Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire Ministre de lEnseignement Suprieure et de la Recherche Scientifique
Universit Tahri Mohamed de Bchar
Facult des Sciences Exactes
Dpartement de Mathmatique et Informatique
Mmoire de fin dtudes
En vue de lobtention du diplme de Master en Informatique
Option : Systmes Informatiques et Rseaux
THEME
Prsent par : Encadr par :
HADJADJI Samia Mr. BELAGUID M
Anne universitaire 2014/2015
Systme de supervision
des rseaux de capteurs sans fil
Remerciements Tout dabord grce dieu le tout puissant et misricordieux de mavoir
donn la foi et mavoir permis dapprendre et raliser ce travail. Je tiens remercier mes trs chre parent pour le sacrifice quils ont
constitu pendant la dure de mes tudes et qui mon fournis au quotidien soutien et une confiance sans faille et de ce fait, je ne saurais exprimer ma gratitude seulement par des mots.
Ensuite je tiens remercier lensemble des enseignants auxquels nous exprimons toute notre gratitude et notre sympathie et que sans leur collaboration et soutient de ce travail naurait pu tre ralis.
Je remercier en particulier Mr Belaguid Mustapha pour son savoir et culture ainsi que la confiance quil placer en moi durant toute la dure de ce travail.
Ainsi jadresse mes remerciements les plus chaleureux toutes les personnes qui mont aid de prs ou de loin par le fruit de leurs connaissances.
Jexprime galement ma gratitude tous les consultants et internautes rencontr lors de la recherche effectue et qui ont accept de rpondre mes questions.
Je tiens remercier luniversit TAHRI-Mohamed-Bchar qui ma donn lopportunit de vivre une exprience aussi enrichissante tout sur le plan humain que professionnel.
Jexprime galement ma gratitude aux membres du Jurys qui mont honor en acceptant de juger ce travail.
Enfin, j'adresse mes plus sincres remerciements tous mes proches et amis, qui m'ont toujours soutenu et encourag au cours de la ralisation de ce travail. Merci tous et toutes.
Ddicace
Je ddie ce travail :
Mes enseignants du cycle primaire jusquau cycle universitaire dont les conseils prcieux mont guid ; quils trouvent ici lexpression de ma reconnaissance.
En particulier, l'ensemble des enseignants de l'universit TAHRI-
Mohamed de Bchar. Mes trs chre parent Bachir et Fadila qui se sont dvolus pour que japprenne. Ce travail est le fruit de vos sacrifices que vous avez consentis pour mon ducation et ma formation. Mes deux frre Abdlatif et Mounir Mes oncles, tantes, cousin et cousine. Mes camarades et toutes Mes amies. A tous ceux ou celles qui me sont chers et que jai omis involontairement de citer.
La promotion MSIR-2015
Rsum
Les Rseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs), technologie cl du 21me sicle, sont bass sur
des systmes embarqus faibles ressources et sont fortement contraints (nergie, ressources,
interfrences, etc.). Leur domaine dapplications est trs vaste. Une application type peut
contenir plusieurs dizaines voire plusieurs milliers de nuds capteurs. Le but que se propose
ce projet de relever est de fournir des mthodes simples pour administrer ces rseaux et de
fournir des mthodes permettant de connaitre ltat des nuds. Cela est raliser laide dun
protocole inspir du protocole SNMP, ainsi lutilisation des mthodes de thorie des graphes
(la redondance et les points darticulation).
Ce systme a donc pour but de superviser distance les diffrents lments des rseaux de
capteurs sans fil, de permettre de visualiser et modifier leurs configurations ainsi que
d'accder aux diffrentes valeurs des capteurs.
Mots cls : Rseaux de Capteurs Sans Fil, Supervision, Protocol SNMP, Thorie des
graphes, Redondance, Points darticulation.
Summary
The Wireless Sensor Networks (WSNs), a key technology of the 21st century are based on
embedded systems with limited resources and are heavily constrained (energy, resources,
interference, etc.). Their range of applications is vast. A typical application may contain tens
to thousands of nodes sensors. The goal that this project intends to address is to provide
simple methods to manage these networks and provide methods to know the state of the
nodes. This is achieving by using a protocol based on the SNMP protocol, and the use of
graph theory methods (redundancy and the articulation points).
This system is designed to remotely monitor the various elements of wireless sensor
networks, allowing you to view and edit their configurations and to access the various sensor
values.
Keywords: Wireless Sensor Networks, Supervision, Protocol SNMP, Graph Theory,
redundancy, articulation points.
