à‰tat de l'art sur les réseaux de capteurs sans fil

1

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université de Béchar
Institut des sciences exactes
Département d'Informatique
Promotion : 2009/2010

Mémoire Pour l'obtention
Du Diplôme de Licence En Informatique

Etat de l'art sur les réseaux de

capteurs sans fil.

Réalisé par :

· KABOU Salaheddine

· Belgourari Abdessamed

? Encadreur : Mr. BENAHMED Khelifa.

Année Universitaire : 2009/2010

Université de Béchar
Institut des sciences exactes
Département d'Informatique

Etat de l'art sur les réseaux de

capteurs sans fil.

Kabou Salaheddine
[e-mail]

Juin 2010

3

DEDicAcEs

Merci au dieu

Je dédie ce modeste travail à tous ceux qui me sont chers au coeur

A mon cher pre Ehladj, qui m'a beaucoup aidé par son soutien et encouragement tout au long de mes études, qui m'accompagner durant tous les moments avec ses prières.

A mes chers frères et cheres soeurs

A toute la famille de prés et de loin.

A mon cher ami Abdessamed et à sa famille, je le souhaite les meilleurs voeux. A tous mes amis (ies).

A mes respectables professeurs.

A mes collègues de promotion.

A tous ceux qui m'aiment et ceux que j'aime.

A tous ceux qui comptent pour et que je compte pour eux.

Enfin à tous ceux qui sentent participant dans ma réussite, et à toute personne qui reconnaîtra son empreinte sur ce modeste travail,

Je dédie ce travail.

Que la paix d'ALLAH soit avec tous...Que dieux nous réunisse dans son vaste paradis inchALLAH.

SALAHEDDiNE

REMERCIEMENTS

Au terme de ce projet de fin d'étude et en préambule au mémoire rédigé nous tenons à adresser nos remerciements à tous les professeurs qui nous ont enseignés au cours des trois années du cursus universitaire pour l'obtention du diplôme de licence.

Nous remercions particulièrement avec gratitude tous les membres du jury qui nous ont fait l'honneur de prendre notre modeste travail en considération et en suite de le juger.

Nous exprimons notre reconnaissance et nos plus vifs remerciements à notre encadreur « Mr. BENAHMED Khelifa » pour ses conseils, son aide, pour son soutient moral et scientifique efficace et constant durant toute cette année.

Nous remercions l'administration universitaire de Béchar et nous tenons à remercier tous ceux qui nous ont prêté main forte, et ceux qui ont contribué de prés ou de loin à l'élaboration de ce travail.

SALAHEDDINE ET ABDESSAMED

SommAirE

5

DédicAcEs 03

REmErciEmENT 04

LisTE dEs FiGurEs 09

LisTE dEs TABlEAuX 11

LisTE dEs ABréviATioNs 12

INTroducTioN GéNérAlE 13

I- Généralité sur les réseaux de capteurs sans fils

I.1 Introduction 16

I.2 Les réseaux ad hoc 16

I.2.1 Description détaillé 16

I.2.2 Les problèmes de l'ad hoc 17

I.3 Les réseaux de capteurs sans fil 18

I.3.1 Définitions 18

I.3.2 Caractéristiques des RCSF 19

I.3.3 Comparaison entre les RCSF et Ad hoc 20

I.3.4 Architecture d'un capteur 20

I.3.4.1 Modèle d'un capteur 21

I.3.4.2 Description 21

I.3.5 Architecture des RCSF 22

I.3.5.1 RCSF plats 25

I.3.5.2 RCSF hiérarchiques 25

I.4 Pile protocolaire 26

I.4.1 Rôles des couches 27

I.4.2 Plan de gestion 27

I.5 Applications des RCSF 28

I.5.1 Applications orientées temps 28

I.5.2 Applications orientées événements 30

I.5.3 Applications orientées requêtes 30

I.5.4 Applications hybrides 30

I.6 Facteurs et contraintes des RCSF 31

I.6.1 Durée de vie du réseau 31

I.6.2 Ressources limitées 31

I.6.3 Bande passante limitée 31

I.6.4 Facteur d'échelle 31

I.6.5 Topologie dynamique 32

I.6.6 Agrégation de donnée 32

I.7 Conclusion 32

II Economie d'énergie, la couverture et la

connectivité dans les RCSF

II.1 Introduction 35

II.2 Consommation d'énergie dans les RCSF 35

II.2.1 Facteurs intervenants dans la consommation d'énergie 37

II.2.1.1 Etat du module radio 37

II.2.1.2 Accès au médium de transmission 38

II.2.2 Techniques de minimisation de la consommation d'énergie 40

II.2.2.1 Technique de Duty-Cycling 41

II.2.2.2 Protocoles du niveau MAC 42

II.2.2.3 Techniques orientées données 43

II.3 Connectivité du RCSF 44

II.3.1 Définition 44

II.3.2 Représentation graphique d'un réseau de capteurs sans fil 44

II.3.3 Problèmes de connectivité et les solutions dans les RCSF 46

II.3.3.1 Algorithme de détection d'un point d'un point d'articulation dans un 47

graphe unidirectionne

II.3.3.2 Algorithme d'auto-organisation 48

II.4 Couverture dans les RCSF 49

II.4.1 Définitions 49

II.4.2 K-couverture 50

II.4.3 Problème de la couverture de surface et les solutions 51

II.4.3.1 Algorithme de ZHONG.G et CHENG.J 52

II.4.3.2 Mise en veille alternative 53

7

II.5 Conclusion 53

III Le routage et la sécurité dans les RCSF

III.1 Introduction 55

III.2 Le routage dans les RCSF 55

III.2.1 Taxonomie des protocoles de routage 56

III.2.2 Exemples des protocoles de routage dans les RCSF 57

III.2.2.1 SPIN 57

III.2.2.2 Directed Diffusion 59

III.2.2.3 LEACH 63

III.2.2.4 TEEN et APTEEN 63

III.3 La sécurité dans les RCSF 64

III.3.1 Vue globale des problèmes de sécurité dans les RCSF 64

III.3.2 Attaques sur les protocoles de routage dans les RCSF 65

III.3.2.1 Attaques actives 66

III.3.2.2 Attaques passives 69

III.3.3 Les mécanismes de défense 69

III.3.3.1 La cryptographie 69

III.3.3.2 IDS 74

III.4 Conclusion 75

CoNcLusioN GENERALE 77

BiBLioGRApHiE 78

9

LIsTE DEs FIGUREs

Figure1.1 Les échanges dans les modes Infrastructures et Ad hoc 17

Figure1.2 Exemple d'un capteur 20

Figure1.3 Architecture générale d'un capteur 21

Figure1.4 Ensembles des capteurs 22

Figure1.5 Architecture d'un RCSF 23

Figure1.6 Collecter les informations à la demande 23

Figure1.7 Collecter les informations Suite à un événement 24

Figure1.8 Les types d'architecture des RCSF 24

Figure1.9 Architecture plate 25

Figure1.10 Architecture hiérarchique 26

Figure1.11 La pile protocolaire des RCSF 26

Figure1.12 Classifications des applications des RCSF 29

Figure1.13 Utilisation des RCSF dans l'agriculture 29

Figure1.14 Un service militaire utilisant les RCSF 30

Figure2.1 Modèle de consommation d'énergie 37

Figure2.2 Consommation d'énergie en acquisition, traitement, et communication 37

Figure2.3 Diagramme de transition d'état du modèle du noeud capteur 38

Figure2.4 Emission simultané d'un message (collision) 39

Figure2.5 La surécoute dans une transmission 39

Figure2.6 Classifications des techniques de conservation d'énergie 41

Figure2.7 Porté de la radio des noeuds 46

10

Figure2.8 Topologie avec le point d'articulation 46

Figure2.9 Les algorithmes proposées aux problèmes de connectivité 47

Figure2.10 (a) graphe disque unitaire et (b) arbre T générée par la première recherche en 48 profondeur

Figure2.11 Auto-organisation autour du point d'articulation 49

Figure2.12. (a) couverture d'une région. (b) couverture de point 50

Figure2.13 points 1,2,3,4-couvert 50

Figure2.14 Représentation graphique de la couverture 51

Figure2.15 Les algorithmes proposés aux problèmes de couverture 52

Figure3.1 Classification des protocoles de routage 56

Figure3.2 Le fonctionnement de SPIN 59

Figure3.3 Propagation des intérêts et établissement des gradients 60

Figure3.4 Renforcement des chemins 62

Figure3.5 Le Clustering dans un RCSF 63

Figure3.6 Classifications des problèmes dans les RCSF 64

Figure3.7 Classification des attaques sur les protocoles de routage dans les RCSF 66

Figure3.8 Attaque de «jamming>> 67

Figure3.9 Attaque « sinkhole >> 67

Figure3.10 Attaque «Wormhole>> 68

Figure3.11 Chiffrement asymétrique 70

Figure3.12 Chiffrement symétrique 70

Figure3.13 Intégrité des données 71

Figure3.14 Authentification de l'origine des données 72

Figure3.15 Signature numérique 73

Figure3.16 Architecture de base pour un IDS 75

LIsTE DEs TABLEAUx

Tableau1.1 Comparaison entre les RCSF et les réseaux Ad hoc20

LiSTS DES ABREviATioNS

>

12

RCSF : Réseau de Capteurs Sans Fil.

> WSN : Wireless Sensor Networks.

> MAN: Mobile Ad hoc Network.

> MAC: Méthode d'Accès au Canal.

> TDMA: Time Division Multiple Access.

> SPIN: Sensor Protocols for Information via Negotiation

> ADV: Adversting.

> REQ: Request.

> DD: Directed Diffusion.

> LEACH: Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy.

> TEEN: Threshod sensitive Energy Efficient Network protocol.

> ATEEN: Adaptive Threshod sensitive Energy Efficient Network protocol.

> CAM: Code d'Authentification de Message.

> IDS : Intrusion Detection System.

> CHs : Cluster Heads.

Introduction générale

Depuis quelques années, on remarque que de plus en plus d'applications multimédias sont proposées sur des périphériques éventuellement nomades (PC, Portable, Téléphone, PDA). Cependant ces applications ne sont pas capables de rendre compte de leur environnement proche (localisation, proximité géographique). Les récentes avancées technologiques dans le domaine de la micro-éléctronique ont permis la démocratisation et l'accroissement du développement de capteurs éventuellement mobiles à l'aide de moyens de communication sans-fil.Ces capteurs peuvent permettre à ce type d'application de prendre et rendre compte de leur environnement proche.Ces capteurs forment ce que n'appellent les réseaux de capteurs sans fil.

