qui

travaillent la vitesse de 11 Mbits/s 2.4 GHz (IEEE 802.11b) et ceux qui montent

54 Mbits/s 5 GHz (IEEE 802.11 a/g) [3].

I.3.2.2. Les rseaux HiperLAN 2 (High Performance LAN 2.0)

Ils dcoulent de la norme europenne labore par l'ETSI (Europen

Tlcommunications Standards Institute). HiperLAN 2 permet d'obtenir un dbit

thorique de 54 Mbps sur une zone d'une centaine de mtres dans la gamme de

frquence comprise entre 5 150 et 5 300 MHz [5]. Ce type de rseau na pas reu

autant de succs que la technologie Wi-fi.

I.3.3. Le rseau mtropolitain sans fil (WMAN)

Il est connu aussi sous le nom de Boucle Locale Radio (BLR). Il convient de

rappeler que la BLR permet, en plaant une antenne parabolique sur le toit d'un btiment,

de transmettre par voie hertzienne de la voix et des donnes haut dbit pour l'accs

l'internet et la tlphonie [6]. Il existe plusieurs types de rseaux WMAN dont le plus

connu est :

I.3.3.1. les rseaux Wimax (Worldwide interoperability for Microwave Access)

Ils manent de la norme IEEE 802.16 et ont pour but de dvelopper des

liaisons hertziennes concurrentes aux techniques xDSL terrestres et offrent un dbit

utile de 1 10 Mbit/s dans la bande 10-66 GHz pour une porte de 4 10 kilomtres,



ce qui destine principalement cette technologie aux oprateurs de tlcommunication

[6].

I.3.4. Le rseau tendu sans fil (WWAN)

Il est connu sous le nom de rseau cellulaire mobile et il est le plus rpandu de tous

puisque tous les tlphones mobiles sont connects un rseau tendu sans fil. Les

principales technologies sont les suivantes : GSM (Global System for Mobile

Communication), GPRS (General Packet Radio Service), UMTS (Universal Mobile

Telecommunication System) [4].

I.4. Dfinition dun rseau Ad Hoc

Un rseau mobile Ad Hoc appel gnralement MANET (Mobile Ad hoc Network), peut

tre dfini comme une collection dentrs mobiles interconnectes par une technologie sans fil,

formant un rseau temporaire sans laide dune infrastructure prexistante ou dadministration

centralise [7]. Ce sont les entits mobiles elles-mmes qui forment, dune manire Ad Hoc, une

infrastructure du rseau [3].

Les entits qui composent ce rseau possdent un dispositif de communication sans fil leur

permettant de communiquer avec les entits situes dans leur voisinage. Chaque nud peut

joindre directement ses voisins en utilisant son interface radio. Un nud a la possibilit

datteindre nimporte quel autre nud lintrieur du rseau en utilisant les nuds intermdiaire

(situs entre la source et la destination) qui agissent en tant que nud relais [3].

Avec ce mode de fonctionnement, il est possible dutiliser des protocoles de routage

proactifs, ractifs ou hybrides [7].

Les rseaux Ad Hoc sont idaux pour les applications caractrises par une absence ou la

non fiabilit dune infrastructure prexistante, telles que les applications militaires, les oprations

de secours (incendies, tremblement de terre, etc.) et les missions dexploration [8].

I.5. Capteur sans fil

Un capteur sans fil est un petit dispositif un cot raisonnable, de quelques millimtres

cubes en volume. Il a pour but de relever des grandeurs physiques comme lhumidit, lintensit

de la luminosit, la temprature et les vibrations, suivant lenvironnement dans lequel il est

dploy et lobjectif pour lequel il est conu. Un capteur sans fil est dot, principalement, de

quatre units [9] (Figure I.2).



Figure I.2 : Les composants dun nud capteur [9]

I.5.1. Unit de captage

Elle est constitue de deux composants, un dispositif qui intercepte les donnes du

monde physique et les transforme en signaux analogiques, et un convertisseur

analogique/numrique (ADC) qui transforme ces signaux analogiques en un signal

numrique comprhensible par lunit de traitement [10].

