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Approche distribuée pour la sécurité d'un réseau de capteurs sans fils (RCSF)

( Télécharger le fichier original )
par NADIA BOUNEGTA
Université de Bechar - Ingénieur d'état en informatique 2010
  

sommaire suivant

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Republique Algerienne bemocratique et Populaire
Ministere de l 'Enseignement Superieur et de la Recherche Scientifique

U niversité de Bechar
F aculté des Sciences Exactes
departement d'Informatique

Memoire de Fin d'etude
Pour l'obtention du diplame d'ingenieur d'etat en informatique

ritime

Approche De-centralis& pour la se-curite- d'un

Re-seau de Capteurs Sans Fil (RCSF)

5 11,07,4-

Re-alise- par :

3ouneyta Nadia Aici Nacira

Encadr e- par :

3enaImei ~

Option : 5i~thnes CInforpnoction. Al/mizie

ritime

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Memoire de Fin d'etude
Pour l'obte
ntion du diprome d'ingenieur d'etat en informatique

Approche De-centralise" pour Ia s&uri-t" d'un

Reseau de Capteurs Sans Fit CRCSF)

R-atis- par :

13ounef~a ?Vaha Aic~ ?Vacua

~~d!c~cg~

 

e dédie ce travail : A dieu, d'abord, Le Tout Miséricordieux, Ton amour, Ta miséricorde et Tes grâces à mon endroit m'ont fortifiée dans la persévérance et l'ardeur au travail.

.4 ma très chère mère qui m'a éclairée mon chemin et m'a encouragée et soutenue tout au long de ma vie.

~ Mon cher père qui m'a épaulé par son aide, soutien et encouragement. Soyez assuré de mon profond respect et amour.

~ mes adorables grands-parents qui je le sais ma réussite est très importante pour eux. Que Dieu vous paye pour tous vos bienfaits et vos prières.

~ mes oncles et tantes et leurs conjoints, leur conseils et confiance en ce que je vaux.

~ mon cher frère, A mes chères soeurs à qui je souhaite une bonne continuation dans leurs études.

~ mes cousins, qui m'apportent leurs joies à chaque fois que je les vois ; et surtout, surtout à ma bien chère aimée, la regrettée « Rachida » qui m'a supportée et tant souhaitée assister à ce jour là .Que dieu la bénisse et qu'elle soit dans le « Ferdousse ».

~ ma très chère binôme « Nacira » pour m'avoir supporté pendant cet an, bravo c'est un exploit.

~ mes chères amies de toujours « Nadia », « Zhoor » et « Halima » qui m'ont aidé, encouragé, soutenu, et surtout aimé.

~ mes chers amis de la promotion, du l'université et partout dans le monde pour tout leur soutien moral.

~ toute personne qui m'a aidé un jour à réussir jusqu'ici, en espérant être toujours à la hauteur de leurs attentes et de leurs espérances.