Les réseaux de capteurs ont fait naître de nombreuse problématique de recherche, de par les applications qu'ils permettent d'entrevoir et les nombreuses contraintes qu'elles supposent. Les capteurs que nous considérons sont de petits objets équipés de modules de communication et d'acquisition d'information, particulièrement contraints en énergie. Déployés sur une zone sensible à surveiller, ces objets doivent économiser leur énergie tout en observant correctement leur environnement.

L'auto configuration de ces réseaux et les mécanismes à organisation automatique est nécessaire dans des réseaux de capteurs en raison de la surveillance dans les environnements incertains et dynamiques. Une certaine attention a été donnée à se développer localisé, distribué, mécanismes de auto-configuration des réseaux de capteurs sont caractérisés par des contraintes graves d'énergie parce que les noeuds fonctionneront souvent avec les ressources finies de batterie et la recharge limitée.

Les avancées technologiques récentes confortent la présence de l'informatique et de l'électronique au coeur du monde réel. De plus en plus d'objets se voient ainsi équiper de processeurs et de moyens de communication mobiles leur permettant de traiter des informations mais également de les transmettre.Cette évolution s'inscrit dans le cadre de l'information pervasive, plus connue sous le nom d'ubiquitous computing. Un des objectifs de ce domaine est de combler le fossé entre les mondes réel et virtuel en rendant les objets <<Intelligents>>.Pour cela, ceux-ci doivent être capables de détecter un changement dans leur environnement et d'y réagir en fonction notamment des besoins de l'utilisateur.

14

Donc, notre objectif est d'économiser au maximum l'énergie et d'augmenter la durée de vie du réseau, les capteurs doivent pouvoir fréquemment alterner entre des modes de veille et des modes actifs. Une première étude théorique sur les gains en énergie potentiellement atteignables sera menée.

CHApITRE I

GENERALITE suR LEs
REsEAuX DE cApTEuRs
sANs FIL

16

I.1 Introduction

Depuis quelques années, Internet suscite un engouement croissant, tant dans les domaines de recherche, de l'éducation et celui des affaires. Ainsi, le nombre de personnes qui accèdent á Internet pour leurs travaux, leurs études ou leurs loisirs augmente considérablement, de même que les services offerts sur ce réseau (messagerie électronique, e-commerce, elearning, etc.). Cette diversité de services et d'utilisateurs est principalement due au fait qu'Internet regroupe un grand nombre de réseaux différents.

De l'autre côté, le progrès réalisé dans le domaine sans fils a contribué à l'évolution de l'Internet en facilitant l'accès aux usagers. L'évolution dans le domaine des communications sans fils et l'informatique mobile gagne de plus en plus de popularité et les composants mobiles deviennent de plus en plus fréquents (PDA, laptops, handsets). Ceci a permis l'apparition d'un nouveau type de réseaux sans fils appelé réseaux de capteurs sans fil.

Dans ce chapitre, nous présenterons les réseaux de capteurs sans fil, leurs architectures de communication, leurs applications. Nous discuterons également les principaux facteurs et contraintes qui influencent la conception des réseaux de capteurs sans fil.

I.2 Les réseaux Ad hoc

Les réseaux Ad hoc (en latin : « qui va vers ce vers quoi il doit aller », c'est-á-dire « formé dans un but précis », telle qu'une commission ad hoc, formée pour régler un problème particulier sont des réseaux sans fil capables de s'organiser sans infrastructure définie préalablement.

Les réseaux ad hoc, dans leur configuration mobile, sont connus sous le nom de MANet (pour Mobile Ad hoc NET Works) [1].

I.2.1 Description détaillée

Chaque entité ((node) noeud) communique directement avec sa voisine. Pour communiquer avec d'autres entités, il lui est nécessaire de faire passer ses données par d'autres qui se chargeront de les acheminer. Pour cela, il est d'abord primordial que les entités

se situent les unes par rapport aux autres, et soient capables de construire des routes entre elles : c'est le rôle du protocole de routage.

Ainsi, le fonctionnement d'un réseau ad hoc le différencie notablement d'un réseau comme le réseau GSM, les réseaux Wi-Fi avec des points d'accès : là où une ou plusieurs stations de base sont nécessaires à la plupart des communications entre les différents noeuds du réseau (mode Infrastructure), les réseaux ad hoc s'organisent d'eux-mêmes et chaque entité peut jouer différents rôles.

Figure1.1 Les échanges dans les modes Infrastructure et Ad-hoc [1].

L'utilisation la plus simple et la plus courante des réseaux ad hoc est faite par les réseaux sans fil Wi-Fi en permettant une mise en place rapide d'une connexion réseau entre deux ordinateurs.

I.2.2 Les problèmes de l'ad hoc

Les principaux problèmes des réseaux ad hoc, et les problématiques à gérer sont [1] :

· Absence d'infrastructure

· Bande passante limitée

· Perte de données

· Perte de routes

· Contraintes de consommation d'énergie

· Sécurité limitée

· Erreur de transmission

· Interférences

· Noeuds cachés

18

? Auto-configuration et détection d'adresses dupliquées

I.3 Les réseaux des capteurs sans fil

Grâce au progrès fait dans le domaine de la miniaturisation des systèmes de microélectro-mécanique (MEMS) et dans le marché des réseaux et des applications sans fil, s'est créée une nouvelle branche de réseaux mobile afin d'offrir des solutions économiquement intéressantes pour la surveillance à distance et le traitement des données dans des environnements complexes : les réseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor networks).

Les nouvelles technologies permettent de réduire l'encombrement, le coüt et la consommation d'énergie et d'augmenter la précision et les performances des capteurs, des processeurs et des circuits spécifiques. Un nombre très important de capteurs peut donc être envisagé, intégré et organisé en réseau.

Le capteur sans fil a été fabriqué au moyen d'une première génération de circuits commerciaux appelés <mote» en raison du système de détection à distance [2].

Le développement des ces réseaux de capteurs constitue donc très certainement une prochaine étape dans l'évolution des technologies de l'information.

I.3.1 Définitions Définition1

Les réseaux de capteurs utilisent un grand nombre de dispositifs très petits, nommés < noeuds capteurs », pour former un réseau sans infrastructure établie. Dans ces réseaux, chaque noeud est capable de détecter son environnement et de traiter l'information au niveau local ou de l'envoyer à un ou plusieurs points de collecte, à l'aide d'une connexion sans fil [3].

Définition2

Un réseau de capteurs sans fil, est un réseau composé de nombreux petits noeuds indépendants, qui peuvent s'auto organiser. Les noeuds capteurs sont de taille d'une boite de film de 35mn, se composant d'une batterie, d'une unité radio, d'une unité de capture et d'une unité de calcul [4].

Définition3

Les réseaux de capteurs sont, par définition, des systèmes à milliers de noeuds ayant une zone de couverture extrémement réduite (de l'ordre de 3m), déployés d'une manière dense dans un environnement hétérogène. De plus, chaque noeud du réseau dispose d'une réserve énergétique (ex.pile) ayant une durée de vie limitée et dont le remplacement peut s'avérer impossible [4].

I.3.2 Caractéristique des RCSF [5]

Ces réseaux sont caractérisés par :

> Les noeuds capteurs sont limités en puissance de calcul, les capacités de traitement et en taille de mémoire.

> Consommation électrique faible.

> Faible débit.

> L'absence d'infrastructure Auto configurabilité.

> Topologie dynamique à cause des changements fréquents (ajout, déplacement, suppression de capteurs à cause de défaillances ou autre,...) pour cela ils doivent s'auto-organiser.

> Evolutivité du nombre de capteurs.

> Forte densité de noeuds : Le nombre de capteurs est bien plus élevé que dans un réseau traditionnel (les capteurs sont déployés densément).

> Manque de sécurité.

20

I.3.3 Comparaison entre les RCSF et les réseaux Ad hoc

Le tableau 1.1 présente une comparaison entre les réseaux de capteurs et les réseaux ad hoc [6] :

Capteurs	Ad hoc
1. Objectif ciblé	1. Générique/ communication
2. Les noeuds collaborent pour remplir un objectif	2. Chaque noeud a son propre objectif		3. Flot de données «many-to-one»
3. Flot «Any-to-many»
4. Energie est un facteur déterminant	4. Débit est un majeur
5. Utilisation du broadcast	5. Communication point á point

Tableau1.1 Comparaison entre les RCSF et les réseaux Ad hoc.

I.3.4 Architecture d'un capteur

Figure1.2 ( [ H' SUeTOIKnTRSIIKILI

1.3.4.1 Modèle d'un capteur [7]

Les capteurs que l'on trouve actuellement sur le marché sont composés en règle générale de la façon suivante (Fig. 1.3) : un noyau central auquel viennent se greffer différents composants. Un capteur (Mote) est composé d'un processeur, une mémoire pour les données et une mémoire système (RAM et Flash), d'une radio dotée d'une antenne, d'une batterie et de détecteurs (capteur) dotés d'une diode électroluminescente (LED) et d'une interface [Wiki, 2006].

Figure1.3 Architecture générale d'un capteur

1.3.4.2 Description [7]

L1
_· Mote, processeur, RAM et Flash : On appelle généralement Mote la carte physique utilisant le système d'exploitation pour fonctionner. Celle-ci a pour coeur le bloc constitué du processeur et des mémoires RAM et Flash. Get ensemble est à la base du calcul binaire et du stockage, temporaire pour les données et définitif pour le système d'exploitation.

? Radio et Antenne : Un capteur est conçu pour mettre en place des réseaux sans fils, les équipements étudiés sont donc généralement équipés d'une radio ainsi que d'une antenne afin de se connecter à la couche physique que constitue les émissions hertziennes.

L1
_· LED, Interface, capteur : Prévus pour mettre en place des réseaux de capteurs, on retrouve donc des équipements bardés de différents types de détectrices et autres entrées.

22

?? Batterie : Comme tout dispositif embarqué, ils disposent d'une alimentation autonome telle qu'une batterie, et parfois d'un panneau solaire pour permettre de recharger cette batterie, ce qui lui permet d'être disposé dans un endroit parfois inaccessible.