I.5.2. Unit de traitement

Elle est compose dun microprocesseur ou dun microcontrleur associe

gnralement une unit de stockage [11]. Elle est charge dexcuter les protocoles de

communication, comme elle peut aussi effectuer des semi traitements sur les donnes

captes. Cette unit est galement compose de deux interfaces, une interface pour l'unit

d'acquisition et autre pour l'unit de transmission. Elle acquiert les informations en

provenance de l'unit d'acquisition et les envoie l'unit de transmission [12].

I.5.3. Unit de communication

Elle est responsable des missions et rceptions des donnes sur un medium sans

fil. Elle se base sur les technologies sans fil faible porte de communication, Zigbee

IEEE 802.15.4, Bluetooth IEEE 802.15.1 ou WiFi IEEE 802.11 [11].

Chaque capteur possde un rayon de communication (Rc) et un rayon de sensation

(Rs). La Figure I.3 montre les zones dfinies par ces deux rayons pour le capteur A. La

zone de communication est la zone o le capteur A peut communiquer avec les autres

capteurs. Dans cet exemple, le capteur A peut communiquer avec un capteur B. Dautre

part, la zone de dtection est la zone o le capteur A peut capter lvnement. Dans cet

exemple, il sagit de la zone dans laquelle se trouve le capteur C [10].

Emetteur/Rcepteur

Radio

Batterie Processeur Mmoir

e

Module de

captage

Capteur



Figure I.3 : Rayons de communication et de dtection d'un capteur [10]

Par ailleurs, pour quun capteur ait une porte de communication suffisamment

grande, il est ncessaire dutiliser un signal assez puissant. Cependant, lnergie

consomme serait importante [10].

I.5.4. Unit dalimentation nergtique

Elle est responsable de la gestion de lnergie et de lalimentation de tous les

composants du capteur. Elle consiste, gnralement, en une batterie qui est limite et

irremplaable, ce qui a rendu lnergie comme principale contrainte pour un capteur [13].

Figure I.4 : Architecture dun nud capteur [13]



Il existe dans le monde plusieurs fabricants de capteurs. On cite Crossbow, Cisco, Dalsa,

EuroTherm et Sens2B. Parmi ces capteurs fabriqus, il existe quelques-uns qui sont capables de

varier la puissance du signal mis afin dlargir/rduire le rayon de communication et en

consquence la zone de communication. La Figure I.4 montre un capteur intelligent qui fait

partie la famille des Telos, il sagit dun capteur TelosB [9].

La figures suivantes illustrent les composants d'un noeud capteur TelosB de

CrossBow [9]:

Figure I.5 : TelosB [9]

I.6. Rseau des capteurs sans fil

Un rseau des capteurs sans fil (RCSF) est un type particulier des rseaux ad hoc [14] qui

partage beaucoup de caractristiques avec les rseaux embarques sans fil [15]. Il est constitu

dun grand nombre de capteurs, cooprant pour raliser une tache commune et disperses sur une

zone gographique, appele champ de captage. Il est conu dans le but de surveiller, dtecter et

traiter des phnomnes physiques captes au niveau local, ou de les envoyer laide de la

communication sans fil a un ou plusieurs points de collecte, appels station de base [14].

Les capteurs remplissent deux rles: source dinformations et/ou relais pour le reste du

rseau. Ils sont habituellement disperss dans un champ de capteurs o chacun de ces derniers a

la possibilit de collecter des donnes et de les transmettre au sink. Les rcentes avances dans

les domaines des technologies sans-fil et lectroniques ont permis le dveloppement faible cot

de minuscules capteurs consommant peu d'nergie [4].



Les capteurs ne sont pas intgrs une quelconque architecture prexistante de rseau.