~ue la paix d'Allah soit avec tous... que Dieu nous réunisse dans son vaste paradis incha Allah.

~~~~~ ~~~ ~~~~~ ~..........~~~~~~

 

~~d!c~cg~

 

e remercie Dieu, d'abord, de m'avoir donné les moyens d'arriver jusque la. e dédie ce modeste travail exclusivement :

"4 ma très chère mère, je dédie ce travail à toi, pour tout ce que tu as fait pour moi, et pour mes frères et mes soeurs, pour ta contribution morale et matérielle à la prospérité de notre famille. Tous les mots, toutes les belles et sincères expressions n'expriment pas ma reconnaissance et ma gratitude envers toi.

.4 mon très cher papa, pour tous tes sacrifices, pour ton engagement envers tes fils et tes filles, pour tout ce qui tu as fais pour nous, et spécialement pour moi. Pour la vocation de père, que tu as bien joué.

A la personne que j'ai tant aimé qu'elle assiste à ma soutenance : le regretté mon cher frère « Djamel ».

f1es frères et soeurs pour leur conseils et confiance en ce que je vaux.

f%la belle famille qui m'adore déjà et me respecte avant même de les avoir vu en vrai.

f1es chers amis partout dans le monde et particulièrement mes amis de la promotion, du l'université pour tout leur soutien moral, merci pour m'avoir supporté et pour tous vos encouragements répétés.

4 tous ceux qui m'aiment et j'aime...

4 tous ceux qui je compte pour eux et comptent pour moi... 4 tous ceux qui se sentent participants dans ma réussite...

Je dédie ce travail...

Que la paix d'Allah soit avec tous...

4f f Y4 ~ f'4

 
 
 
 

RoRmoRreioRmoRnt8

 

Grace it Dieu vers lequel vont toutes les louanges, ce travail s'est accompli.

Grace it Dieu, nous avons l'honneur d'inscrire ici un immense remerciement it nos parents dans ces moments importants.

Ces quelques lignes ne pourront jamais exprimer la reconnaissance que nous eprouvons envers tous ceux qui, de pres ou de loin, ont contribue par leurs conseils, leurs encouragements ou leurs amities it l'aboutissement de ce travail.

Nos vifs remerciements accompagnes de toute nos gratitudes vont tout d'abord it notre encadreur a Dr BenAhmed.K >, de l'universite de Bechar, qui nous a toujours encouragee et soutenue depuis le debut de notre these ; celui qui a toujours su trouver les mots pour nous redonner la force de continuer et d'aller au bout de cette aventure qu'est la these I I

Nous le remercie pour sa disponibilite, son aide, ses precieux conseils qu'il nous a prodigues, ses critiques constructives, ses explications et suggestions pertinentes et enfin, pour avoir apporte tant de soins it la realisation de ce projet de fin d'etudes.

Nos sinceres remerciements vont e galement it tous les enseignants qui nous ont formees durant ces cinq dernieres annees.

Nous tenons, egalement, it remercier vivement les membres du jury qui ont bien voulu examiner et evaluer notre travail et qui nous font l'honneur de participer it la soutenance.

Nous adressons e galement nos sinceres remerciements it nos famille ; parents, freres et seurs de nous avoir aide it surmonter tous les obstacles et it nous forger it travers les difficultes vecues durant toute cette periode de travail.

Nous aimerions egalement remercier tous nos amis et collegues de leur soutien et aide et qui nous ont donne la force pour continuer.

Ne pouvant malheureusement pas mentionner toutes les personnes que nous avons rencontrees durant nos parcours et qui ont contribue d'une facon ou d'une autre, it l'aboutissement de cette these, nous leurs dis it toutes merci d'avoir ete lit it cette instant precis.

Nous conclurions, en remerciant vivement toute notre famille
qui nous avons toujours supportons moralement et
financi,rement pendant toutes notre longues annees

d'etude..................

 

IR,o8um~

 

L'émergence des réseaux de capteurs sans-fil (RCSFs) a ouvert la voie a une multitude de domaines de recherche constituant les sieges privilégies de leur déploiement . L'intérêt suscite par cette effervescence d'investigation préconise de larges champs d'application dans un avenir proche . Toutefois, beaucoup d'obstacles inhérents a leurs spécificités doivent etre surmontés avant de pouvoir atteindre leur maturité . Parmi ces entraves, le probleme de sécurité se pose avec acuité et doit etre solutionné de maniere appropriée et en conformité avec les caractéristiques particulières des RCSFs . Ces caractéristiques contraignantes s'observent dans la limitation des ressources telles que : l'énergie, la puissance de calcul, la bande passante et l'espace mémoire . En raison de ces contraintes et de leur déploiement dans des environnements sans surveillance et hostiles, les différents nceuds capteurs d'un RCSF sont vulnérables a la compromission et susceptibles d'une violation physique. De plus, l,utilisation des transmissions sans-fil rend les RCSFs perméables a des malveillances de toutes sortes, et constitue un véritable chalenge de sécurité a relever .

Dans ce mémoire, nous présentons une étude de la surveillance des RCSFs . Il contient une description détaillée de la méthode et les concepts nécessaires pour la proposition d'une approche distribuée pour la surveillance d'un Réseau de Capteurs Sans Fil et cela pour des raisons de sécurité .

Les résultats de ce travail se concrétisent par la proposition de deux nouveaux algorithmes: un algorithme de Clustering pour auto-organiser le réseau et un autre pour le surveiller .

Mots des : Réseaux de capteurs sans-fil, Sécurité, surveillance, Clustering, Auto-organisation .

c9 b8traet

The emergence of wireless sensor networks (WSNs) open the way with a multitude of fields of research constituting the privileged seats of their deployment. WSN consist of small nodes with sensing, computation, and wireless communication capabilities and expected to play an essential role in the upcoming age of pervasive computing. Due to their constraints in computation, memory, power resources, and its deployment in unattended and hostile environments, individual sensors are vulnerable to security compromise and susceptible to physical capture. Furthermore using wireless communications makes security a challenge in these networks. As a result, security must be an important factor to have in mind when designing WSN .

In this thesis, we present a study of surveillance WSNs . It contains a detailed description of the methodology and concepts necessary for the proposal of a distributed approach to the supervision of a Network of Wireless Sensor and that for security reasons.

The results of this work are realized by the proposed two new algorithms: a clustering algorithm for self-organizing network and another for the monitor.

~onnairg

 

Sommaire

Table des figures

Liste des tables

Introduction generale Organisation du memoire

Chapitre 1 : RCSF : Generalites

1- Introduction 01

2- Environnement sans fil 02

2.1-Les différentes catégories de réseaux sans fil 02

2.2-Classification des réseaux sans fil selon l'infrastructure 04

3- Les réseaux de capteurs sans fils 07

3.1-Définition 07

3.2-Objectif de base des RCSFs 07

3.3-Composants d'un réseau de capteurs 07

3.4- Les noeuds capteur 08

3.5-Technologies des capteurs 09

3.6-Caractéristiques des réseaux de capteurs 11

3.6-Les plateformes des réseaux de capteurs sans fil 12

4 - Applications concrètes des RCSFs 13

5- Contraintes de conception des RCSFs 15

5.1 -La tolérance aux pannes 15

5.2 -La scalabilié 15

5.3 -Les coûts de production 15

5.4- Les contraintes matérielles 15

5.5- La topologie 16

5.6 -Support de transmission 16

5.7- La consommation d'énergie 16

6- Architecture des RCSFs 18

6.1- Pile protocolaire dans les réseaux de capteurs 18

6.2- La couche application 19

6.3- La couche Transport 20

6.4- La couche Réseau 20

6.5- La couche de liaison de données 20

6.6-La couche Physique 20

7- Couverture dans les RCSFs 20

7.1-Couverture 20

7.2- Couverture d'un point 20

7.3- Couverture d'une zone 21

8- Connectivité dans les RCSF 21