Cependant quelques différences existent suivants les fabricants, chacun d'eux développe son type de capteurs, ces types peuvent être mica, mica2, ou telosb par exemple.

Figure14 Ensembles des capteurs.

I.35 Architecture des RCSF

Les noeuds de ce type des réseaux consistent en un grand nombre de micro-capteurs capables de récolter et de transmettre des données environnementales d'une manière autonome. La position de ces noeuds n'est pas obligatoirement prédéterminée. Ils sont dispersés aléatoirement à travers une zone géographique, appelée champ de captage, qui définit le terrain d'intérêt pour le phénomène capté. Les données captées sont acheminées grâce à un routage multi-saut à un noeud considéré comme « un point de collecte », appelé noeud puits (ou sink). Ce dernier peut être connecté à l'utilisateur du réseau via Internet ou un satellite. Ainsi, l'usager peut adresser des requêtes aux autres noeuds du réseau, précisant le type de données requises et récolter les données environnementales captées par le biais du noeud puits [8].

Figure1.1 $ U4 uT &6) . [9]

Collecter les informations

Il y a deux méthodes pour collecter les informations d'un réseau de capteurs.

Figure1.6 Collecter les informations à la demande. [10]

24

Lorsque l'on souhaite avoir l'état de la zone de couverture à un moment T, le puits émet des brodcasts vers toute la zone pour que les capteurs remontent leur dernier relevé vers le puits. Les informations sont alors acheminées par le biais d'une communication multi-sauts.

Suite à un événement

Figure1.7 Collecter les informations Suite à un événement. [10]

Un événement se produit en un point de la zone de couverture (changement brusque de température, mouvement...), les capteurs situés à proximité remontent alors les informations relevées et les acheminent jusqu'au puits.

Il existe deux types d'architectures pour les réseaux de capteurs sans fil

Figure1.8 Les types d'architecture des RCSF

I.3.5.1 Les réseaux de capteurs sans fil plats :

Un réseau de capteurs sans fil plat est un réseau homogène, ou tous les noeuds sont identiques en termes de batterie et de complexité du matériel, excepté le Sink qui joue le rôle d'une passerelle et qui est responsable de la transmission de l'information collectée à l'utilisateur final. Selon le service et le type de capteurs, une densité de capteurs élevée (plusieurs noeuds capteurs/m2) ainsi qu'une communication multi-saut peut être nécessaire pour l'architecture plate. En présence d'un très grand nombre de noeuds capteurs, la scalabilité devient critique. Le routage et le contrôle d'accès au médium (MAC) doivent gérer et organiser les noeuds d'une manière très efficace en termes d'énergie.

Figure1.9 Architecture plate [11]

I.3.5.2 Les réseaux de capteurs hiérarchiques :

Une architecture hiérarchique était proposée pour réduire le coût et la complexité de la plus part des noeuds capteurs en introduisant un ensemble de noeuds capteurs plus coüteux et plus puissant, ceci en créant une infrastructure qui décharge la majorité des noeuds simples a faible coüt de plusieurs fonctions du réseau. L'architecture hiérarchique est composée de multiples couches : une couche de capteurs, une couche de transmission et une couche de point d'accès.

26

Figure1.10 Architecture hiérarchique [11]

I.4. Pile protocolaire

Le rôle de ce modèle consiste à standardiser la communication entre les composants du réseau afin que différents constructeurs puissent mettre au point des produits (logiciels ou matériels) compatibles. Ce modèle comprend 5 couches qui ont les mêmes fonctions que celles du modèle OSI ainsi que 3 couches pour la gestion de la puissance d'énergie, la gestion de la mobilité ainsi que la gestion des tâches (interrogation du réseau de capteurs). Le but d'un système en couches est de séparer le problème en différentes parties (les couches) selon leur niveau d'abstraction. Chaque couche du modèle communique avec une couche adjacente (celle du dessus ou celle du dessous). Chaque couche utilise ainsi les services des couches inférieures et en fournit à celle de niveau supérieur [9].

Figure1.11 La pile protocolaire des RCSF [9]

I.4.1 Rôle des couches [9]

> La couche physique : Spécifications des caractéristiques matérielles, des fréquences porteuses, etc.

> La couche liaison : Spécifie comment les données sont expédiées entre deux noeuds/routeurs dans une distance d'un saut. Elle est responsable du multiplexage des données, du contrôle d'erreurs, de l'accès au media,... Elle assure la liaison point à point et multi-point dans un réseau de communication.

> La couche réseau : Dans la couche réseau le but principal est de trouver une route et une transmission fiable des données, captées, des noeuds capteurs vers le puits "sink" en optimisant l'utilisation de l'énergie des capteurs. Ce routage diffère de celui des réseaux de transmission ad hoc sans fils par les caractéristiques suivantes:

· il n'est pas possible d'établir un système d'adressage global pour le grand nombre de noeuds.

· les applications des réseaux de capteurs exigent l'écoulement des données mesurées de sources multiples à un puits particulier.

· les multiples capteurs peuvent produire de mêmes données à proximité d'un phénomène (redondance).

· les noeuds capteur exigent ainsi une gestion soigneuse des ressources. En raison de ces différences, plusieurs nouveaux algorithmes ont été proposés pour le problème de routage dans les réseaux de capteurs.

> La couche transport : Cette couche est chargée du transport des données, de leur découpage en paquets, du contrôle de flux, de la conservation de l'ordre des paquets et de la gestion des éventuelles erreurs de transmission.

> La couche application : Cette couche assure l'interface avec les applications.

Il s'agit donc du niveau le plus proche des utilisateurs, géré directement par les logiciels.

I.4.2 Plans de gestion [9]

Les plans de gestion d'énergie, de mobilité et de tâche contrôlent l'énergie, le mouvement et la distribution de tâche au sein d'un noeud capteur. Ces plans aident les noeuds capteurs à coordonner la tâche de captage et minimiser la consommation d'énergie. Ils sont donc nécessaires pour que les noeuds capteurs puissent collaborer ensemble, acheminer les

28

données dans un réseau mobile et partager les ressources entre eux en utilisant efficacement l'énergie disponible. Ainsi, le réseau peut prolonger sa durée de vie.

> Plan de gestion d'énergie : contrôle l'utilisation de la batterie. Par exemple, après la réception d'un message, le capteur éteint son récepteur afin d'éviter la duplication des messages déjà reçus. En outre, si le niveau d'énergie devient bas, le noeud diffuse à ses voisins une alerte les informant qu'il ne peut pas participer au routage. L'énergie restante est réservée au captage.

> Plan de gestion de mobiité : détecte et enregistre le mouvement du noeud capteur. Ainsi, un retour arrière vers l'utilisateur est toujours maintenu et le noeud peut garder trace de ses noeuds voisins. En déterminant leurs voisins, les noeuds capteurs peuvent balancer l'utilisation de leur énergie et la réalisation de tâche.

> Plan de gestion de tâche : balance et ordonnance les différentes tâches de captage de données dans une région spécifique. Il n'est pas nécessaire que tous les noeuds de cette région effectuent la tâche de captage au même temps ; certains noeuds exécutent cette tâche plus que d'autres selon leur niveau de batterie.

I.5. Applications des RCSF

Les réseaux de capteurs sans fil ont été classés parmi les 21 technologies les plus importantes du 21éme siècle [12]. En effet, la recherche dans le domaine des capteurs est en train de vivre une révolution importante, ouvrant des perspectives d'impacts significatifs dans de nombreux domaines. Ainsi, nous classifions les applications des RCSF en quatre classes d'applications : orientées temps (time driven), orientées événements (event driven), orientées requêtes (query driven) et hybride [13].

I.5.1 Applications orientées temps

Cette classe représente les applications où l'acquisition et la transmission des données capturées sont liées au temps : instant précis, période d'acquisition. Cette période d'acquisition peut être plus au moins longue selon l'application (de quelques secondes jusqu'à quelques heures voire des jours). Ainsi, la quantité de données échangée dans le réseau dépend de la périodicité des mesures à effectuer sur l'environnement local. La collecte de données environnementales peut représenter un bon exemple de cette classe d'application dans des domaines variés : agriculture, expérimentation scientifique, etc. [14].

Figure1.13 Utilisation des RCSF dans l'agriculture.

30

I.5.2 Applications orientées événements

Dans ce cas, les capteurs envoient leurs données seulement si un événement spécifique se produit. On peut citer l'exemple de surveillance des feux dans les forets où un capteur envoi des alarmes à la station de base dés que la température dépasse un certain seuil. Au départ, cette classe d'application était conçue à des fins militaires, comme la surveillance du déplacement d'objets dans le champ de bataille. Par la suite, cette classe a rapidement trouvé, de nouvelles perspectives comme le contrôle industriel, le contrôle médical des patients, la surveillance d'édifices (barrages, ponts, voies de chemins de fer, etc.) [15].

Figure 1.14 Un service militaire utilisant les RCSF

I.5.3 Applications orientées requêtes

Dans ce cas, un capteur envoi de l'information uniquement suite à une demande explicite de la station de base. Cette classe d'application est destinée aux applications adaptées à l'utilisateur. Ce dernier peut requérir des informations à partir de certaines régions dans le réseau ou interroger les capteurs pour acquérir des mesures d'intérêts. Dans ce cas, des connaissances sur la topologie du réseau et l'emplacement des capteurs sont nécessaires [14].

I.5.4 Applications hybrides

Ce type d'application met en oeuvre les trois modes de fonctionnement décrits précédemment. Par exemple, dans un réseau conçu pour le suivi d'objets, le réseau peut combiner entre un réseau de surveillance (time driven) et un réseau de collecte de données par événements (event driven). Par exemple, pendant les longues périodes d'inactivité des

capteurs et lorsque aucun objet n'est présent, le réseau peut assurer une fonction de surveillance [14].

I.6. Facteurs et contraintes des RCSF [14].

La conception et la réalisation des réseaux de capteurs sans fil sont influencées par plusieurs paramètres. Ces facteurs servent comme directives pour le développement des algorithmes et protocoles utilisés dans les RCSF.