TABLE DES MATIERES
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page i
Table des matires
LISTE DES FIGURES ................................................................................................................. vi
LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................... x
LISTE DES ABREVIATIONS ..................................................................................................... xi
INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE ............................................................. 1
Chapitre I : GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
I.1. Introduction ............................................................................................................................ 4
I.2. Dfinition des rseaux sans fil ............................................................................................... 4
I.3. Les catgories des rseaux sans fil ....................................................................................... 5
I.3.1. Le rseau personnel sans fil (WPAN) ..................................................................... 5
I.3.1.1. La technologie Bluetooth ................................................................................. 5
I.3.1.2. La technologie ZigBee ..................................................................................... 5
I.3.1.3. Les liaisons infrarouges ................................................................................... 6
I.3.2. Le rseau local sans fil (WLAN) ............................................................................. 6
I.3.2.1. Les rseaux Wi-Fi (Wireless-Fidelity) ............................................................ 6
I.3.2.2. Les rseaux HiperLAN 2 (High Performance LAN 2.0) ................................ 6
I.3.3. Le rseau mtropolitain sans fil (WMAN) .............................................................. 6
I.3.3.1. les rseaux Wimax (Worldwide interoperability for Microwave Access) ....... 6
I.3.4. Le rseau tendu sans fil (WWAN) ......................................................................... 7
I.4. Dfinition dun rseau Ad Hoc .............................................................................................. 7
I.5. Capteur sans fil ...................................................................................................................... 7
I.5.1. Unit de captage ...................................................................................................... 8
I.5.2. Unit de traitement .................................................................................................. 8
I.5.3. Unit de communication ......................................................................................... 8
I.5.4. Unit dalimentation nergtique ........................................................................... 9
I.6. Rseau des capteurs sans fil ................................................................................................. 10
I.7. Le rseau des capteurs mobiles ............................................................................................ 11
I.8. Les tats oprationnels dun nud capteur .......................................................................... 12
I.9. Architecture de rseau de capteurs sans fil .......................................................................... 12
I.9.1. Les rseaux de capteurs sans-fil plats .................................................................... 12
I.9.2. Les rseaux de capteurs sans-fil hirarchiques ...................................................... 13
I.10. Les principales caractristiques et contraintes des RCSFs .................................................. 14
I.10.1. La consommation rduite dnergie ..................................................................... 14
I.10.2. Lauto-configuration des nuds capteurs ............................................................. 14
I.10.3. Lvolutivit .......................................................................................................... 14
I.10.4. La tolrance aux pannes ....................................................................................... 14
I.10.5. Une densit importante des nuds ....................................................................... 15
I.10.6. La Surveillance ...................................................................................................... 15
TABLE DES MATIERES
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page ii
I.10.7. La capacit de communication ............................................................................. 16
I.10.7.1. Les types de communication ......................................................................... 16
I.10.8. Une architecture data-centric .......................................................................... 17
I.10.9. Une collaboration entre les nuds ........................................................................ 18
I.10.10. La bande passante (ou capacit du canal) .......................................................... 18
I.10.11. Notion de cluster ................................................................................................ 18
I.10.12. La qualit de service ............................................................................................ 18
I.10.13. La topologie de rseau ......................................................................................... 19
I.11. La mise en uvre des rseaux sans fil ................................................................................. 19
I.11.1. Le mode de fonctionnement centralis ................................................................ 19
I.11.2. Le mode de fonctionnement ad hoc .................................................................... 20
I.12. Domaines dapplication des rseaux de capteurs ................................................................ 21
I.12.1. Applications militaires ........................................................................................ 21
I.12.2. Applications la surveillance ............................................................................. 21
I.12.3. Applications environnementales ......................................................................... 21
I.12.4. Applications mdicales ....................................................................................... 22
I.12.5. Applications domestiques ................................................................................... 22
I.12.6. Applications commerciales ................................................................................. 22
I.13. Le stockage des donnes ...................................................................................................... 23
I.14. La collection dinformation ................................................................................................. 24
I.14.1. la demande ....................................................................................................... 24
I.14.2. Suite un vnement ........................................................................................... 24
I.15. Systmes embarqus ............................................................................................................ 25
I.16. La pile protocolaire des RCSF ............................................................................................. 25
I.16.1. La couche physique ............................................................................................. 26
I.16.2. La couche liaison de donnes .............................................................................. 26
I.16.3. La couche rseau ................................................................................................. 27
I.16.4. La couche transport ............................................................................................. 27
I.16.5. La couche application .......................................................................................... 27
I.17. Classification des protocoles de routages pour les rseaux de capteur sans fil ................... 28
I.17.1. Selon la topologie du rseau ................................................................................ 29
I.17.2. Selon le fonctionnement du protocole ................................................................. 29
I.17.2.1. Routage bas sur les multi-chemins ........................................................... 29