8.1-Définition 22

8.2- Le but de la connectivité 22

9- Conclusion 23

Chapitre 2 : La securite dans les RCSFs

1- Introduction 24

2- Objectifs de la sécurité dans les RCSFs 26

2.1-Les principaux objectifs dans les RCSFs 26

2.2-Les objectifs secondaires 27

3- Obstacles de la sécurité 28

3.1-Ressource limitée 28

3.2-La communication non faible 28

3.3-Opérations sans surveillance 30

4- Les mauvais comportements dans les RCSFs 30

4.1-Le noeuds égoïstes 30

4.2-Les attaques 31

5- Mécanismes de tolérance aux pannes 44

5.1-Panne, faute, erreur et faille 44

6- Classification des solutions de tolérance aux pannes dans les RCSFs 46

6.1-La prévention 46

6.2-La détection 46

6.3-Quelques travaux existants 47

1- Conclusion 52

Chapitre 3 : Proposition d'une approche distribuee pour la surveillance des RCSFs

1- Introduction 53

2- L'approche distribuée 54

2.1- Le clustering 54

3- Architectures de communication de données pour les RCSFs 56

4- Le multicritère d'aide à la décision 57

4.1-Aide monocritère à la décision vs. Aide multicritère à la décision 57

4.2-La somme pondérée 57

5- Techniques de clustering 59

5.1-Algorithmes uni-critères 59

5.2- Algorithmes multicritère 60

6- Description de l'algorithme proposée 61

6.1-L'algorithme de clustering 61

6.2-Les étapes de l'algorithme de clustering 66

6.3- EDraw Max 68

6.3-L'organigramme de l'algorithme de clustering 69

6.4-Exemple d'application (tout les cas possibles) 70

6.5-Maintenance des clusters à la demande 72

6.6- Description de l'algorithme de surveillance proposée 74

6.7-Les étapes de l'algorithme de surveillance 76

6.8-Exemple d'application (tout les cas possibles) 81

6.9-L'organigramme de l'algorithme de la surveillance 85

7- Méthodologie de conception en UML 86

7.1- Un modèle 86

7.2- La modélisation UML 86

7.3- Visual Paradigm 87

7.4- Conception de l'application 88

8- Conclusion 96

Chapitre 4 : Simulation et evaluation des performances

1- Introduction 97

2- Les simulateurs existants 98

3- Environnement de simulation 99

4- Les langages de programmation utilisée 99

5- Les étapes de simulation 100

6- Description de la simulation 101

6.1-Le mot de passe 101

6.2-Le déploiement des capteurs 102

6.3-Affichage des informations des capteurs 105

6.4-Opérations sur les capteurs 111

6.5-La représentation graphique 115

6.6-Générateur des mouvais comportement 119

6.7- La surveillance des Cluster-Heads 123

6.8-La surveillance de la station de base principale 124

6.9-Ouvrir un scénario 126

6.10-Enregistrer un scénario 126

6.11-L'aide 127

6.12-A propos 127

6.13-Quitter l'application 128

8-Conclusion 128

Conclusion Generale References

TablR dRs figurRs

 

Figure 1. Différentes catégories des réseaux sans fils .

03

Figure 2. Principales normes des réseaux sans fils .

03

Figure 3. Modele des réseaux cellulaires .

04

Figure 4. Principe de réutilisation de fréquence .

05

Figure 5. Changement de topologie dans les réseaux Ad Hoc.

06

Figure 6. Le champ de captage dans un réseau de capteurs sans fil.

08

Figure 7. Exemples des capteurs .

08

Figure 8. Progression des technologies de capteurs a travers le temps.

12

Figure 9. Les domaines d'applications de RCSFs .

14

Figure 10. Les composants d'un nceud capteur .

16

Figure 11. Consommation d'énergie en captage, traitement et transmission.

17

Figure 12. Schéma général d'un réseau de capteurs .

18

Figure 13. Pile protocolaire dans les réseaux de capteurs .

1 9

Figure 14. (a) couverture d'une région . (b) couverture de points.

21

Figure 15. Le but de la connectivité .

23

Figure 16. Classification des attaques selon Stallings.

33

Figure 17. L'espionnage

34

Figure 18. L'attaque trou noir.

35

Figure 1 9. L'attaque Sinkhole.

35

Figure 20. L'attaque Sinkhole.

36

Figure 21. Transmission sélective .

37

Figure 22. Attaque Hello Floods.

37

Figure 23. Attaques contre l'agrégation de données .

38

Figure 24. Acknowledgement Spoofing.

3 9

Figure 25. Attaque brouillage .

40

Figure 26. Le rejoue de messages.

41

Figure 27. L'attaque d'identités multiples.

41

Figure 28. L'attaque d'identités multiples.

42

Figure 2 9. Attaque Wormhole.

42

Figure 30. Attaque Wormhole.

43

Figure 31. Exemple d,un RCSF tolérant aux pannes .

45

Figure 32. Les informations a protéger pour identifier une route valide .

46

Figure 33. Le chiffrement symétrique .

47

Figure 34. Le chiffrement asymétrique .

47

Figure 35. La signature digitale .

48

Figure 36. Hachage d'un message en clair .

48

Figure 37. Le code d'authentification de message MAC.

4 9

Figure 38. Besoins de la gestion de clés .

4 9

Figure 3 9. Architecture centralisée .

50

Figure 40. Architecture distribuée .

51

Figure 41. Configurations de clustering pour les RCSF .

54

Figure 42. Architectures de communication de données pour les RCSFs .

55

Figure 43. Formation de clusters basée sur le plus faible ID .

58

Figure 44. Schéma représentatif du réseau de notre algorithme (1 seul saut) .

61

Figure 45.La topologie des nceuds et ses voisins correspondants dans le réseau .

6 9

Figure 46. L'identification des clusters par les nceuds confidents .

70

Figure 47. L'identification finale des clusters.

71

Figure 48. La surveillance d'un CH de ses membres (au début tous les nceuds sont confidents) .

80

Figure 4 9. La surveillance d'un CH de ses membres .

82

Figure 50. Diagramme de cas d'utilisation d'un systeme RCSF .

87

Figure 51. Diagramme de classe d'un systeme RCSF .

88

Figure 52. Diagramme d'objet d'un systeme RCSF .

8 9

Figure 53. Diagramme d'activité d'un systeme RCSF .

90

Figure 54. Diagramme d'état de transition d'un systeme RCSF .

91

Figure 55. Diagramme de séquence d'un systeme RCSF .

92

Figure 56. Diagramme de séquence entre le Cluster-Head et un membre .

93

Figure 57. Diagramme de séquence d'ajout d'un capteur (aléatoire ou manuelle) .

96

Figure 58. Les différentes étapes de la simulation.

101

Figure 5 9. La premiere interface du simulateur .

102

Figure 60. L'interface de mot de passe.

102

Figure 61. L'interface du choix de mode de déploiement .

103

Figure 62. L'interface de déploiement aléatoire .

104

Figure 63. L'interface de déploiement manuelle .

104

Figure 64. L'interface de déploiement aléatoire et manuelle .

105

Figure 65. L'interface d'affichage des informations des capteurs .

106

Figure 66. L'interface d'affichage de la connectivité des capteurs .

106

Figure 67. L'interface d'affichage la zone de connectivité des capteurs .

107

Figure 68. L'interface d'affichage la zone de couverture des capteurs .

107

Figure 6 9. L'interface d'affichage la confiance des capteurs .

108

Figure 70. L'interface d'affichage la charge des capteurs .

108

Figure 71. L'interface d'affichage les informations des capteurs dans une bulle .

10 9

Figure 72. L'interface d'affichage l'axe des X .

10 9

Figure 73. L'interface d'affichage l'axe des Y .

110

Figure 74. L'interface d'affichage les capteurs sans informations.

110

Figure 75. L'interface d'affichage les paramètres des capteurs .

111

Figure 76. L'interface du déplacement d'un capteur .

112

Figure 77. Exemple du déplacement un capteur .

112

Figure 78. L'interface de l'ajout d'un capteur .

113

Figure 7 9. L'interface de suppression d'un capteur .

113

Figure 80. L'interface de tri des capteurs .

114

Figure 81. Exemple de tri.

114

Figure 82. L'interface de changement de mot de passe.

115

Figure 83. L'interface du lancement d'audio .

115

Figure 84. L'interface du gestionnaire des graphes .

116

Figure 85. Graphe des poids .

117

Figure 86. Graphe des charges.

118

Figure 87. Graphe des connectivités .

118

Figure 88. Graphe des messages envoyés /regus.

11 9

Figure 8 9. Les pourcentages des niveaux de confiance .

11 9

Figure 90. Les pourcentages des mauvais comportements .

120

Figure 91. Générateur des mauvais comportements .

120