I.6.1 Durée de vie du réseau

C'est l'intervalle de temps qui sépare l'instant de déploiement du réseau de l'instant où l'énergie du premier noeud s'épuise. Selon l'application, la durée de vie exigée pour un réseau peut varier entre quelques heures et plusieurs années.

I.6.2 Ressources limitées

En plus de l'énergie, les noeuds capteurs ont aussi une capacité de traitement et de mémoire limitée. En effet, les industriels veulent mettre en oeuvre des capteurs simples, petits et peu coûteux qui peuvent être achetés en masse.

I.6.3 Bande passante limitée

Afin de minimiser l'énergie consommée lors de transfert de données entre les noeuds, les capteurs opèrent à bas débit. Typiquement, le débit utilisé est de quelques dizaines de Kb/s. Un débit de transmission réduit n'est pas handicapant pour un réseau de capteurs où les fréquences de transmission ne sont pas importantes.

I.6.4 Facteur d'échelle

Le nombre de noeuds déployés pour une application peut atteindre des milliers. Dans ce cas, le réseau doit fonctionner avec des densités de capteurs très grandes. Un nombre aussi

32

important de noeuds engendre beaucoup de transmissions inter nodales et nécessite que la station de base soit équipée de mémoire suffisante pour stocker les informations reçues [16].

I.6.5 Topologie dynamique

La topologie des réseaux de capteurs peut changer au cours du temps pour les raisons suivantes :

· Les noeuds capteurs peuvent être déployés dans des environnements hostiles (champ de batail par exemple), la défaillance d'un noeud capteur est, donc très probable.

· Un noeud capteur peut devenir non opérationnel à cause de l'expiration de son énergie.

· Dans certaines applications, les noeuds capteurs et les stations de base sont mobiles.

I.6.6 Agrégation de donnée

Dans les réseaux de capteurs, les données produites par les noeuds capteurs voisins sont très corrélées spatialement et temporellement. Ceci peut engendrer la réception par la station de base d'informations redondantes. Réduire la quantité d'informations redondantes transmises par les capteurs permet de réduire la consommation d'énergie dans le réseau et ainsi d'améliorer sa durée de vie. L'une des techniques utilisée pour réduire la transmission d'informations redondantes est l'agrégation des données. Avec cette technique, les noeuds intermédiaires agrégeant l'information reçue de plusieurs sources. Cette technique est connue aussi sous le nom de fusion de données.

I.7 Conclusion

Les réseaux de capteurs sans fil présentent un intérêt considérable et une nouvelle étape dans l'évolution des technologies de l'information et de la communication. Cette nouvelle technologie suscite un intérêt croissant vu la diversité de ces applications : santé, environnement, industrie et même dans le domaine sportif.

Dans ce premier chapitre, nous avons présenté les réseaux de capteurs sans fil, leurs architectures de communication, la pile protocolaire des capteurs et leurs diverses applications. Cependant, nous avons remarqué que plusieurs facteurs et contraintes compliquent la gestion de ce type de réseaux. En effet, les réseaux de capteurs se caractérisent par une capacité énergétique limitée rendant l'optimisation de la consommation d'énergie dans des réseaux pareils une tâche critique pour prolonger la durée de vie du réseau.

CHApITRE II

34

L'ÉcoNoMiE D'ÉNERGiE,

LA CouvERTuRE ET LA

CoNNECTIvITÉ DANS LES

RCSF

II.1 Introduction

Les capteurs sont conçus pour fonctionner durant des mois voire des années. Ainsi, la capacité énergétique des capteurs doit titre utilisée efficacement afin de maximiser la durée de vie du réseau. A noter qu'une fois qu'un noeud capteur a épuisé son énergie, il est considéré comme défaillant. Ainsi, il y a une forte probabilité de perdre la connectivité du réseau.

Dans ce chapitre, nous décrirons la problématique de la consommation d'énergie, ainsi les problèmes concernent la couverture et la connectivité dans les réseaux de capteurs. Nous présenterons aussi les principales solutions proposées dans la littérature pour ces problèmes

II.2 Consommation d'énergie dans les RCSF

L'énergie consommée par un noeud capteur est due essentiellement aux opérations suivantes : la capture, le traitement et la communication de données [17].

Energie de capture

L'énergie de capture est dissipée pour accomplir les tâches suivantes : échantillonnage, conversion analogique/numérique et activation de la sonde du capture. En général, l'énergie de capture représente un faible pourcentage de l'énergie totale consommé par un noeud.

Energie de traitement

L'énergie de traitement se divise en deux parties : l'énergie de commutation et l'énergie de fuite. L'énergie de commutation est déterminée par la tension d'alimentation et la capacité totale commutée au niveau logiciel (en exécutant un logiciel).

Par contre l'énergie de fuite correspond à l'énergie consommée lorsque l'unité de calcul n'effectue aucun traitement. En général, l'énergie de traitement est faible par rapport à celle nécessaire pour la communication.

36

Energie de communication

L'énergie de communication se décline en deux parties :

L'énergie de réception et l'énergie de l'émission. Cette énergie est déterminée par la quantité des données à communiquer et la distance de transmission, ainsi que par les propriétés physiques du module radio. L'émission d'un signal est caractérisée par sa puissance.

Quand la puissance d'émission est élevée, le signal aura une grande portée et l'énergie consommée sera plus élevée. Notons que l'énergie de communication représente la portion la plus grande de l'énergie consommée par un noeud capteur.

Modèle de consommation d'énergie

Heinzelman et al [17] proposent un modèle radio de consommation d'énergie (voir figure). Ainsi, les énergies nécessaires pour émettre ETx(s,d) et recevoir ERx(s) des messages sont données par :

. Pour émettre un message de s bits vers un récepteur loin de d mètres, l'émetteur consomme:

ETx(s, d) = ETx elec(s) + ETx amp(s, d)
ETx(s, d) = (Eelec * s) + ( Eamp * s *d² )

. Pour recevoir un message de s bit, le récepteur consomme :

ERx(s) = ERx elec(s)
ERx(s) = Eelec * s

Eelec et Eamp représentent respectivement l'énergie de transmission électronique et d'amplification (voire figure 2.1).

Figure2.1 Modèle de consommation d'énergie.

L'histogramme présenté par la figure 1.23, illustre la consommation de l'énergie par les différentes unités d'un noeud capteur.

Figure2.2 Consommation d'énergie en acquisition, traitement, et communication. [8]

II.2.1 Facteurs intervenants dans la consommation d'énergie II.2.1.1 Etat du module radio

Le module radio est le composant du noeud capteur qui consomme le plus d'énergie, puisque c'est lui qui assure la communication entre les noeuds. On distingue quatre états des composants radio (transmetteur et récepteur) : actif, réception, transmission et sommeil [18]:

? _?Etat actif (run) : la radio est allumée, mais elle n'est pas employée. En d'autres

termes, le noeud capteur n'est ni en train de recevoir ni de transmettre. Cet état

provoque une perte de l'énergie suite à l'écoute inutile du canal de transmission.

38

Pour éviter cette perte d'énergie, un capteur doit s'activer qu'en cas de nécessitée, et le reste du temps il doit se mettre dans l'état sommeil.

n Etat sommeil : la radio est mise hors tension.

n Etat transmission : la radio transmet un paquet.

n Etat réception : la radio reçoit un paquet.

Figure2.3 Diagramme de transition d'état du mod~le du noeud capteur [7]

Il est aussi à noter que le passage fréquent de l'état actif à l'état sommeil peut avoir comme conséquence une consommation d'énergie plus importante que de laisser le module radio en mode actif. Ceci est dû á la puissance nécessaire pour la mise sous tension du module radio. Cette énergie est appelée l'énergie de transition. Il est ainsi souhaitable d'arrêter complètement la radio plutôt que de transiter dans le mode sommeil.

II.2.1.2 Accès au medium de transmission

La sous couche MAC assure l'accès au support de transmission, la fiabilité de transmission, le contrôle de flux, la détection d'erreur et la retransmission des paquets.

Puisque les noeuds partagent le même médium de transmission, la sous-couche MAC joue un rôle important pour la coordination entre les noeuds et la minimisation de la consommation d'énergie. En effet, minimiser les collisions entre les noeuds permet de réduire la perte d'énergie. [13]

· La retransmission

Les noeuds capteurs possèdent en général une seule antenne radio et partagent le méme canal de transmission. Par ailleurs, la transmission simultanée des données provenant de plusieurs capteurs peut produire des collisions et ainsi une perte de l'information transmise.

La retransmission des paquets perdus peut engendrer une perte significative de l'énergie.

· L'écoute active

L'écoute active (idle listening) du canal pour une éventuelle réception de paquet qui ne sera pas reçu peut engendrer une perte importante de la capacité des noeuds en énergie. Pour éviter ce problème, il faut basculer les noeuds dans le mode sommeil le plus longtemps possible.

· La surécoute

Le phénomène de surécoute (overhearing) se produit quand un noeud reçoit des paquets qui ne lui sont pas destinés (voir figure 2.5). La surecoute conduit à une perte d'énergie additionnelle à cause de l'implication des autres capteurs dans la réception des données.

Figure2.5 La surécoute dans une transmission [14].

40

? La surcharge

Plusieurs protocoles de la couche MAC fonctionnent par échange de messages de contrôle (overhead) pour assurer différentes fonctionnalités : signalisation, connectivité, établissement de plan d'accès et évitement de collisions. Tous ces messages nécessitent une énergie additionnelle.

? La surémission

Le phénomène de surémission (overemitting) se produit quand un noeud capteur envoie les données à un destinataire qui n'est pas prêt à les recevoir. En effet, les messages envoyés sont considérés inutiles et consomment une énergie additionnelle

? La taille des paquets

La taille des messages échangés dans le réseau a un effet sur la consommation d'énergie des noeuds émetteurs et récepteurs. Ainsi, la taille des paquets ne doit être ni trop élevée ni trop faible. En effet, si elle est petite, le nombre de paquets de contrôle (acquittement) généré augmente l'overhead.

Dans le cas contraire, une grande puissance de transmission est nécessaire pour des paquets de grande taille [14].

II.2.2 Techniques de minimisation de la consommation d'énergie

Des mesures expérimentales ont montré que, généralement, c'est la transmission des données qui est la plus consommatrice en énergie, et de façon significative, les calculs, eux, consomment très peu [19]. La consommation d'énergie du module de détection dépend de la spécificité du capteur. Dans de nombreux cas, elle est négligeable par rapport à l'énergie consommée par le module de traitement et, par dessus tout, le module de communication.