I.17.2.2. Routage bas sur les requtes .................................................................... 29
I.17.2.3. Routage bas sur la ngociation ................................................................. 29
I.17.2.4. Routage bas sur la qualit de service ....................................................... 29
I.17.3. Selon le Paradigme de communication ............................................................... 30
I.17.3.1. Centr-nud (Node centric) ..................................................................... 30
I.17.3.2. Centr-donnes (Data centric) .................................................................. 30
I.17.3.3. Bas-localisation (Position centric) .......................................................... 30
I.17.4. Selon le mode de ltablissement de chemins .................................................... 30
I.17.4.1. Les protocoles proactifs ............................................................................. 30
I.17.4.2. Les protocoles ractifs ............................................................................... 30
TABLE DES MATIERES
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page iii
I.17.4.3. Les protocoles hybrides ............................................................................. 31
I.18. Conclusion ........................................................................................................................... 31
Chapitre II : LADMINISTRATION DES RESEAUX
II.1. Introduction ............................................................................................................................ 32
II.2. La gestion de rseau ............................................................................................................... 32
II.3. Principe gnral ...................................................................................................................... 33
II.4. Le concept de supervision du rseau ..................................................................................... 34
II.5. Structure dun systme dadministration ............................................................................... 35
II.6. Fonctions de base de la gestion de rseau .............................................................................. 36
II.7. Structure des informations dadministration de rseaux (SMI) ............................................. 37
II.7.1. Dfinitions formelles utilisant ASN.1 ...................................................................... 37
II.8. Les diffrents aspects de la supervision des rseaux ............................................................ 37
II.8.1. Lanalyse de flux ..................................................................................................... 38
II.8.2. La supervision applicative : tat des services .......................................................... 38
II.8.3. La supervision SNMP : ltat des quipements ....................................................... 39
II.9. Les protocoles de gestion rseau ............................................................................................ 39
II.9.1. Historique des protocoles dadministration .............................................................. 39
II.10. Ladministration vue par la norme ISO ............................................................................... 40
II.10.1. Les diffrents modles ........................................................................................ 40
II.10.1.1. Le modle architectural ............................................................................. 40
II.10.1.2. Le modle informationnel .......................................................................... 41
II.10.1.3. Le modle fonctionnel ............................................................................... 42
II.11. Ladministration dans lenvironnement TCP/IP .................................................................. 43
II.11.1. Prsentation gnrale de protocole SNMP ............................................................... 43
II.11.2. Les diffrentes versions de SNMP ............................................................................ 44
II.11.3. Architecture globale .................................................................................................. 45
II.11.4. Principe de fonctionnement ...................................................................................... 46
II.11.5. Trame SNMP ............................................................................................................ 49
II.11.5.1. Format des PDUs ................................................................................................ 49
II.11.6. Les MIBS (Management Information base) ............................................................. 50
II.11.7. La scurit sur SNMP ............................................................................................... 52
II.11.7.1. Les faiblesses de SNMPv1 .................................................................................. 52
II.11.7.2. Les amliorations de SNMPv2c .......................................................................... 52
II.11.7.3. La scurit sur SNMPv3 ..................................................................................... 52
II.12. Conclusion ........................................................................................................................... 53
Chapitre III : GESTION ET SUPERVISION DES RCSFs-Etat de lart
III.1. Introduction ...................................................................................................................... 54
III.2. Objectifs de gestion des RCSFs ...................................................................................... 54
III.3. Critres de conception de systmes de gestion de RCSF ................................................. 55
III.4. Les fonctions principales de gestion des RCSFs ............................................................. 56
III.5. Les systmes de gestion de RCSF .................................................................................... 58
III.5.1. Cadre de gestion de rseau de capteurs sans fil ........................................................ 59
TABLE DES MATIERES
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page iv
III.5.1.1. BOSS ................................................................................................................... 59
III.5.1.2. MANNA .............................................................................................................. 60
III.5.2. Protocoles de gestion des rseaux de capteurs sans fil ............................................. 62
III.5.2.1. RRP ..................................................................................................................... 62
III.5.2.2. SNMS .................................................................................................................. 63
III.5.2.3. WinMS ................................................................................................................ 63
III.5.3. Gestion par dlgation .............................................................................................. 64
III.5.3.1. Agilla ................................................................................................................... 64
III.5.3.2. Mobile Management Agent Policy-Based ......................................................... 65
III.5.3.3. sectorielle Sweeper .............................................................................................. 65
III.5.3.4. Intelligent Agent-Based Power Management .................................................... 65
III.5.4. Outils de dbogage .................................................................................................... 65
III.5.4.1. Sympathy ............................................................................................................. 65
III.5.5. Visualisation Outil .................................................................................................... 66
III.5.5.1. Mote-View .......................................................................................................... 66
III.5.6. Systmes de gestion d'nergie................................................................................... 66
III.5.6.1. Senos ................................................................................................................... 66