Figure 92. Exemple des mauvais comportements .

121

Figure 93. Attribution des états moyens aux capteurs compromis .

122

Figure 94. Attribution des états incertains aux capteurs compromis .

122

Figure 95. Le graphe des messages envoyés/regus .

123

Figure 96. Attribution des états malicieux aux capteurs compromis .

123

Figure 97. Exemple des pourcentages des niveaux de confiance .

124

Figure 98. Exemple des pourcentages des mauvais comportements .

124

Figure 99. Exemple de surveillance du cluster-Head.

125

Figure 100. L'interface de surveillance de la station de base.

125

Figure 101. Exemple de surveillance de la station de base des cluster-heads.

126

Figure 102. Exemple de surveillance de la station de base de tout le réseau .

126

Figure 103. L'interface d'ouvrir un scénario .

127

Figure 104 . L'interface d'enregistrer un scénario .

127

Figure 105. L'interface d'aide .

128

Figure 106. L'interface d'h propos.

128

Figure 107. L'interface pour quitter le simulateur .

12 9

bistR dRs tablRs

Tableau 1. Technologies des capteurs.

10

Tableau 2. Les éventuelles menaces dans les RCSFs.

24

Tableau 3. Limitations physiques des noeuds capteurs.

28

Tableau 4. Les attaques DOS dans les couches réseau.

44

Tableau 5.les caractéristiques de quelques capteurs.

62

Tableau 6.Les valeurs des différents critères pour les noeuds confidents.

69

Tableau 7.Les valeurs des poids des voisins pour chaque noeud confident.

70

Tableau 8. La surveillance de deux noeuds membres par leur CH.

80

Tableau 9. L'état de cluster à l'instant T0.

81

Tableau 10.L'état de cluster à l'instant T1.

81

Tableau 11.L'état de cluster à l'instant T2.

81

Tableau 12.L'état de cluster à l'instant T3.

81

Tableau 13.L'état de cluster à l'instant T4.

82

Tableau 14. L'état de cluster à l'instant T5.

82

Tableau 15.L'état de cluster à l'instant T6.

82

Tableau 16.Paramètre généraux de simulation.

100

Introduction Générale

 

La convergence de la micro-electronique et des technologies de communication sans-fil a permis la creation d'une combinaison entre les systemes embarques et les systemes distribues ayant engendre les Reseaux de Capteurs Sans-fil ou RCSFs (Wireless Sensor Networks). Les capteurs apparaissent comme des systemes autonomes miniaturises, equipes d'une unite de traitement et de stockage de donnees, d'une unite de transmission sans-fil et d'une batterie . Organises sous forme de reseau, les capteurs (ou nceuds) d'un RCSF, malgre la limitation de leurs ressources de calcul, de stockage et d'energie, ont pour mission de recolter des donnees et les faire parvenir a une station de base.

Par principe, les nceuds du reseau ont un mode d,organisation spontane (ils forment donc un reseau ad hoc) car ils sont prevus pour etre deployes rapidement et arbitrairement . Les reseaux de capteurs sans-fil sont de plus en plus utilises dans des applications de surveillance de grands systemes dans une variete de domaines : le militaire, l,environnement, la sante, l'habitat, etc. Leur remarquable essor est du a leur taille de plus en plus reduite, leurs prix de plus en plus faible ainsi que leur support de communication sans-fil attrayant peu encombrant mais egalement peu securisant .

La securite est une necessite pour la majorite des applications qui utilisent les RCSFs, notamment si les nceuds capteurs sont deployes dans des endroits peu surs, tels que les champs de bataille, les lieux strategiques (aeroports, bâtiments critiques, etc .) . Ces nceuds capteurs qui operent dans des lieux difficiles d'acces, sans protection et sans possibilite de rechargement de batterie, peuvent etre soumis a des actions perturbatrices et malveillantes susceptibles de compromettre l'essence meme d'un RCSF . C'est pourquoi, il est primordial de pouvoir leur assurer un niveau de securite acceptable. Compte tenu de leurs specificites contraignantes, la securite dans ce type de reseaux releve d'un veritable challenge. Comme l'objectif premier des nceuds d'un RCSF est de rassembler des donnees de surveillance et de les transmettre a un lieu de decision, cette operation doit se faire sans interferences malicieuses et avec un niveau de securite approprie .

Dans ce memoire, nous nous proposons notre approche de surveillance distribuee, qui necessite une etape prealable pour auto-organiser le RCSF avant de surveiller ce dernier . Pour cela on a examine leurs capacites a resister a diverses attaques et leurs aptitudes a minimiser l'usage des ressources dejà limitees dans ce contexte . Notre objectif est de

pouvoir proposer un protocole pour gérer un réseau de capteurs sans fils et détecter les

éventuels mauvais comportements des noeuds capteurs permettant de s'acquitter de sa tâche tout en garantissant une economie d'energie, de ressources tres critiques dont depend essentiellement la duree de vie d'un RCSF .

Organisation du mémoire

 

Ce memoire est organise comme suit :

Pour mieux cerner les enjeux de notre etude, nous presenterons dans le premier chapitre un preambule sur l'environnement sans-fil, les reseaux ad hoc, l'architecture et les caracteristiques des RCSFs .

Le second chapitre concerne la securite dans les RCSF en definissant les objectifs de la securite et les mecanismes qui les verifient . Ensuite nous aborderons les differents obstacles de la securite des RCSFs qui rendent le systeme global de communication fragile a un certain nombre de defaillances . Nous exposons aussi les differents types des mauvais comportements qui peuvent viser le reseau . Nous terminerons ce chapitre par la classification des solutions de securite existantes dans les RCSFs

Le troisieme chapitre traite notre contribution dans la problematique de la securite distribuee dans les RCSFs . On commencera par une description des differents notions et parametres qui entrent dans la construction de nos algorithmes . Enfin nous decrirons les algorithmes proposes pour le clustering et la surveillance du reseau ainsi qu'une modelisation du systeme par le langage UML .

Le quatrieme chapitre, decrit la mise en oeuvre de notre simulateur, et expose les resultats d,implementation et de tests.

Enfin, notre memoire s'acheve par une conclusion generale resumant les grands points qui ont ete aborde ainsi que des perspectives pour les travaux futurs dans ce domaine .

 
 
 
 

RCSF : Gfinfiraliths

Chapitre 1

 
 

Chapitre

1

XGSF : linirgitis

1-Introduction Page : [01-02]

2- Environnement sans fil Page : [02-06]

3-Les reseaux de capteurs sans fils Page : [07-13]

4-Application des RCSFs Page : [13-14]

5-Contraintes de conception des RCSFs Page : [15-18]

6-Architecture des RC8Fs Page : [18-20]

7-Couverture dans les RC8Fs Page : [20-21]

8-Connectivith dans les RC8Fs Page : [21-23]

9-Conclusion Page : 23

1- rntroc/uction

En 1999, elle est considérée par le DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) comme « l'une des 21 créations pour le 21ème siècle » [1], en 2003 on nous annonce que c'est « l'une des 10 nouvelles technologies qui vont bouleverser le monde » [2], et en 2009 le IDTechEx (The World's most comprehensive RFID (Radio-frequency identification) case studies database)) a scruté que c'est « La technologie qui a réalisée le rêve d'auto-surveiller et de prévenir contre les incedies, les avalanches, les ouragans, les failles des équipements, les accidents de circulation, les hôpitaux et beaucoup d'autres applications sur des zones étendues» [3]. Cette technologie révolutionnaire n'est autre que les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) ou plus connue sous le nom de wireless sensor networks (WSN). Le développement de tels réseaux a été accompli grâce aux avancées techniques et technologiques réalisées dans les domaines des systèmes embarqués, les communications sans fil et les systèmes distribués.