Le graphe suivant classifie quelques techniques de minimisation de la consommation d'énergie.

Figure2.6 Classifications des techniques de conservation d'énergie

Cette technique est principalement utilisée dans l'activité réseau. Le moyen le plus efficace pour conserver l'énergie est de mettre la radio de l'émetteur en mode veille (low-power) à chaque fois que la communication n'est pas nécessaire. Idéalement, la radio doit être éteinte dès qu'il n'y a plus de données à envoyer et ou à recevoir, et devrait être prête dès qu'un nouveau paquet de données doit etre envoyé ou reçu. Ainsi, les noeuds alternent entre périodes actives et sommeil en fonction de l'activité du réseau. Ce comportement est généralement dénommé Duty-cycling. Un Duty-cycle est défini comme étant la fraction de temps où les noeuds sont actifs ITE].

1717171=S1=171 EEM

Comme mentionné précédemment, un régime sleep/wakeup peut être défini pour un composant donné (i.e. le module Radio) du noeud capteur.

Les protocoles sleep/wakeup sont divisés en deux grandes catégories : à la demande, rendez-vous programmés.

42

· Les protocoles à la demande utilisent l'approche la plus intuitive pour la gestion d'énergie. L'idée de base est qu'un noeud devrait se réveiller seulement quand un autre noeud veut communiquer avec lui. Le problème principal associé aux régimes à la demande est de savoir comment informer un noeud en sommeil qu'un autre noeud est disposé à communiquer avec lui. À cet effet, ces systèmes utilisent généralement plusieurs radios avec différents compromis entre énergie et performances (i.e. un radio à faible débit et à faible consommation pour la signalisation, et un radio à haut débit mais à plus forte consommation pour la communication de données). Le protocole STEM (Sparse Topology and Energy Management) [21] par exemple utilise deux radios.

· Une autre solution consiste à utiliser une approche de rendez-vous programmés. L'idée est que chaque noeud doit se réveiller en méme temps que ses voisins. Typiquement, les noeuds se réveillent suivant un ordonnancement de réveil et restent actifs pendant un court intervalle de temps pour communiquer avec leurs voisins. Ensuite, ils se rendorment jusqu'au prochain rendez-vous.

II.2.2.2 Protocoles du niveau MAC [20]

Plusieurs protocoles MAC pour les réseaux de capteurs sans fil ont été proposés, Nous nous concentrons principalement sur les questions de gestion d'énergie. La plupart d'entre eux mettent en oeuvre un régime avec un faible duty-cycle pour gérer la consommation d'énergie.

Protocoles MAC reposant sur TDMA

Dans les protocoles MAC fondés sur la méthode TDMA (Time Division Multiple Access) le temps est divisé en trames (périodiques) et chaque trame se compose d'un certain nombre de slots de temps. A chaque noeud est attribué un ou plusieurs slots par trame, selon un certain algorithme d'ordonnancement. Il utilise ces slots pour l'émission/réception de paquets de/vers d'autres noeuds. Dans de nombreux cas, les noeuds sont regroupés pour former des clusters avec un clusterhead qui est chargé d'attribuer les slots de temps pour les noeuds de son cluster (par exemple: Bluetooth, LEACH.) [20].

Les protocoles TDMA sont par nature efficaces en énergie, puisque les noeuds n'allument leur radio que lors de leurs propres slots et s'endorment le reste du temps.

Toutefois, dans la pratique, les protocoles TDMA ont plusieurs inconvénients qui compensent les avantages en terme d'économie d'énergie. .

En effet, dans un véritable réseau de capteurs, les changements de topologie sont fréquents (conditions variables du canal, défaillances de noeuds, . . .) et la répartition des slots peut être problématique donc dans de nombreux cas une approche centralisée peut être adoptée (LEACH).

II.2.2.3 Techniques orientées données

Généralement, les plans Duty-cycling ne tiennent pas compte des données prélevées par les noeuds. Par conséquent, des approches orientées données peuvent être utiles pour améliorer l'efficacité en énergie. En fait, la détection (ou prélèvement de données) affecte la consommation d'énergie de deux manières [20] :

Des échantillons inutiles : les données échantillonnées ont souvent de fortes corrélations spatiales et/ou temporelle [22], il est donc inutile de communiquer les informations redondantes à la Station de Base. Un échantillonnage inutile implique une consommation d'énergie à son tour inutile. En effet, même si le coût de l'échantillonnage est négligeable, cela induit aussi des communications tout le long du chemin qu'emprunte le message.

La consommation électrique du module de détection : réduire la communication ne suffit pas lorsque le capteur est lui-même très consommateur.

Réduction des données [20]

Réduire les données en terme de volume ou de nombre de paquets, dans le réseau peut avoir un impact majeur sur la consommation d'énergie due à la communication. Parmi les méthodes de réductions de données, nous trouvons le In-network processing qui consiste à réaliser de l'agrégation de données (par exemple, calculer la moyenne de certaines valeurs) au niveau des noeuds intermédiaires entre la source et le Sink. Ainsi, la quantité de données est réduite tout en parcourant le réseau vers le Sink. Une agrégation de données appropriée est spécifique à l'application.

La compression de données peut être appliquée également pour réduire la quantité d'informations transmises par les noeuds sources. Ce régime implique l'encodage

44

d'informations au niveau des noeuds qui engendrent des données, et le décodage au niveau du Sink.

II.3 Connectivité du RCSF

La connectivité est un problème majeur dans les réseaux de capteurs (composés d'entités fixes ou mobiles).

II.3.1 Définition

Un réseau de capteur est dit connecté si et seulement s'il existe au moins une route entre chaque paire de noeud [23].

La connectivité dépend essentiellement de l'existence des routes. Elle est affecté par les changements de topologie dus à la mobilité, la défaillance des noeuds, les attaques, etc....

Ce qui a pour conséquence : la perte des liens de communication, l'isolement des noeuds, le partitionnement du réseau,...etc.

Bien comprendre la connectivité d'un réseau permet d'adapter les mécanismes de communication afin d'assurer le bon fonctionnement des applications.

Ainsi, la découverte du voisinage d'un noeud capteur est un élément important. Dans leur activité périodique, les pertes de connectivité sont principalement dues à la mobilité des noeuds et aussi aux mécanismes liés à l'économie d'énergie.

La densité élevée des noeuds dans les réseaux de capteur les empêche d'être complètement isolés les uns des autres. Par conséquent, il est exigent que les noeuds de capteurs soient fortement connectés.

On peut considérer un réseau de capteurs sans fil de communication à saut multiple, où tous les noeuds coopèrent dans le but d'assurer des communications entre chacun.

II.3.2 Représentation graphique d'un réseau de capteurs sans fil

Un réseau de capteurs sans fil peut être représenté de la manière suivante :

Soit un graphe G = (V, E) représentant le RCSF, avec V l'ensemble des noeuds et E est inclus à V² les arcs donnant les communications directes possibles : (u, v) appartient à E si et seulement si u peut envoyer directement un message à v (on dit alors que v est voisin de u).

Les couples appartenant à E dépendent de la position des noeuds et de leur porté de communication. Nous prenons l'hypothèse que la portée R de chaque noeud est identique. Soit d (u, v) la distance entre les noeuds u et v. l'ensemble E peut être défini comme suit [24] :

E = {(u, v) appartient à V²dist (u, v) =R}.

Ce graphe est connu sous le nom de graphe disque unitaire [25], avec R comme rayon de transmission. Dans ce graphe, G = (V, E) nous définissons n= | V | comme le nombre de noeuds dans le réseau. Le voisinage N(u) d'un noeud u représente l'ensemble des noeuds voisins de u, défini par {v(u,v) E}.

Un graphe G est dit a k-(arc) connectés s'il y a au moins k disjoint chemins entre deux noeuds quelconque, v appartient V. la connectivité est une mesure de tolérance aux fautes ou de diversité de chemins dans le réseau.la 1- connectivité est une condition fondamentale pour que le réseau soit opérationnel. En effet la connectivité d'un réseau s'exprime de la façon suivante [26] :

Où :

· R est le rayon de transmission d'un noeud.

· N le nombre de noeuds situé dans l'aire A.

· A l'aire de calcul.

Exemple [4]

Modélisation de la connectivité dans un réseau de capteurs sans fil.

· Soit un déploiement de N capteurs, uniformément distribués dans une zone de taille S.

· Deux noeuds capteurs n1 et n2 de coordonnées respectives (x1,y1) et (x2 ,y2), seraient reliés si et seulement si d(n1,n2)=R d, étant la distance euclidienne, elle est définie par la formule suivante [20] :

d(n1,n2) =((x1 #177;x2 )² +(y1 #177;y2 )2)1/2

46

Figure2.7 Porté de la radio des noeuds

II.3.3 Problèmes de connectivité et les solutions dans les RCSF

A cause de déploiement aléatoire des noeuds, il existe des noeuds critiques influents sur la connectivité du réseau lorsqu'elles tombent en panne, par conséquent impossibilité de trouver une route entre une source et une destination.

Figure2.8 Topologie avec le point d'articulation [27]

Le graphe suivant simplifie deux algorithmes :

47

II.3.3.1 Algorithme de Détection d'un point d'articulation dans un graphe unidirectionnel [27]

Données : G (V, E).

Résultat : Ensemble de points d'articulation

n parcourir le graphe G afin de générer arbre T, (les arcs de retour sont représentés par lignes pointées).

n un noeud x n'est pas un point d'articulation si ce dernier n'admet un successeur, ou si chaque successeur admet un descendant qui admet arc de retour vers un prdcesseur de x dans l'arbre.

n cas particulier la racine est un point d'articulation si ce dernier admet plus d'un successeur dans l'arbre.

II.3.3.2 $ 0I41%1CP 1109u%I-organisation [27]

Données : G(V,E), avec l'ensemble des points d'articulations prcdemment dtectes

Résultat : G(V, E), avec un ensembles des points d'articulations r~duits, G devient au moins biconnectée

Pour tout point d'articulation (AP) faire

n si le point d'articulation AP admet un voisin redondant Alors le tourner et aller vers AP (pas 1).

n sinon rechercher des voisins de AP à un saut.

o si les voisins ont des noeuds redondants, sPlectionner au moins un noeud avec

la plus grande capacité d'énergie et le déplacer vers les coordonnés (x, y) de

AP ou augmenter sa porté de radio (communication) Aller à (pas 1). o sinon «pas de solution pour AP»; aller pas 1.