Cest pourquoi ils communiquent laide dun rseau ad hoc sans fil [16], tout dabord dans un

souci de simplicit dinstallation, mais aussi et surtout dans le souci de permettre au rseau de

rester oprationnel mme aprs des dfaillances ponctuelles des nuds. Ils doivent pouvoir

sautogrer, en utilisant des protocoles permettant dapprendre des lments tels que la topologie

du rseau, le positionnement relatifs des capteurs au sein du rseau, les routes possibles pour

communiquer avec dautres nuds donns [4]. Les communications multi sauts sont privilgies

par rapport aux transmissions directes au sink. Cest un nud particulier dot dune puissance de

calcul suprieure et dune quantit dnergie potentiellement infinie. Il rcupre les informations

remontes par les diffrents capteurs et les transmet lutilisateur. Il peut y avoir plusieurs puits

mobiles ou fixes dans un rseau [16].

Figure I.6 : Exemple de rseau de capteurs [16]

I.7. Le rseau des capteurs mobiles

La mobilit est une question cl pour les rseaux de capteurs o chaque nud peut se

dplacer lintrieur du site, seul ou avec un groupe. Par exemple, quand les capteurs sont

embarqus sur des dispositifs mobiles tels que les vhicules, ou sur des animaux. Lorsque la

mobilit est trop frquente, elle ne peut tre considre comme un problme secondaire. Ainsi, la

dtection des voisins et la reconfiguration du rseau exigent habituellement un nombre important

de messages de contrle de la topologie, donc une dpense importante dnergie [17].



I.8. Les tats oprationnels dun nud capteur

Le diagramme suivant prsente les diffrents tats possibles lors de fonctionnement dun

nud capteur. Nous voyons dans la figure I.7 que ltat du capteur dpend de son niveau

dnergie. Le capteur peut avoir cinq tats : en transmission, en rception, en coute, en sleep ou

inactif [5].

Figure.I.7 : Les tats possibles dun nud capteur [5]

I.9. Architecture de rseau de capteurs sans fil

Un Rseau de Capteurs Sans-Fil (RCSF) est un ensemble de capteurs variant de quelques

dizaines d'lments plusieurs centaines, parfois plus, utilisant des liens sans-fil pour la

communication [18].

Chaque rseau de capteurs a la capacit de collecter des donnes partir d'un champ de

captage, qui dfinit la zone d'intrt pour le phnomne capt. A l'aide d'une architecture multi-

sauts, un RCSF transmet les donnes collectes un nud (Plusieurs un). Ce dernier est

considre comme un point de collecte et peut transfrer les donnes collectes via internet ou

satellite un ordinateur central " gestionnaire de tche " pour leur traitement [18].

Il existe deux types d'architectures pour les rseaux de capteurs sans-fil :

I.9.1. Les rseaux de capteurs sans-fil plats

Un rseau de capteurs sans-fil plat est un rseau homogne, o tous les nuds

sont identiques en termes de batterie et de complexit du matriel, except le sink qui

joue le rle d'une passerelle et qui est responsable de la transmission de l'information

collecte l'utilisateur final. Selon le service et le type de capteurs, une densit de

capteurs leve (plusieurs nuds capteurs/m2) ainsi qu'une communication multi-sauts

peut tre ncessaire pour l'architecture plate. En prsence d'un trs grand nombre de



nuds capteurs, le passage l'chelle devient critique. Le routage et le contrle d'accs

au mdium (MAC) doivent grer et organiser les nuds d'une manire trs efficace en

termes d'nergie [18].

Figure I.8 : Architecture plat des RCSF [18]

I.9.2. Les rseaux de capteurs sans-fil hirarchiques

Une architecture hirarchique a t propose pour rduire la complexit de la

plupart des nuds capteurs et leur dploiement, en introduisant un ensemble de nuds

capteurs plus puissants. Ceci permet de dcharger la majorit des nuds simples faible

cot de plusieurs fonctions du rseau. L'architecture hirarchique est compose de

plusieurs couches : une couche de capteurs, une couche de transmission et une couche de

point d'accs. Cette architecture sans-fil est influence par un certain nombre de facteurs

et contraintes tels que la tolrance aux fautes, le redimensionnement, les couts de

production, l'environnement, la topologie du rseau, les contraintes matrielles, les

mdias de transmission et la consommation d'nergie [19].