Les RCSFs sont basés sur l'effort collaboratif d'un grand nombre de noeuds qui opèrent d'une manière autonome et complètement transparente pour l'utilisateur. Ces noeuds, communément appelés capteurs, sont des dispositifs d'une taille minuscule qui intègrent des unités de calcul et de communication sans fil. Le rôle de ces capteurs consiste à détecter un phénomène dans un environnement proche, de traiter les données captées et enfin envoyer le résultat de l'analyse via un support de transmission sans fil.

Chapitre 1

 

RCSF : Gfinfiralitfis

 
 

Les recherches sur les réseaux de capteurs ont commencé au début des années 1980 au DARPA avec le projet DSN (Distributed Sensor Networks). Ce dernier élaborait un réseau avec plusieurs noeuds capteurs câblés et distribués mais capables de collaborer.

Aux années 1990 et avec le développement qu'a connu la technologie sans fil, les chercheurs ont commencé sérieusement à envisager la possibilité d'utiliser des réseaux sans fil pour les applications de captage. Une des premières recherches dans ce sens fut le projet LWIM (Low power Wireless Integrated Microsensors) à l'UCLA (University of California, Los Angeles). Ce projet avait pour but le développement de capteurs avec une faible consommation d'énergie afin de permettre la conception de larges et denses réseaux de capteurs sans fil. Quelques années plus tard, ce projet est succédé par le WINS (wireless integrated networked sensor) dans lequel les chercheurs d'UCLA ont collaboré avec ceux du Rockwell science center pour le développement des premiers capteurs sans fil [2] .

Dans ce premier chapitre, nous présenterons l'environnement sans fils et un ensemble de généralités sur les réseaux de capteurs et notamment sur leur architecture, caractéristiques, et leurs domaines d'applications.En outre, la notion de couverture et de connectivité sera détaillée ainsi que l'ensemble des facteurs influençant leur conception.

2-ZnVironnefttent sins fit

La croissance rapide des réseaux sans fil a permis l'émergence des communications sans fil. Les réseaux sans fil se sont développes essentiellement avec la téléphonie mobile. L'un des principaux avantages du déploiement des réseaux sans fil réside dans leur flexibilité d'emploi. En effet, ils permettent la mise en réseau d'unîtes sans fil évitant ainsi l'utilisation de câblages aux couts onéreux ou impossibles à mettre en place a cause de la présence d'unîtes mobiles par exemple. La recherche et le développement dans le domaine sans fil font des avancées considérables. Les utilisateurs sont passes en peu de temps de l'utilisation du GSM (Global System for Mobil communication) le standard de téléphonie mobile du 21ème siècle au GPRS (General Packet Radio Service) et actuellement a l'UMTS qui est la téléphonie mobile avec accès a internet (L'Universel Mobil Télécommunications System). Les réseaux sans fil utilisent les ondes radio pour communiquer. Ces dernières sont plus exposés aux perturbations et aux interférences que ne le sont les communications filaires [6].

2.1--Les différentes catégories des réseaux sans fil

La classification des réseaux sans fil peut s'effectuée selon le périmètre géographique ou l'infrastructure du réseau [5].

Selon le périmètre géographique dans lequel il se situe, un réseau sans fil appartient à l'une des catégories suivantes (Figure1): réseaux personnels sans fil (WPAN), réseaux métropolitains sans fil (WMAN), réseaux locaux sans fil (WLAN) et réseaux étendus sans fil (WWAN).

La Figure1 illustre les différentes classes de réseaux, les standards utilisés et leurs zones de couverture.

Chapitre 1

RCSF : Gfinfiralitfis

Figure 1. Différentes catégories des réseaux sans fils.

Figure 2. Principales normes des réseaux sans fils.

Chapitre 1

 

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Selon l'infrastructure du réseau, les réseaux sans fil peuvent être classifies en réseaux sans infrastructure ou avec infrastructure. Dans ce qui suit une classification selon l'infrastructure des réseaux sans fil sera détaillée.

2.2-Classification des réseaux sans fil selon l'infrastructure

Les réseaux sans fil peuvent être classifies en deux catégories : les réseaux avec une infrastructure et les réseaux sans infrastructure [6].

2.2.1-Les réseaux avec infrastructure(Les réseaux cellulaires)

Un réseau cellulaire est un système de communication basé essentiellement sur l'utilisation des réseaux filaires et la présence des stations de base qui couvrent les différentes unités mobiles du système [5].

Un réseau cellulaire est composé de sites fixes interconnectés entre eux à travers un réseau de communication filaire, généralement fiable et d'un débit élevé. Parmi les sites fixes, on retrouve les stations de bases SB. Chacune d'elles définit une région appelée cellule et administre un ensemble d'unités mobiles (noeuds) qui communiquent entre elles par une liaison sans fil possédant une bande passante limitée qui réduit sévèrement le volume des informations échangées. Une cellule correspond à une zone de couverture où les noeuds communiquent avec d'autres noeuds de l'intérieur ou de l'extérieur de la cellule.

Figure 3. Modèle des réseaux cellulaires.

La configuration standard d'un système de communication cellulaire est un maillage de cellules hexagonales. Initialement, une région peut être couverte uniquement par une seule cellule. Quand la compétition devient importante pour l'allocation des canaux, la cellule est généralement divisée en sept cellules plus petites [6].

Cette subdivision peut être répétée et l'on parle alors de systèmes micro-cellulaires. Les

cellules adjacentes dans le maillage doivent utiliser des fréquences différentes ce qui permet d'éviter les interférences entre elles, contrairement à celles qui sont situées sur les côtés opposés du maillage et qui peuvent utiliser la même fréquence sans risque d'interférence.

Pour les cellules de faibles tailles (possédant un petit nombre de noeuds), la bande passante augmente. Par contre, pour les cellules de grandes tailles, l'émission de données est limitée.

 
 
 
 

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Chapitre 1

 
 

2.2.2-Les réseaux sans infrastructure (Les réseaux Ad Hoc)

Le concept des réseaux Ad Hoc essaye d'étendre la notion de la mobilité à toutes les composantes de l'environnement mobile. Ici, contrairement aux réseaux basés sur la communication cellulaire, aucune administration centralisée n'est disponible. Ce sont les hôtes mobiles, eux même, qui forment, d'une manière ad hoc, une infrastructure du réseau. Aucune supposition n'est faite sur la taille du réseau ad hoc, théoriquement, le réseau peut contenir plusieurs milliers d'unités mobiles [8].

2.2.2.1 -Définition

Un réseau ad hoc, appelé généralement MANET (Mobile Ad hoc Network), est une collection d'unités mobiles munies d'interfaces de communication sans fil, formant un réseau temporaire sans recourir à aucune infrastructure fixe ou administration centralisée .Dans de tels environnements, les unités se comportent comme des hôtes et/ou des routeurs.

Les noeuds des MANETs sont équipés d'émetteurs et de récepteurs sans fil utilisant des antennes qui peuvent être omnidirectionnelles (broadcast), fortement directionnelles (point à point), ou une combinaison de ces deux types. Ils maintiennent d'une manière coopérative la connectivité du réseau, en fonction de leurs positions, la configuration de leurs émetteurs/récepteurs, la puissance de transmission et les interférences entre les canaux de communication [9].

2.2.2.2- Modèle d'un système de réseau Ad Hoc

A un instant t, un réseau ad hoc peut être modélisé par un graphe non orienté

Gt= (Vt, Et), où Vt représente l'ensemble des noeuds mobiles, et Et représente l'ensemble des liens de communication existants entre ces noeuds (Figure 5).

Si e= (u, v) ? Et, cela veut dire que les noeuds u et v sont en mesure de se communiquer directement à l'instant t.

La mobilité des noeuds appartenant à un réseau ad hoc fait que sa topologie peut changer à n'importe quel moment, ce qui entraîne les déconnexions fréquentes (Figure 4) [6].