Fin pour

49

Get algorithme est appliquée afin d'auto-organise le réseau et augmente la connectivité autour du point d'articulation.

Figure2.11 Auto-organisation autour du point d'articulation

II.4 Couverture dans les RCSF

II.4.1 Définitions

1. Couverture : c'est la surface totale se trouvant en dessous de la porté de capture des données au moins d'un noeud [28].

2. Couverture d'un point : on dit qu'un capteur Si couvre un point q si et seulement si la distance d(q, si ) = ri.

3. Couverture d'une région : on dit qu'un capteur Si couvre une région A si et seulement si pour chaque point q dans A , la distance d(q, si ) = ri [29].

Figure2.12. (a) couverture d'une région. (b) couverture de point [8].

II.4.2 K-couverture Définition

Soit un réseau de capteurs constitue de n capteurs et une région d'intérêt A, On dit qu'on a une K-couverture si et seulement si les deux conditions suivantes sont vérifies [30,31] :

· Satisfaction des conditions de couverture pour un maximum de temps de la vie du réseau.

· Chaque point q dans A est couvert par au moins k distinctes capteur.

Figure2.13 points 1,2,3,4-couvert.

51

Remarque :

On remarque que le noeud rouge est couvert par les trois S. Alors on dit que le noeud rouge est bien couvert par apport aux autres noeuds.

II.4.3 Problème de la couverture de surface et les solutions

Le problème de la couverture de surface consiste à décider de l'activité des noeuds, qui peuvent être en état actif ou de veille, tout en conservant une couverture aussi complète que possible de la zone sur laquelle le réseau a été déployé.

Algorithme de ZHONG.G et CHENG.J [38]

· Tous les noeuds sont en mode passif.

· Chaque capteur s'active pour envoyer un message de sondage.

· Tous les noeuds actifs dans un rayon de communication Rc (identique pour chaque noeud) le reçoivent.

· Chacun observe alors si sa distance par rapport à l' MINIM
inferieure à une distance Rs, egalement identique pour chaque noeud.

o _EmiThir[NI mtNIml1$1111171nrimifNIieuNIeilm rtNI mi17

à l'emetteur, lui permettant ainsi de repasser en mode passif.
o Sinon, aucun message n'est envoye et le capteuNI rirNI

decide devenir actif. Il le reste alors jusqu'à epuisement total de

imilieNImT

53

Mise en veille alternative [38]

n Dans une première phase de découverte du voisinage, des messages HELLO sont ~mis tour à tour par chacun des noeuds

· Ensuite, chacun dcide d'un temps d'attente alpatoire au bout duquel il calcule la couverture fournie par ses voisins.

· S'il dPcide de rester actif, aucun message n'est envoyp.

· en cas de couverture totale de sa propre zone de surveillance, il dcide d'être inactif et envoie un message de retrait à ses voisins Ceux n'ayant pas encore dPcid~ mettent à jour leur table de voisinage.

Les résultats validés ont montré que cet algorithme permet de diminuer consid~rablement le nombre de noeuds actifs tout en conservant une couverture totale du réseau.

II.5 Conclusion

Contrairement aux réseaux traditionnels qui se préoccupent de garantir une bonne qualité de service, les réseaux de capteurs doivent, en plus, donner de l'importance à la conservation d'énergie. Ils doivent intégrer des mécanismes qui permettent aux utilisateurs de prolonge la durée de vie du réseau en entier, car chaque noeud est alimenté par une source d'énergie limitée et généralement irremplaçable.

Par conséquent on peut dire que les grands problèmes qui limitent les RCSF sont, le problème de la connectivité et de la couverture, contrainte d'énergie et la panne des noeuds capteurs.

Nous avons également étudié les travaux existants et des solutions proposées pour les problèmes de la couverture d'un réseau de capteurs.

CHApITRE III

LE RouTAGE ET LA

sECuRITE DANs LEs

REsEAuX DE CApTEuRs

sANs FIL

55

III.1 Introduction

Les protocoles de routage au sein des WSN sont influencés par un facteur déterminant à savoir : la minimisation de la consommation d'énergie sans une perte considérable de l'efficacité. Dans les réseaux de capteurs, chaque noeud joue le rôle de source et de relais. De ce fais, la défaillance énergétique d'un capteur peut changer significativement la topologie du réseau et imposer une réorganisation coûteuse de ce dernier.

De l'autre côté, la sécurité a une très grande importance pour plusieurs applications intéressantes des réseaux de capteurs sans fil telle que la surveillance des champs de bataille, la détection des feux de forêts ou la mesure de la température et de la pression dans les canalisations d'huile. La fiabilité de ces systèmes est un enjeu majeur, et l'existence des failles de sécurité représente un risque non toléré.

Dans ce chapitre on va mettre en évidence quelques protocoles de routages et leurs classifications. Par la suite on va expliquer les problèmes de la sécurité dans les WSN, ainsi les menaces contre les RCSF. Puis nous étudierons les moyens pour combattre ces dangereux menaces.

III.2 Le routage dans les RCSF

La propagation et la délivrance des données dans un RCSF représentent la fonctionnalité la plus importante du réseau. Elle doit prendre en considération toutes les caractéristiques des capteurs afin d'assurer les meilleures performances du système : durée de vie, fiabilité, temps de réponse, ... etc.

Vu la spécificité des RCSF, un nombre important de recherches sont orientées vers une violation du découpage en couches protocolaires indépendantes, et introduisent la notion de cross layer optimisation. Par exemple, en utilisant des mécanismes d'agrégation, les routeurs intermédiaires doivent accéder à la donnée afin d'établir des résumés des lectures de la région [9].

III.2.1 Taxonomie des protocoles de routages Taxonomie

Récemment, les protocoles de routage pour les RCSF ont été largement étudiés, et différentes études ont été publiées. Les méthodes employées peuvent être classifiées suivant plusieurs critères comme illustré sur la figure suivante :

Topologie du réseau [9]

La topologie détermine l'organisation des capteurs dans le réseau. Il existe deux principales topologies dans les protocoles de routage pour les RCSF.

> Topologie plate : dans une topologie plate, tous les noeuds possèdent le même rôle. Les noeuds sont semblables en termes de ressources.

> Topologie hiérarchique : afin d'augmenter la scalabilité du système, les topologies hiérarchiques ont été introduites en divisant les noeuds en plusieurs niveaux de responsabilité. L'une des méthodes les plus employées est le clustering, où le réseau est partitionné en groupes appelés "clusters". Un cluster est constitué d'un chef (cluster-head) et de ses membres.

57

Etablissement de la route

Suivant la manière de création et de maintenance des routes lors de l'acheminement des données, les protocoles de routage peuvent être séparés en trois catégories : les protocoles proactifs, les protocoles réactifs et les protocoles hybrides. [32]

> Protocole proactif : Ces protocoles de routage essaient de maintenir les meilleurs chemins existants vers toutes les destinations possibles au niveau de chaque noeud du réseau. Les routes sont sauvegardées mêmes si elles ne sont pas utilisées. Chaque noeud du réseau maintient une table de routage pour toutes les destinations indépendamment de l'utilité des routes. Les protocoles proactifs sont adaptés aux applications qui nécessitent un prélèvement périodique des données. Et par conséquent, les capteurs peuvent se mettre en veille pendant les périodes d'inactivité, et n'enclencher leur dispositif de capture qu'à des instants particuliers.

> Protocole réactif : Ces protocoles (dits aussi, les protocoles de routage à la demande) créent et maintiennent des routes selon les besoins. Lorsque le réseau a besoin d'une route, une procédure de découverte de route est lancée. Ce type de protocoles est pratique pour des applications temps réel où les capteurs doivent réagir immédiatement à des changements soudains des valeurs captées. En effet, un prélèvement périodique des données aurait été inadapté pour ce type de scénarios.

> Protocole hybride : Ces protocoles combinent les deux idées des protocoles proactifs et réactifs. Ils utilisent un protocole proactif pour apprendre le proche voisinage (par exemple le voisinage à deux ou à trois sauts), ainsi, ils disposent de routes immédiatement dans le voisinage. Au-delà de la zone du voisinage, le protocole hybride fait appel à un protocole réactif pour chercher des routes.

III.2.2 Exemples des protocoles de routages dans les RCSF

III.2.2.1 SPIN [9]

Heinzelman et al ont proposé une famille de protocoles appelée SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation), reposant sur un modèle de négociation afin de propager l'information dans un réseau de capteurs. Le but de SPIN est de pallier aux problèmes de l'inondation, qui sont :

· L'implosion due à la duplication inutile des réceptions d'un même message.

· Le chevauchement lié au déploiement dense des capteurs. En utilisant l'inondation, les capteurs d'une zone émettrons tous la même donnée (ou presque).

· L'ignorance des ressources, car d'inondation ne prend pas en considération les ressources des noeuds.

Ces trois problèmes affectent grandement la durée de vie et les performances du réseau. Pour les résoudre, SPIN adopte deux principes :

o La négociation : pour éviter le problème d'implosion, SPIN précède l'émission d'une donnée par sa description, en utilisant la notion de métadonnées. Le récepteur aura le choix par la suite d'accepter la donnée ou non. Ce mécanisme permet aussi de régler le problème de chevauchement.

o L'adaptation aux ressources : d'une manière continue, les noeuds contrôlent leur niveau d'énergie. Le protocole SPIN accommode son exécution suivant l'énergie restante du capteur, et modifie en conséquence le comportement du noeud.

Fonctionnement de SPIN

Les communications dans SPIN se font en trois étapes :

· Lorsqu'un noeud veut émettre une donnée, il émet d'abord un message ADV contenant une description de la donnée en question.

· Un noeud recevant un message ADV, consulte sa base d'intérêt. S'il est intéressé par cette information, il émet un message REQ vers son voisin.

· En recevant un message REQ, l'émetteur transmet à l'intéressé la donnée sous forme d'un message DATA.