Figure I.9 : Architecture hirarchique des RCSF [19]



I.10. Les principales caractristiques et contraintes des RCSFs

I.10.1. La consommation rduite dnergie

Les nuds capteurs utilisent des batteries de taille minuscule comme ressources

en nergie, ce qui limite leur dure de vie. La spcificit des applications des RCSFs

(militaires, et autres) fait que la recharge ou le remplacement de ces batteries est une tche

difficile ou presque impossible, ce qui nous mne dduire que la dure de vie dun nud

est essentiellement dpendante de la dure de vie de la batterie. Ainsi, la mthode de

gestion de consommation dnergie constitue une contrainte majeure dans ce type de

rseau [5].

I.10.2. Lauto-configuration des nuds capteurs

Dans un RCSF, les nuds sont dploys soit dune manire alatoire (missile,

avion), soit placs nud par nud par un humain ou un robot, et ceci lintrieur ou

autour du phnomne observ (champ de guerre, surface volcanique, patient malade).

Ainsi, un nud capteur doit avoir des capacits dune part, pour sauto-configurer dans le

rseau, et dautre part pour collaborer avec les autres nuds dans le but de reconfigurer

dynamiquement le rseau en cas de changement de topologie du rseau [20].

Dans un RCSF, chaque nud X possde une unit mettrice/rceptrice qui lui

permet de communiquer avec les nuds qui lui sont proches; En changeant des

informations avec ces derniers, le nud X pourra alors dcouvrir ses nuds voisins et ainsi

connatre la mthode de routage quil va adopter selon les besoins de lapplication. Lauto-

configuration apparat comme une caractristique ncessaire dans le cas des RCSF tant

donn que dune part, leur dploiement seffectue dune manire alatoire dans la majorit

des applications, et dautre part le nombre des nuds capteurs est trs grand. En revanche,

avec une approche alatoire, les capteurs sont parpills [21].

I.10.3. Lvolutivit

Contrairement aux rseaux sans fil traditionnels (personnel, local ou tendu), un

RCSF peut contenir un trs grand nombre de nuds capteurs (des centaines, des

milliers). Un rseau de capteur est volutive parce quil a la facult daccepter un trs

grand nombre de nuds qui collaborent ensemble afin datteindre un objectif commun [9].

I.10.4. La tolrance aux pannes

La tolrance aux pannes est la capacit de maintenir un rseau de capteurs et

dassurer les fonctionnalits sans aucune interruption due aux checs des nuds [9].



Dans le cas de dysfonctionnement dun nud (manque dnergie, interfrences

avec lenvironnement dobservation) ou aussi en cas dajout de nouveaux nuds

capteurs dans le rseau, ce nud doit continuer fonctionner normalement sans

interruption. Ceci explique le fait quun RCSF nadopte pas de topologie fixe mais plutt

dynamique [9].

Un premier dfi sera donc didentifier et de modliser formellement les modes de

dfaillances des capteurs, puis de repenser les techniques de tolrance aux fautes mettre

en uvre. La fiabilit Rk(t) ou la tolrance de panne d'un capteur est modlis l'aide de la

distribution de poisson pour dterminer les probabilits de ne pas avoir de dfaillance dans

lintervalle de temps (0, T): (I.1)

O est le taux de dfaillance du nud capteur k, et t est un priode de temps [21].

I.10.5. Une densit importante des nuds

Les RCSF sont caractriss par leur forte densit. Cette densit peut atteindre,

selon le type dapplication [9].

La densit peut varier de quelques nuds quelques centaines de nuds dans une

rgion. Il doit galement utiliser une densit des nuds capteurs leve. La densit peut

tre calcule par la formule suivante [22] : ( ) ( ) (I.2)

O N est le nombre des nuds disperss dans la rgion A et R reprsente le rayon

de transmission.

Les algorithmes de routage doivent tre capables de fonctionner efficacement

avec un grand nombre de capteurs. De plus, ces algorithmes doivent traiter un grand

nombre dvnements sans tre saturs [9].