Chapitre 1

 

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2.2.2.~ -Caractéristiques des réseaux Ad Hoc

Les réseaux Ad hoc sont principalement caractérisés par :

v Une topologie dynamique : dans les réseaux ad-hoc les noeuds sont mobiles ; la topologie est donc constamment amenée à changer. Un noeud peut changer de position, quitter le réseau ou encore le rejoindre, ce qui modifie par conséquent les liens avec ses noeuds voisins [4].

v L'autonomie des noeuds : l'énergie limitée des noeuds pose un problème épineux, qu'il est important de prendre en considération dans la conception et la mise en place d'un protocole spécifique aux réseaux ad-hoc [4].

v La sécurité : les réseaux sans fil sont connus pour être sensibles aux problèmes de sécurité. Comparés aux réseaux filaires, le risque des attaques est plus grand. En effet, l'architecture des réseaux sans fil et les liaisons sans fil peuvent favoriser les intrusions et les ondes radios sont exposées à l'écoute des échanges de messages et aux perturbations [5].

v Liaison sans fil : le seul moyen de communication dans les réseaux ad-hoc est l'utilisation d'une interface sans fil. Le débit réel des communications sans fil entre les noeuds de réseaux ad-hoc est souvent inferieur aux taux de transfert théorique à cause de l'atténuation du signal, du bruit et des interférences [4].

2.2.2.4- Applications des réseaux Ad hoc

Les applications ayant recours aux réseaux ad hoc couvrent un très large spectre, incluant les applications militaires, les bases de données parallèles, l'enseignement à distance, les systèmes de fichiers répartis, la simulation distribuée interactive et plus simplement les applications de calcul distribué. D'une façon générale, les réseaux ad hoc sont utilisés dans toute application où le déploiement d'une infrastructure réseau filaire est trop contraignant, soit parce qu'il est difficile à mettre en place, soit parce que la durée d'installation du réseau ne justifie pas de câblage à demeure [9].

 
 
 
 

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3--Les reseaux t(e capteurs sans fits

Depuis quelques décennies, le besoin d'observer et de contrôler des environnements hostiles est devenu essentiel pour de nombreuses applications militaires et scientifiques. Les noeuds utilisés doivent être autonomes, d'une taille miniature et peuvent être déployés d'une manière dense et aléatoire dans le champ surveillé. Une classe spéciale des réseaux Ad Hoc appelée réseaux de capteurs sans fil est apparue ces dernières années, grâce aux développements technologiques tels que la miniaturisation des composants électroniques, la diminution des coûts de fabrication et l'augmentation des performances et des capacités de stockage, d'énergie et de calcul [5].

3.1 --Définition

Les réseaux de capteurs sans-fil sont considérés comme un type spécial des réseaux ad hoc ou l'infrastructure fixe de communication et l'administration centralisée sont absentes et les noeuds jouent, à la fois, le rôle des hôtes et des routeurs. Les noeuds capteurs sont des capteurs intelligents "smart sensors", capables d'accomplir trois taches complémentaires : le relevé d'une grandeur physique, le traitement éventuel de cette information et la communication avec d'autres capteurs. L'ensemble de ces capteurs, déployés pour une application, forme un réseau de capteurs. Le but de celui-ci est de surveiller une zone géographique, et parfois d'agir sur celle-ci (il s'agit alors de réseaux de capteurs-actionneurs)

[8].

3.2--Objectif de base des RCSFs

Les objectifs de base des réseaux de capteurs sans-fil dépendent généralement des applications, cependant les tâches suivantes sont communes a plusieurs applications :

v Déterminer les valeurs de quelques paramètres suivant une situation donnée. Par exemple, dans un réseau environnemental, on peut chercher à connaitre la température, la pression atmosphérique, la quantité de la lumière du soleil, et l'humidité relative dans un nombre de sites, etc.

v Détecter l'occurrence des événements dont on est intéresse et estimer les paramètres des événements détectes. Dans les réseaux de contrôle de trafic, on peut vouloir détecter le mouvement de véhicules à travers une intersection et estimer la vitesse et la direction du véhicule.

v Classifier l'objet détecte. Dans un réseau de trafic, un véhicule est-il une voiture, un bus, etc.

3.3-- Composants d'un réseau de capteurs

Un réseau de capteurs sans fil générique est composé d'un grand nombre de noeuds capteurs dispersés dans le terrain d'intérêt appelé champ de captage. Les noeuds ont la possibilité de collecter périodiquement les données sur le phénomène surveillé et envoyer les rapports de captage à un noeud spécial appelé puits (sink/stationde base). Ce noeud est responsable, en plus de la collecte des rapports, de la diffusion des demandes sur les types de données requise aux capteurs via des messages de requêtes [8].

Chapitre 1

 

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Figure 6. Le champ de captage dans un réseau de capteurs sans fil

3.4-- Les noeuds capteur

C'est un système qui sert à détecter, sous forme de signal souvent électrique, un phénomène physique.

Un capteur est un petit appareil doté de mécanismes lui permettant de relever des informations sur son environnement. La nature de ces informations varie très largement selon l'utilisation qui est faite du capteur : ce dernier peut tout aussi bien faire des relevés de température, d'humidité ou d'intensité lumineuse. Un capteur possède également le matériel nécessaire pour effectuer des communications sans-fil par ondes radio [10].

Ultrasonic Magnetic Sensor
(8×8×5.7mm)

Image Sensor Modules
(22.5×22.5×39mm)

Figure 7: Exemples des capteurs.

 
 
 
 

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3.5-Technologies des capteurs

Les recherches dans les RCSF ont débuté par l'agence DARPA pour des besoins de surveillance militaire, avec le projet LWIM et le projet SenseIT qui a été succédé plus tard en 1993-1998 par le projet WINS de sciences Rockwel. Par la suite, d'autres ont vu le jour en 1999 essentiellement parmi les milieux universitaires [6].

Par exemple en 1999, UC Berkeley, l'USC, et, MIT avec le projet pAMPS. Ces projets ont permis le développement de plusieurs types de capteurs.

Node

Picture

CPU

Memory

Remarks

BTnode

 

Atmel ATmega128L(AVR RISC 8 MHz @ 8 MIPS)

64+180

Kbyte SRAM, 128 Kbyte

F lash R OM,

BT nodes project

The Computer

E ngineering and

Networks Laboratory (ETH Zurich)

EYES

 

MSP 430F149 (5 MHz @ 16 Bit)

60 Kbytes of program memory, 2 Kbytes data memory

the University of Twente

Rockwell Wins-Hidra Nodes

 

SrongARM 1100 (133MHz)

4MB Flash 1MB SRAM

5.08x5.08 cm board and 8.89x8.89x7.62 cm enclosure ROCKWELL

Sensoria WINS NG 2.0

 

SH-4 processor (167 Mhz)

 

Linux 2.4 and Sensoria API SENSORIA

Sensoria WINS 3.0

 

Intel PXA255 (scalable from 100 to 400 MHz)

64MB SDRAM 32MB Flash

Linux 2.6, APIs for sensing, power management, and networking, time synchronization

Sensoria NetGate300

 

32-bit, 300 MIPS SH-4 processor

64MB SDRAM 32 Flash

Linux 2.4.16, wirelessFabric networking technology.

Sensoria sGate

 

64MB SDRAM 32 Flash

Linux 2.4.16, wirelessFabric networking technology.

UCLA iBadge

 
 

Smart Kindergarten

 

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BWRC PicoNode

 

Strong ARM 1100

4Mb DRAM,
4mB fLASH

7.62x10.16x5.08cm PicoRadio: Berkeley Wireless Research Center

UAMPS MIT

 

StrongARM SA-1100

16Mb RAM, 512KB ROM

An Architecture for a Power-Aware

SpotON

 
 

MC68EZ328 «Dragonball» processor

 

Design and Calibration of the SpotON Ad-Hoc Location Sensing System

Ipaq UCLA

 

206MHz Intel StrongARM

64MB RAM 32 Flash

 

CSIRO Fleck

 

Atmega128L

 

CSIRO ICT Center

Spec

 

4-8Mhz Custom 8- bit

3K RAM

Matt Welsh poster