La figure suivante illustre ces trois étapes :

59

III.2.2.2 Directed Diffusion [9] Aperçu

Directed Diffusion est un protocole de propagation de données, permettant d'utiliser plusieurs chemins pour le routage d'information. Le puits diffuse un intérêt sous forme de requête, afin d'interroger le réseau sur une donnée particulière. Il se base sur le modèle publish/subscribe. DD repose sur quatre éléments : nomination des données, propagation des intérêts et établissement des gradients, propagation des données et renforcement des chemins.

1. Nomination des données

L'adressage dans DD utilise un schéma attribut-valeur afin de décrire les intérêts et les rapports de données.

Exemple : Nomination des données

Par exemple, dans une application de protection de forêts, une requête peut être effectuée sous cette forme :

Type = GetTemperature Zone = [100, 100, 120, 120] Interval = 10 ms

Durartion = 1 mn

Une réponse d'un capteur pourra être formulée ainsi :

Type = GetTemperature Location = (110, 115) Temperature = 32

Timestamp = 11:32:10

2. Propagation des intérêts et établissement des gradients

Lorsqu'un puits requiert une donnée du réseau, il propage un intérêt, contenant sa description ainsi que le débit d'information désiré. Initialement, le puits spécifie un grand intervalle, dans un but d'exploration. Cela permet d'établir les gradients et de découvrir d'éventuelles sources, sans pour autant encombrer le réseau.

Figure3.3 Propagation des intérêts et établissement des gradients.

61

Propagation des l'intérêts

Afin de propager l'intérêt, DD emploie l'inondation globale du réseau. Chaque noeud maintient localement un cache d'intérêt contenant les informations suivantes :

· La description de l'intérêt, en utilisant le schéma de nomination.

· Un ensemble de gradients.

Définition : Gradient

Un gradient est un vecteur représentant l'intérêt. Il est caractérisé par une direction et une amplitude : la direction est modélisée par le voisin émetteur de l'intérêt, et l'amplitude est représentée par le débit de données. En plus, chaque entrée contient un champ limitant la durée de validité du gradient.

Méthode : Etablissement des gradients

Lorsqu'un noeud reçoit un intérét, il parcourt son cache :

· Si le cache ne contient aucune entrée relative à l'intérêt reçu, une nouvelle entrée est créée avec un gradient vers le voisin émetteur.

· Dans le cas contraire, le noeud recherche un gradient vers le voisin émetteur, et met à jour en conséquence l'entrée en question.

Après le traitement du cache, le noeud relaie l'intérêt vers ses voisins. La méthode la plus simple est d'utiliser l'inondation.

3. Propagation des données

Lorsque l'intérêt atteint les sources ciblées, les capteurs commencent la récolte d'information. Pour un intérêt donné, un capteur calcule le débit le plus élevé et prélève les données en conséquence. En consultant les gradients relatifs à l'intérêt, le noeud détermine les prochains sauts vers les puits (chacun avec son propre débit).

Lorsqu'un noeud reçoit une donnée, il recherche un intérét équivalent dans son cache. ^Siaucune entrée n'est trouvée, le paquet est supprimé. Dans le cas contraire, en consultant la liste des gradients, le noeud relaie la donnée vers ses voisins, suivant le débit de chacun d'eux.

Remarque : Evitement des boucles

Avant de relayer une donnée à ses voisins, un noeud utilise son cache de données. Ce cache enregistre les données récemment émises par les voisins. Cela évite la création de boucles, en supprimant les données déjà rencontrées.

4. Renforcement des chemins

? Renforcement positif

Lorsque le puits reçoit les premières données, il renforce le chemin vers le voisin émetteur, en augmentant le débit de captage. Cela permet de clôturer la phase d'exploration, et d'entamer la phase de récolte d'information. Le renforcement ne doit pas s'arrêter au niveau des voisins du puits, mais doit se propager éventuellement jusqu'aux sources.

Pour ce faire, lorsqu'un noeud reçoit un message de renforcement, il consulte son cache d'intérêt. Si le débit spécifié dans le message est plus grand que tous les autres débits des gradients présents, le noeud doit renforcer un de ses voisins. Le voisin est choisi en utilisant le cache de données.

Figure3.4 Renforcement des chemins

? Renforcement négatif

Dans le cas de panne d'un lien (perte de paquet, débit réduit, etc.) le puits peut envoyer un renforcement négatif sur le chemin en panne en spécifiant le débit de base (exploratoire), et en procédant à un renforcement positif d'un chemin alternatif.

63

III.2.2.3 LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

LEACH est un protocole de routage destiné aux réseaux de capteurs. Son principal avantage est de minimiser la consommation énergétique des éléments du réseau. C'est un protocole hiérarchique, car le réseau est divisé en clusters, et chaque cluster possède un noeud `maître' (Clusterheads (CHs)), le noeud maître est en charge de la gestion de sont cluster. Il est élu périodiquement parmi les noeuds formant le cluster, en fonction de l'état de sa batterie.

Un message qui est émis par un noeud au sein d'un cluster, est ensuite route par le Clusterheads (CHs) vers la passerelle du réseau de capteur.

Ce protocole permet ainsi en structuration le réseau de manière hiérarchique de proposer un protocole qui économise l'énergie d'un capteur désirant émettre un paquet [7].

Figure3.5 Le Clustering dans un RCSF

III.2.2.4 TEEN et APTEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)

TEEN est un protocole hiérarchique conçu pour être sensible aux changements soudains des attributs captés tels que la température. L'architecture du réseau est basée sur un groupement hiérarchique où des noeuds les plus proches forment des clusters. Après la construction des clusters, le cluster-head diffuse deux seuils aux noeuds. Qui sont la valeur minimale d'un attribut pour pouvoir être transmit et le degré minimal du changement de cet attribut.

Le TEEN adaptif (APTEEN) est une extension du TEEN basée sur la capture périodique des données et réaction aux événements temps-réel. Quand la station de base forme les clusters, les cluster-heads diffusent les attributs, les seuils et le plan de transmission à tous les noeuds et effectuent également l'agrégation des données afin d'économiser de l'énergie [7].

III.3 La sécurité dans les RCSF

III.3.1 Vue globale des problèmes de sécurités dans les RCSF

Les principaux problèmes de sécurité dans les RCSF émergent à partir des propriétés qui les rendent efficaces et attrayants, qui sont [9]:

> Limitation de ressources: l'énergie est peut-être la contrainte la plus forte aux capacités d'un noeud capteur. La réserve d'énergie de chaque noeud doit être conservé pour prolonger sa durée de vie et ainsi que celle de l'ensemble du réseau. Dans la plupart du temps, l'information transmise est redondante vus que les capteurs sont généralement géographiquement co-localisés. La plupart de cette énergie peut donc être économisée par agrégation de données. Cela exige une attention particulière à détecter l'injection de fausses données ou la modification défectueuse de données, lors des opérations d'agrégation au niveau des noeuds intermédiaires.

> La communication sans fils multi-sauts: en plus de fournir un déploiement simple, la communication sans fil a l'avantage d'offrir l'accès à des endroits difficilement accessibles tels que des terrains désastreux et hostiles. Malheureusement, la portée de

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la communication radio des "motes" est limitée en raison de considérations énergétiques. La communication multisauts est donc indispensable pour la diffusion des données dans un RCSF. Cela introduit de nombreuses failles de sécurité à deux niveaux différents: attaque de la construction et maintenance des routes, et attaque des données utiles par injection, la modification ou la suppression de paquets. En outre, la communication sans fil introduit d'autres vulnérabilités à la couche liaison en ouvrant la porte à des attaques de brouillage et de style déni de service par épuisement des batteries.

> Couplage étroit avec l'environnement: la plupart des applications de RCSF exigent un déploiement étroit des noeuds à l'intérieur ou à proximité des phénomènes à surveiller. Cette proximité physique avec l'environnement conduit à de fréquentes compromissions intentionnelles ou accidentelles des noeuds. Comme le succès des applications RCSF dépend également de leur faible coût, les noeuds ne peuvent pas se permettre une protection physique inviolable. Par conséquent, un adversaire "bien équipé" peut extraire des informations cryptographiques des noeuds capteurs. Comme la mission d'un RCSF est généralement sans surveillance, le potentiel d'attaquer les noeuds et de récupérer leur contenu est important. Ainsi, les clefs cryptographiques et informations sensibles devraient être gérées d'une manière qui augmente la résistance à la capture des noeuds.

III.3.2 Attaques sur les protocoles de routage dans les RCSF

Vus les contraintes des RCSF, la plus part des protocoles de routage sont assez simple, et par conséquent assez vulnérables aux attaques. Un noeud malicieux peut opérer sur deux niveaux [9]:

· Les données échangées entre les noeuds.

· La topologie du réseau créée par le protocole

Ces attaques peuvent être classées en deux catégories : actives et passives.

III.3.2.1 Attaques actives

L'adversaire tente de supprimer, ajouter ou modifier les transmissions sur un canal de communication. Un adversaire actif menace l'intégrité et l'authenticité des données aussi bien que leur confidentialité. Afin d'exécuter son attaque, le noeud malicieux est obligé d'utiliser son énergie, en émettant un certain nombre de paquets.

1) Attaque de « Jamming »

Vu la sensibilité du média sans fil au bruit, un noeud peut provoquer un déni de service en émettant des signaux à une certaine fréquence. Cette attaque peut être très dangereuse car elle peut être menée par une personne non authentifiée et étrangère au réseau [9].

Figure3.8 Attaque de "jamming"

67

1) Attaque de «Sink hole »

Dans une attaque sink hole, le noeud essaye d'attirer vers lui le plus de chemins possibles permettant le contrôle sur la plus part des données circulant dans le réseau. Pour ce faire, l'attaquant doit apparaître aux autres comme étant très attractif, en présentant des routes optimales [9].

Figure3.9 Attaque « sinkhole »

2) Attaque de « Wormhole »

Dans une attaque wormhole, un attaquant reçoit des paquets dans un point du réseau, puis les encapsule vers un autre attaquant pour les réintroduire dans le réseau. Dans ce genre d'attaque, les adversaires coopèrent pour fournir un canal à basse latence pour la communication en utilisant une radio pour communiquer avec une puissance plus élevée et des liens à longue portée. Ceci favorise les noeuds voisins à acheminer leurs données à travers l'attaquant [13].