I.10.6. La Surveillance

Pour laugmentation de la fiabilit, de la disponibilit et de la sret de

fonctionnement des processus, des systmes de surveillance sont mise en uvre dont

lobjectif est dtre capable tout instant, de fournir ltat de fonctionnement des diffrents

quipements constitutifs dun processus technologiques. Tant au niveau de la dtection et

de lisolation des fautes (FDI) quau niveau de la tolrance aux fautes (FTC). Loprateur

de supervision gre deux types dinformation, le premier concerne la dtection et

lisolation des dfauts survenus, et le deuxime indique les possibilits de laisser

fonctionner ou non le processus [21].



I.10.7. La capacit de communication

Elle peut prendre deux aspects : Le multi-saut ou un seul saut. Parce que le

multi-saut est moins nergivore, il reste le type de communication le plus sollicit par les

applications de RCSF qui requirent une faible consommation dnergie [20].

Les nuds capteurs sont habituellement disperss dans un environnement comme

le montre la figure (I.10). Les capteurs ont des possibilits de rassembler des donnes et de

les acheminer vers le Sink, par une architecture multi-saut. Le sink peut communiquer avec

lutilisateur final ou le dcideur par lintermdiaire dun rseau de transport tel que

linternet ou le satellite [20].

Figure I.10 : Architecture de communication dun rseau dun RCSF [20]

I.10.7.1. Les types de communication

Il existe diffrents types de communication utilise dans les RCSFs :

Unicast : ce type de communication est utilis pour changer des

informations entre deux nuds sur le rseau [9].

Broadcast : le Sink transmet des informations vers tous les nuds du

rseau. Ces informations peuvent tre des requtes de donnes bien

prcises (ex : la temprature dans la rgion A) [9].

Local Gossip : ce type de communication est utilis par des nuds situs

dans une rgion bien dtermine qui collaborent ensemble afin davoir une

meilleure estimation de lvnement observ et dviter lmission du

mme message vers le nud Sink ce qui contribue consommer moins

dnergie [9].



Convergecast : il est utilis dans les communications entre un groupe de

nuds et un nud bien spcifique (qui peut tre le Sink ). Lavantage

de ce type de communication est la diminution de contrle dentte des

paquets ( control overhead ) ce qui conomise lnergie au niveau du

nud rcepteur [20].

Multicast : il permet une communication entre un nud et un groupe de

nuds. Ce type de communication est utilis dans les protocoles qui

incluent le clustering dans lesquels, le Clusterhead sintresse

communiquer avec un groupe de nuds [9].

I.10.8. Une architecture data-centric

Du fait que le remplacement ou la recharge des batteries des nuds capteurs est

une tche non pratique et difficile raliser, alors il est dusage normal quon trouve des

nuds capteurs redondants (effectuant la mme tche dans la mme rgion) ; Limportance

dun nud particulier est, par consquent, rduite par rapport limportance attribue aux

donnes observes par les nuds [20].

Ce type darchitecture diffre des architectures node-centric adoptes par les

rseaux traditionnels o les nuds possdent une place importante (Exemple : un

utilisateur qui veut connecter son laptop au serveur web X) [20].

Comme la montre lexemple dune approche data-centric dans la figure I.11, les

donnes provenant des deux sources sont agrges au noeud B. Ensuite, la donne

combine (1+2) est envoye de B vers la destination [20].

Figure I.11 : Le routage data-centric [20]



I.10.9. Une collaboration entre les nuds

Les contraintes strictes de consommation dnergie mnent les nuds capteurs

dtecter et traiter les donnes dune manire cooprative afin dviter le traitement

redondant dune mme donne observe, source de la perte dnergie [22].

I.10.10. La bande passante (ou capacit du canal)

Cest une caractristique beaucoup plus importante dans les rseaux cellulaires

(GSM) et les rseaux locaux sans fils (WLAN), que dans les RCSF ; le dbit tant en effet

un objectif secondaire pour les RCSF [23].