Rene

 

ATMELL8535

512B RAM 8K Flash

TinyOS Hardware

weC

 

Atmel AVR AT90S2313

 

weC introduction

Dot

 

1KB RAM 8- 16KB Flash

weC introduction

Mica2

 

Atmel ATmega128L

4K RAM 128K Flash

TinyOS Crossbow

Telos

 

Motorola HCS08

4K RAM

TinyOS TELOS

Ember node

 

Atmel's ATmega128L-8MI MCU

 

7mm x 7mm Ember

 

 
 
 
 

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Imote

 

ARM core 12MHZ

64KB SRAM, 512 KB Flash

TinyOS INTEL

Stargate

 

Intel PXA255

64KNSRM

Crossbow

Intrinsyc's Cerfcube 255

 

Intel PXA255

32KB Flash 64KB SRAM

76.2 x 76.2 x 76.2 mm INTRINSYC

 
 
 

32KB Flash 64KB SRAM

THE PLATFORMS ENABLING WIRELESS SENSOR NETWORKS

 

Tableau 1. Technologies des capteurs.

3.6-Caractéristiques des réseaux de capteurs

v Energie limitée: Dans un RCSF l'alimentation de chaque noeud est assurée par une source d'énergie limitée et généralement irremplaçable à cause de l'environnement hostile où il est déployé. De ce fait, la durée de vie d'un RCSF dépend fortement de la conservation d'énergie au niveau de chaque noeud.

v Modèle de communication: Les noeuds dans les RCSF communiquent selon un paradigme plusieurs-à-un (many to one). En effets, les noeuds capteurs collectent des informations à partir de leur environnement et les envoient toutes vers un seul noeud qui représente le centre de traitement.

v Densité de déploiement : Elle est plus élevée dans les RCSF que dans les réseaux Ad Hoc. Le nombre de noeuds capteurs peut atteindre des millions de noeuds pour permettre une meilleure granularité de surveillance. De plus, si plusieurs noeuds capteurs se retrouvent dans une région, un noeud défaillant pourra être remplacé par un autre. Cependant, la densité de déploiement donne naissance à des challenges pour la communication entre les noeuds. En effet, elle provoque des collisions ou des endommagements des paquets transmis.

v Absence d'adressage fixe des noeuds: Les noeuds dans les réseaux sans fil classiques sont identifiés par des adresses IP. Cependant, cette notion n'existe pas dans les RCSF. Ces derniers utilisent un adressage basé sur l'attribut du phénomène capté, on parle donc de l'adressage basé-attribut. En effet, les requêtes des utilisateurs ne sont pas généralement destinées à un seul noeud, mais plutôt, à un ensemble de noeuds identifiés par un attribut [8].

v Limitations de ressources physiques : A cause de la miniaturisation des composants électroniques, les performances des noeuds capteurs sont limitées. Par conséquent, les noeuds capteurs collaborent en traitant partiellement les mesures captées et envoient seulement les résultats à l'utilisateur. Une autre conséquence, ces limitations imposent des portées de transmission réduites contraignant les informations à être relayées

Chapitre 1

 

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de noeud en noeud avant d'atteindre le destinataire. C'est la raison pour laquelle les RCSF adoptent des communications multi-sauts.

v Sécurité: En plus des problèmes de sécurité rencontrés dans les réseaux Ad Hoc en général, les RCSF rencontrent d'autres handicaps dus à leurs challenges, à savoir l'autonomie et la miniaturisation des capteurs. Cela engendre l'inapplicabilité des mécanismes de défense utilisés dans les réseaux Ad Hoc tout en créant d'autres mécanismes de sécurité pour les RCSF. De plus, l'absence d'une sécurité physique dans l'environnement hostile où ils sont déployés, expose les noeuds à un danger qui tend vers la falsification de l'information. En effet, les noeuds capteurs eux-mêmes sont des points de vulnérabilité du réseau car ils peuvent être modifiés, remplacés ou supprimés.

3.1-Les plateformes des réseaux de capteurs sans fil

Actuellement, une large gamme de plateforme de micro-capteurs est disponible. Leurs architectures et leurs tailles différentes selon les types d'applications auxquelles elles sont destinées. La Figure8 indique l'évolution de la taille des capteurs à travers le temps [6].

Figure 8. Progression des technologies de capteurs à travers le temps.

v 3.1.1-Architecture logicielle

Afin qu'un capteur puisse récolter et transmettre des données environnementales, il doit disposer de cinq sous système software de base.

v 3.1.1.1-Le système d'exploitation

Pour supporter les différentes opérations des noeuds, il est important d'avoir un système d'exploitation open source conçu spécifiquement pour les RCSFs. Ces systèmes d'exploitation utilisent une architecture basée sur les composants. Cela permet une implémentation et une innovation rapide et un code source de taille réduite.

ü Nous présentons ci-dessous les systèmes d'exploitation les plus connus parmi ceux conçus pour réseaux de capteurs [5] :

ü TinyOS (Berkley) : est un système d'exploitation open source. Il s'appuie sur un langage NesC. Il est conçu pour les réseaux de microsystème autonomes communicants. Il dispose d'une plateforme modulaire, d'une mémoire minimum. Il a un fonctionnement événementiel. Il est utilisé et commercialise par plus de 500 laboratoires dans le monde.

ü Contik Os (Swidech Institute of Computer Science) : c'est un OS open source qui requièrent quelques kilobits (Kb) de code et une centaine de bites de RAM dans sa version de base. Avec le protocole TCP/IP et l'interface graphique le code occupe 30 Kb. Il est utilisé dans les TMote du projet RUNES.

 
 
 
 

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ü

NutOs et BTNut : NutOs est un OS open source fait pour ETHERNUT (Ethernut embedded ethernet board). Ce système d'exploitation permet des Multitâches coopératives. Dans cet OS, la pile TCP/IP, les protocoles DHCP, DNS, HTTP et PPP sont implémentés. NutOs est la base de l'OS BTNut utilisé dans les BTnodes.

ü Think : est une implémentation du modèle Fractal en C. Il a été développé par l'INRIA et France Telecom R&D pour créer des systèmes d'exploitation pour les systèmes embarqués et les applications s'exécutant dessus. Think permet l'allocation dynamique.


·
·

4 - fisryyttcxtton s concretes cries JZC,ST's

Les noeuds capteurs sont utilisés dans une large gamme (thermique, optique, vibrations, ...). En effet, la taille de plus en plus réduite des micro-capteurs, le coût de plus en plus faible, ainsi que le support de communication sans fil utilisé, permettent aux réseaux de capteurs d'envahir de nouveaux domaines d'applications tels que le domaine militaire, environnemental, santé, sécurité et commercial. D'autres catégories peuvent être considérées telles que l'exploitation de l'espace, le traitement chimique et le contrôle des désastres.

Certaines applications militaires utilisent les WSN afin de contrôler les différentes troupes, de surveiller toutes les activités des forces ennemies ou d'analyser le terrain avant d'y envoyer des troupes (détection d'agents chimiques, biologiques ou de radiations).

Les applications des WSN pour l'environnement incluent la poursuite du mouvement des oiseaux, de petits animaux, et des insectes ainsi que du contrôle des conditions de

l'environnement qui affectent les produits agricoles, l'irrigation, l'exploration planétaire, etc. L'utilisation des réseaux de capteurs dans le domaine de la médecine pourrait apporter une surveillance permanente des patients et une possibilité de collecter des informations physiologiques de meilleure qualité, facilitant ainsi le diagnostic de quelques maladies [8].

Chapitre 1

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5- Gontritintes cle conception cl~s fZG4Fs

La conception et la réalisation des réseaux de capteurs sans fil est influencée par plusieurs paramètres, parmi lesquels nous citons la tolérance aux pannes, la scalabilité, le coût de production, l'environnement d'exploitation, la topologie du réseau, les contraintes matérielles, le support de transmission et la consommation d'énergie. Ces facteurs importants servent comme directives pour le développent des algorithmes et protocoles utilisés dans les réseaux de capteurs, ils sont considérés également comme métriques de comparaison de performances entre les différents travaux dans le domaine.