Figure3.10 Attaque « Wormhole »

Une défense pour contrer les wormholes consiste à utiliser des paquets dans lesquels la distance qu'un message peut traverser dans un seul saut est limitée. Chaque message comporte une estampille et l'emplacement de l'émetteur. Le récepteur compare ces derniers au temps d'arrivée et à son emplacement pour déterminer si la portée de transmission maximale a été dépassée. La solution exige une synchronisation d'horloge et la vérification précise d'endroit, ce qui peut limiter son applicabilité au RCSF [13].

69

III.3.2.2 Attaques passives [9]

L'adversaire ne fait que surveiller les canaux de communication. Une écoute se produit lorsqu'un attaquant capture un noeud et étudie le trafic qui le traverse sans en altérer le fonctionnement. Un adversaire passif ne fait que menacer la confidentialité des données.

1. Lack of cooperation ou Selective ForWarding

Tous les protocoles de routage supposent que les noeuds sont "honnêtes" et vont relayer normalement les paquets qui transitent par eux. Cependant, un attaquant peut violer cette règle en supprimant la totalité ou une partie de ces paquets. De plus, si l'attaquant a auparavant utilisé une attaque sinkhole, il devient un routeur important dans le réseau. Donc, en abandonnant son rôle de routeur, les performances du système seront gravement dégradées.

2. Eavesdropping

Comme le média sans fil est un média ouvert, un noeud peut entendre toutes les communications de ses voisins. Cela peut divulguer d'importantes informations, comme la localisation d'un noeud important. La combinaison avec une attaque sinkhole aggrave d'avantage l'impact de cette attaque.

III.3.3 Les mécanismes de défense

III.3.3.1. La cryptographie

1. La confidentialité des donné : la confidentialité empêche les données d'être consulté par des entités non autorisé l'approche standard pour sauvegarder leurs sécurité est d'utiliser des algorithmes de chiffrements. Ces derniers permettent de transformer un message en claire en un message chiffré. [33]. Il existe deux modes de chiffrement: [34]

· Chiffrement asymétrique : dans le chiffrement asymétrique le récepteur génère une partie de clés asymétrique : une clé publique

qui est diffusé à tous les émetteurs et une clé privé maintenue secrète chez lui. Tous message chiffré avec la clé publique ne peut être déchiffré qu'avec la clé privé qui correspondante

La cryptographie à clé publique est faiblement utilisé dans les RCSF car elle est très coûteuse en termes de ressources et par conséquent, la plus part des protocoles proposé emploient des méthodes de chiffrements symétriques. [33]

Chiffrement symétrique : dans le chiffrement

symétrique une même clé est partagée entre l'émetteur et le récepteur. Elle est utilisée par l'émetteur pour chiffrer le message et par le récepteur pour le déchiffrer.

2. / ⁴1EtfrfthfraSliaSIKEfrei : c'est un service qui garantit que les données n'ont pas été altérées pendant la transmission. On peut distinguer les altérations accidentelles liées, par exemple à une mauvaise couverture des ondes et les altérations volontaires d'un attaquant.

Une fonction de hachage est typiquement utilisée pour vérifier l'intégrité des données :

1-

71

Initialement le code d'hachage du document numérique est calculé.

2- Ce code est stocké dans un emplacement sécurisé.

3- Ultérieurement ce code est recalculé.

4- Le nouveau code d'hachage est comparé à celui qui a été stocké. Si les deux valeurs sont égales alors le document n'a pas été modifié. Sinon le document a subit une modification [34].

3. /'authentification de l'origine des données : dans un réseau de capteur, un adversaire peut facilement injecter des paquets additionnels, ainsi le récepteur doit s'assurer que les données reçus proviennent effectivement de la source supposé.

L'authentification des données est assuré grâce à un mécanisme purement symétrique : Le Code d'Authentification de Message (CAM), ou MAC en anglais (Message Authentification Code). Le MAC est aussi utilisé pour vérifier l'intégrité des données [33].

Pour garantir l'authenticité de l'origine, l'émetteur et le récepteur doivent partager une clé symétrique.

1.

Cette clé sera utilisée par l'émetteur pour calculer un MAC sur le message à envoyer.

2. Ce MAC (code de hachage) est la preuve d'authenticité qui accompagnera le message.

3. LE récepteur utilisera la même clé secrète pour calculer le MAC de nouveau sur le message reçus.

4. Le MAC nouvellement calculé sera comparé au MAC accompagnant le message. Si les deux valeurs sont égales alors le message et l'origine sont authentiques. Sinon l'un des deux n'est pas authentique. [34]

4. Le Q1Q 46X12EMQ 12111411.iQ1 : c'est un mécanisme destiné à prévenir que la source ou la destination désavoue ses actions ou nie qu'un échange a eu lieu. Ce service est assuré grâce à la signature numérique. [34]

1.

73

L'émetteur commence par calculer le code hachage du document.

2. L'émetteur signe ce code de hachage avec sa clé privée.

3. Le résultat de cette dernière opération est la signature digitale qui accompagnera le document.

4. Quand le récepteur reçoit le message et la signature digitale, il recalcule le code de hachage.

5. Le récepteur déchiffre la signature avec la clé publique de l'émetteur et compare les deux codes de hachages. Si les deux codes sont similaires alors la signature est valide.

5. La fraîcheur des données : Méme si l'authentification, l'intégrité et la

confidentialité des données sont assurées. On doit également assurer la fraîcheur de chaque message. La fraîcheur des données permet de garantir que les données sont récentes, et qu'aucun vieux message n'a été rejoué. Cette condition est particulièrement importante quand on utilise des stratégies de clés partagées dans la conception. En effet, ces dernières doivent être

continuellement changées avec le temps. Cependant, pour que de nouvelles clés se propagent dans tout le réseau, un temps important s'écoule. Dans ce cas il est facile pour un adversaire d'employer une attaque de rejeu. Pour résoudre ce problème un compteur relatif au temps peut être rajouté dans le paquet pour assurer la fraîcheur des données. [36]

III.3.3.2 IDS (Intrusion Détection System) [37] Définition

Système combinant logiciel et matériel, qui permet de détecter en temps réel les tentatives d'intrusion sur un réseau interne ou sur un seul ordinateur hôte, de neutraliser ces attaques réseaux ou systèmes et d'assurer ainsi la sécurité du réseau.

Principes de fonctionnement d'un IDS

Indépendamment de l'approche qu'ils utilisent, de l'origine de leur source de données ou de tout autre paramètre, les IDS ont besoin de certaines fonctions répétitives pour accomplir leurs tâches.

Un IDS, doit disposer de quatre fonctions principales, générées par les composants suivants:

· Un générateur d'événements « GE ~: Dont le rôle est de collecter les événements soit du réseau (capture de trame) ou d'un hot (analyse des fichiers d'audit), et de les fournir dès leur apparition aux autres composant. Il représente donc le point de contact entre l'IDS et le système surveillé.

· L'analyseur d'événement « AE : C'est l'élément pensant de l'IDS. Il reçoit des données des autres composants, les analyses et identifie les comportements « à risque». Plus un système informatique est complexe, plus les algorithmes de la « AE » doivent être performants. La connaissance de son comportement constitue une information déterminante pour les pirates qui souhaitent le contourner.

· La base de données événementielle « BDE » : Elle assure la journalisation des événements ce qui permet de conserver une trace des événements à long terme.

· L'unité de réponse : Elle a pour vocation de fournir en temps réel ou différé une réponse aux attaques qu'elle détecte.

Figure3.16 Architecture de base pour un IDS [37]

75

III.4 Conclusion

Le routage dans les réseaux de capteurs est un problème complexe. Ceci est dü, d'une part, à ces protocoles qui peuvent varier suivant les différentes approches de routage, et d'une part, les solutions de routage proposées dans le cas des réseaux ad hoc ne sont pas applicables directement dans les réseaux de capteurs. Bien que l'objectif principale reste le même, c'est-àdire : trouver la façon la plus simple d'acheminer les paquets de données d'une source vers une destination.

En ce qui concerne la sécurité, elle est très importante pour la réussite de plusieurs applications des réseaux de capteurs. Cependant assurer la sécurité de ces réseaux est une tâche très complexe en raison des possibilités limitées des noeuds capteurs.

Ce chapitre a donnée une vue globale sur les techniques de routage dans les réseaux de capteurs sans fil et qui ont comme objectif commun le prolongement de la durée de vie du réseau. Egalement dans ce chapitre notre but était de fournir une vue générale du large secteur de la sécurité des RCSF. Donc, nous avons décrit les principaux problèmes de la sécurité ainsi les meilleurs mécanismes existent pour les supporter.

77

Conclusion générale

Les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) sont une nouvelle technologie qui a surgit après les grands progrès technologie concernant le développement des capteurs intelligents, des processeurs puissants et des protocoles de communications sans fil. Ce type de réseau composé de certaines ou de milliers d'éléments, a pour but de la collecte de données de l'environnement, leur traitement et leur dissémination vers le monde extérieur.

Les applications des réseaux de capteurs sans fil sont nombreuses. Elles comprennent différents domaines : agricole, militaire,... Pour que ces réseaux puissent mener à bien leurs missions ils doivent assurer un certain niveau de sécurité qui différent selon l'application déployée.

Dans ce travail nous avons débuté par une étude approfondie des RCSF, dans le but de mettre en évidence les services critiques du réseau. Donc nous avons donné un aperçu sur les RCSF et présenté certaines de leurs applications. Nous avons aussi exposé des différents problèmes qui concernent l'économie d'énergie qui est considéré comme un facteur principale qui limite la duré de vie d'un capteur, nous avons également expliqué quelques travaux existant qui visent à maximiser la durée de vie d'un réseau.

Ensuite, on a abordé un état d'art sur les algorithmes proposés pour pallier les problèmes de connectivité et la couverture.

Puis on a discuté brièvement les différents défis que doit surmonter la conception des protocoles de communications dans ces réseaux. Nous nous sommes intéressés aux problèmes liés à la sécurité et en particulier du protocole Directed Diffusion. Ce dernier est l'uns des protocoles les plus réussis qui tend à être un standard et a été une base pour d'autres contributions.

Finalement, nous avons cité quelques principaux problèmes de la sécurité ainsi les meilleurs mécanismes existent pour les supporter.

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d'ingénieur d'état en informatique, Ecole national supérieur d'informatique (E.S.I), OuedSmar, Alger