I.10.11. Notion de cluster

Lorganisation des nuds en clusters permet de rduire la complexit des

algorithmes de routage, doptimiser la ressource medium en la faisant grer localement par

un chef de cluster, de faciliter lagrgation des donnes, de simplifier la gestion du rseau

et en particulier laffectation des adresses, doptimiser les dpenses dnergie, et enfin de

rendre le rseau plus scalaire. Lutilisation de clusters permet aussi de stabiliser la

topologie et la gestion du rseau si les tailles de clusters sont grandes par rapport aux

vitesses de nuds mais cela ne fonctionne que dans le cas dune faible mobilit [5].

Figure I.12 : Cluster d'un RCSF [5]

I.10.12. La qualit de service

Dans diverses applications, la donne doit tre transmise dans une certaine plage

de temps. Son objectif est dvaluer la QoS dlivre par le rseau et de la maintenir grce

des oprations de contrle. Elle comprend les oprations de surveillance qui permettent de

dterminer ltat de fonctionnement du rseau travers des diffrents critres de qualit

telles que le traitement des sources de puissance, de mmoire, de bande passante et de

puissance, mais aussi les oprations de prvention et de correction qui permettent de



garantir le niveau de performances dsir. Mais dans la plupart des applications, la dure

de vie du rseau est favorise au dtriment de la qualit dmission des donnes. Les

protocoles de routage qui assurent une qualit de service prenant en compte la gestion de

lnergie, reprsentent un dfi nouveau et stimulant [23].

I.10.13. La topologie de rseau [24]

Les capteurs sont dploys dans un champ de surveillance do trois phases de

dploiements sont reprsentes :

Pr-dploiement: les nuds capteurs peuvent tre soit jet dans une masse ou

placs un par un dans le champ de dploiement.

Post-dploiement: aprs le dploiement, des changements topologiques sont

dues au changement des positions des nuds, l'accessibilit, le bruit, des

obstacles mobiles, niveau d'nergie et des dysfonctionnements. Une dfaillance

nergtique dun capteur peut changer significativement la topologie du rseau

et imposer une rorganisation coteuse de ce dernier.

Redploiement des nuds supplmentaires: d'autres nuds peuvent tre

redploy tout moment, de remplacer les nuds en panne ou adapter les

changements dune tache dynamique.

I.11. La mise en uvre des rseaux sans fil

Les WPAN et les WLAN disposent de deux modes de fonctionnement : le mode

centralis et le mode distribu ou ad hoc.

I.11.1. Le mode de fonctionnement centralis

Le mode de fonctionnement centralis est bas sur la prsence d'un nud matre

au sein du rseau qui administre les communications.

Dans le cas des WPAN (comme Bluetooth), c'est un nud qui prend en charge ce

rle de chef d'orchestre du rseau. Les autres nuds du rseau sont alors les esclaves du

nud matre : ce sont des "Piconet" (par exemple dans le cas du Bluetooth un matre peut

avoir jusqu' 7 esclaves en mode actifs et 255 esclaves en mode passif ou esclaves parked).

Les esclaves ne peuvent pas communiquer entre eux. Des rseaux plus tendus peuvent

tre crs, dits "Scatternet", o un esclave peut avoir plusieurs matres, ce qui permet de

relier entre eux des Piconet (voir la Figure I.13) [20].



Figure I.13 : Un exemple de Scatternet compos de trois Piconet [20]

Dans le cas des WLAN, un quipement spcifique se voit attribuer cette fonction,

c'est le point d'accs. Ce mode de fonctionnement permet d'avoir un rseau relativement

stable et de grer la QoS. Le point d'accs permet de contrler l'accs des stations au rseau

et de leur attribuer des ressources. En revanche, tous les nuds du rseau doivent tre 25

portes radio du point d'accs. Si le rseau doit tre plus grand que cette porte, il faut

multiplier les points d'accs : c'est le type de fonctionnement utilis dans les bureaux, les

aroports, les gares, les htels, etc [20].