5.II -La tolérance aux pannes

Le réseau doit être capable de maintenir ses fonctionnalités sans interruption en cas de défaillance d'un de ses capteurs. Cette défaillance peut être causée par une perte d'énergie, dommage physique ou interférence de l'environnement. Le degré de tolérance dépend du degré de criticité de l'application et des données échangées.

i Un premier défi sera donc d'identifier et de modéliser formellement les modes de

défaillances des capteurs, puis de repenser aux techniques de tolérance aux fautes à mettre en oeuvre sur le terrain [7].

5.2 -La scalabilité

Une des caractéristique des RCSFs est qu'ils peuvent contenir des centaines voir des milliers de noeuds capteurs. Le réseau doit être capable de fonctionner avec ce nombre de capteurs tout en permettant l'augmentation de ce nombre et la concentration (densité) des noeuds dans une région (pouvant dépasser 20 noeuds/m3).

Un nombre aussi important de noeuds engendre beaucoup de transmissions inter nodales (implémentation d'une détection d'erreur, d'un contrôle de flux,..) et nécessite que le puits soit équipe de beaucoup de mémoire pour stocker les informations reçues [8].

5.~ -Les coûts de production

Le cout de production d'un seul capteur est très important pour l'évaluation du cout global du réseau. Si ce dernier est supérieur a celui nécessaire pour le déploiement des capteurs classiques, l'utilisation de cette nouvelle technologie ne serait pas financièrement justifiée.

Par conséquent, réduire le cout de production jusqu' a moins de 1 dollar par noeud est un objectif important pour la faisabilité de la solution des réseaux de capteurs sans-fil [7].

5.4- Les contraintes matérielles

Un noeud doit être placé dans une petite surface n'excédant pas, généralement, un centimètre cube (1cm3). En outre de cette contrainte de surface, un ensemble de conditions doit être satisfait. Un noeud capteur doit :

I( consommer le minimum d'énergie,

ü opérer dans une haute densité,

ü avoir un coût de production réduit,

ü être autonome et pouvoir opérer sans assistance,

ü être adaptatif à l'environnement [8].

Figure 10. Les composants d'un noeud capteur.

5.5- La topologie

Le déploiement d'un grand nombre de noeuds nécessite une maintenance de la topologie. Cette maintenance consiste en trois phases :

Déploiement

ü Post-déploiement (les senseurs peuvent bouger, ne plus fonctionner,...)

ü Redéploiement de noeuds additionnels [7].

5.6 -Support de transmission

Les noeuds communiquant sont relies de manière sans-fil. Ce lien peut être réalise par radio, signal infrarouge ou un media optique.

Il faut s'assurer de la disponibilité du moyen de transmission choisi dans l'environnement de capture afin de permettre au réseau d'accomplir la totalité de ses taches. Pour les liens de communication via les fréquences radio, les bandes ISM (Industrial Scientific Medical bands) peuvent être utilisées. Pour les réseaux de capteurs, les unités de transmission intégrées au niveau des noeuds doivent être de petite taille et a faible consommation d'énergie [8].

5.1- La consommation d'énergie

Comme les noeuds capteurs sont des composant micro-électroniques, ils ne peuvent être équipés que par des sources limitées d'énergie (<5 Ampère-heure, 1.2 V).

De plus, dans certaines applications, ces noeuds ne peuvent pas être dotés de mécanismes de rechargement d'énergie, par conséquent, la durée de vie d'un noeud capteur dépend fortement de la durée de vie de la batterie associée.

Sachant que les réseaux de capteurs sont basés sur la communication multi-sauts, chaque noeud joue à la fois un rôle d'initiateur de données et de routeur également, le mal fonctionnement d'un certain nombre de noeud entraîne un changement significatif sur la topologie globale du réseau, et peut nécessiter un routage de paquets différent et une réorganisation totale du réseau. C'est pour cela que le facteur de consommation d'énergie est d'une importance primordiale dans les réseaux de capteurs [7].

5.1.1- Phases de consommation d'énergie

Détecter les évènements dans l'environnement capté, élaborer un traitement de données local et rapide, et transmettre les résultats à l'utilisateur sont les principales tâches d'un noeud dans un réseau de capteurs. Les étapes de consommation d'énergie par ce noeud peuvent être, dès lors, divisées en trois phases : le captage, la communication et le traitement de donnée.

 
 
 
 

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5.1.1.1 -Phase de captage

L'énergie consommée au moment du captage varie suivant la nature de l'application. Un captage sporadique consomme moins d'énergie qu'un contrôle d'événement constant.

5.1.1.2- Phase de communication

L'énergie de communication représente la plus grande proportion de l'énergie totale consommée au niveau d'un noeud. Cette communication est assurée dans la plupart des RCSFs par le support de transmission radio. La consommation d'énergie de ce dernier est affectée par plusieurs facteurs : le type du système de modulation, la quantité des données à communiquer, la puissance de transmission (déterminée par la distance de transmission), etc.

Solution : La minimisation d'énergie pendant la communication est principalement liée aux protocoles développes pour la couche MAC et la couche réseau. Le but des protocoles de cette dernière est de trouver les routes optimales en termes de consommation d'énergie. En effet, la perte d'énergie due a un mauvais acheminement des paquets de données a un impact sur la durée de vie du réseau.

5.1.13- Phase de traitement de données

Cette tache inclut le contrôle des composants de capture et l'exécution des protocoles de communication et des algorithmes de traitement de signaux sur les données collectées. Elle est effectuée par des microprocesseurs. Le choix de ces derniers est en fonction du scenario de l'application, et il fait en général un compromis entre le niveau de performance et la consommation d'énergie.

Figure 11. Consommation d'énergie en captage, traitement et transmission.

Solution . Il existe deux approches pour la minimisation énergétique lors du traitement des données par un noeud capteur :

L'approche partitionnement du système : consiste a transférer un calcul prohibitif en temps de calcul vers une station de base qui n'a pas de contraintes énergétiques et qui possède une grande capacité de calcul.

Chapitre 1

 

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ü L'approche DVS "Dynamic Voltage Scaling" : consiste a ajuster de manière adaptative la tension d'alimentation et la fréquence du microprocesseur pour économiser la puissance de calcul sans dégradation des performances.

6 -- Arckitecture ces XC4Fs

Dans les réseaux de capteurs, les noeuds sont déployés dans environnement sans infrastructure, en n'ayant aucune information sur la topologie globale, même locale du réseau construit. Pour cela, les noeuds capteurs doivent graduellement établir l'infrastructure de communication durant une phase d'initialisation. Cette infrastructure doit leur permettre de répondre aux requêtes venant des sites distants, d'interagir avec l'environnement physique, réagir aux données captées, et transmettre ces données via une communication multi-sauts .

Les noeuds capteurs sont généralement dispersés sur un champ de surveillance d'une manière arbitraire (Figure 12), chacun de ces noeuds a la capacité de collecter les données, les router vers le noeud puits (sink/stationde base), et par la suite vers l'utilisateur finale via une communication multi-sauts. Le noeud puits peut communiquer avec le noeud coordinateur de tâches (administrateur) par Internet ou par satellite.

Figure 12. Schéma général d'un réseau de capteurs.

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