I.11.2. Le mode de fonctionnement ad hoc

Les rseaux sans fil ont galement un mode de communication distribu dit ad

hoc. Ce mode correspond au cas o tous les nuds du rseau ont le mme rle et

dialoguent deux deux sans relation matre-esclave ou sans point d'accs. Ce mode est

intgr dans le fonctionnement de base des WLAN et dans certains WPAN comme le

ZigBee Mais ce mode, tel que dfini dans les standards, est limit : en t, pour dialoguer

entre eux, les nuds doivent tre porte radio, ce qui limite la couverture de tels rseaux

[8].

Ce mode de fonctionnement de base peut tre tendu par l'ajout au niveau des

nuds d'un protocole de routage qui permet aux nuds de propager les informations dans

le rseau mme s'ils ne sont pas destinataires. Cela permet au nud de se dplacer tout en

gardant une connectivit avec les autres membres du rseau : ce sont des MANET (Mobile

Ad hoc Network) [7].

Les travaux de recherche sur ces protocoles de routage sont fdrs au sein de

l'IETF17 (Internet Engineering Task Force), organisation de normalisation d'Internet. Ce

type de rseaux permet d'envisager de nombreuses applications comme la domotique, les

rseaux de capteurs, les services d'urgence en cas de destruction des infrastructures, la

coopration entre des machines de manire spontane [3].



I.12. Domaines dapplication des rseaux de capteurs

La miniaturisation des capteurs, le cot de plus en plus faible, la large gamme des types

de capteurs disponibles ainsi que le support de communication sans fil utilis, permettent aux

rseaux de capteurs de se dvelopper dans plusieurs domaines dapplication. Ils permettent aussi

dtendre les applications existantes [25].

Les rseaux de capteurs peuvent se rvler trs utiles dans de nombreuses applications

lorsquil sagit de collecter et de traiter des informations provenant de lenvironnement. Parmi

les domaines o ces rseaux peuvent offrir les meilleures contributions, on cite les domaines:

militaire, surveillance, environnemental, mdical, domestique, etc [25].

I.12.1. Applications militaires

Le faible cot et le dploiement rapide sont des caractristiques qui ont rendu les

rseaux de capteurs efficaces pour les applications militaires. Plusieurs projets ont t

lancs pour aider les units militaires dans un champ de bataille et protger les villes

contre des attaques, telles que les menaces terroristes. Le projet DSN (Distributed Sensor

Network) au DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) tait lun des

premiers projets dans les annes 80 ayant utilis les rseaux de capteurs pour rassembler

des donnes distribues [25].

I.12.2. Applications la surveillance

Lapplication des rseaux de capteurs dans le domaine de la scurit peut

diminuer considrablement les dpenses financires consacres la scurisation des lieux

et des tres humains. Ainsi, lintgration des capteurs dans de grandes structures telles

que les ponts ou les btiments aidera dtecter les fissures et les altrations dans la

structure suite un sisme ou au vieillissement de la structure. Le dploiement dun

rseau de capteurs de dtection de mouvement peut constituer un systme dalarme qui

servira dtecter les intrusions dans une zone de surveillance [26].

I.12.3. Applications environnementales

Le contrle des paramtres environnementaux par les rseaux de capteurs peut

donner naissance plusieurs applications. Par exemple, le dploiement des thermo-

capteurs dans une fort peut aider dtecter un ventuel dbut de feu et par suite faciliter

la lutte contre les feux de fort avant leur propagation. Le dploiement des capteurs

chimiques dans les milieux urbains peut aider dtecter la pollution et analyser la qualit

dair. De mme leur dploiement dans les sites industriels empche les risques industriels



tels que la fuite de produits toxiques (gaz, produits chimiques, lments radioactifs,

ptrole, etc.) [13].

I.12.4. Applications mdicales

Dans le domaine de la mdecine, les rseaux de capteurs peuvent tre utiliss

pour assurer une surveillance permanente des organes vitaux de ltre humain grce des

micro-cap

Système de supervision des réseaux de capteurs sans fil

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