III.5.6.2. AppSleep ............................................................................................................. 67
III.5.6.3. Node-energy level management ......................................................................... 67
III.5.7. Systmes de gestion de la circulation ....................................................................... 67
III.5.7.1. Siphon .................................................................................................................. 67
III.5.7.2. Gestion des ressources DSN ............................................................................... 68
III.6. Lorganisation du systme de gestion des RCSF ............................................................. 68
III.6.1. Gestion de ractivit ................................................................................................ 69
III.6.2. Architecture de gestion ............................................................................................. 69
III.6.2.1. Les systmes de gestion centraliss .................................................................... 69
III.6.2.2. Les systmes de gestion distribus ...................................................................... 70
III.6.2.3. Les systmes de gestion hirarchique ................................................................. 71
III.7. Comparaison des systmes existants pour la gestion dun RCSF .................................... 72
III.8. Le protocole SNMP pour les RCSFs ............................................................................... 74
III.9. Conclusion ....................................................................................................................... 75
Chapitre IV : MODELISATION ET CONCEPTION
IV.1. Introduction ...................................................................................................................... 76
IV.2. Etude Prliminaire ............................................................................................................ 76
IV.2.1. Prsentation du projet raliser .................................................................................... 76
IV.2.1.1. Le modle formel de prsentation ............................................................................ 76
IV.2.1.2. Les fonctionnalits de protocole SWSNMP ............................................................ 78
IV.2.2. Choix techniques .......................................................................................................... 79
IV.2.3. Identification des acteurs .............................................................................................. 79
IV.2.4. Identification des messages .......................................................................................... 80
IV.2.5. Modlisation du contexte .............................................................................................. 81
IV.3. Capture des besoins Fonctionnels ................................................................................... 82
IV.3.1. Dterminer les cas dutilisations ................................................................................... 82
TABLE DES MATIERES
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page v
IV.3.1.1. Identification des cas dutilisation ...................................................................... 82
IV.3.2. Description prliminaire des cas dutilisations ............................................................. 84
IV.3.3. Description dtaille des cas dutilisations ................................................................... 85
IV.4. Dveloppement du modle dynamique ............................................................................ 89
IV.4.1. Identification des scnarios ....................................................................................... 89
IV.4.1.1. Scnarios de lAdministrateur .............................................................................. 90
IV.4.1.2. Scnarios du Sink ................................................................................................. 90
IV.4.1.3. Scnarios du Capteur ............................................................................................ 91
IV.4.1.4. Scnarios de lAgent SWSNMP ............................................................................ 91
IV.4.1.5. Scnarios de la Cible ............................................................................................ 92
IV.4.2. Construction des diagrammes dtats ........................................................................ 92
IV.5. Dveloppement du modle statique ................................................................................. 94
IV.6. Conclusion ....................................................................................................................... 96
Chapitre V : IMPLEMENTATION ET REALISATION
V.1. Introduction ....................................................................................................................... 97
V.2. Langage utilis................................................................................................................... 97
V.3. Algorithme ......................................................................................................................... 98
V.4. Scnario utilis .................................................................................................................. 98
V.5. Implmentation ................................................................................................................ 100
IV.5.1. Structure des messages utiliss ................................................................................. 100
IV.5.2. Lactivation des capteurs .......................................................................................... 101
IV.5.3. La redondance .......................................................................................................... 102
IV.5.4. Les points darticulation ........................................................................................... 102
IV.5.4.1. Principe ............................................................................................................. 102
IV.5.4.2. Etapes de dtection des points darticulation ................................................... 103
IV.5.4.3. A O (V + E) algorithme pour trouver tous les points d'articulation (AP) ......... 103
V.6. La supervision avec le protocole SWSNMP ................................................................... 105
V.7. La ralisation de la plateforme ........................................................................................ 105
V.8. Droulement du projet ..................................................................................................... 108
V.9. Rsultats et discussion ..................................................................................................... 112
V.10. Conclusion ....................................................................................................................... 115
CONCLUSION GENERAL ET PERSPECTIVE ..................................................................... 116
BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................... 118
Liste des figures
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page vi
Liste des figures
Figure I.1 : Les catgories des rseaux sans fil .............................................................................. 5
Figure I.2 : Les composants dun nud capteur ............................................................................ 8
Figure I.3 : Rayons de communication et de dtection d'un capteur ............................................. 9
Figure I.4 : Architecture dun nud capteur .................................................................................. 9
Figure I.5 : TelosB ....................................................................................................................... 10
Figure I.6 : Exemple de rseau de capteurs ................................................................................. 11
Figure.I.7 : Les tats possibles dun nud capteur ..................................................................... 12
Figure I.8 : Architecture plat des RCSF ....................................................................................... 13
Figure I.9 : Architecture hirarchique des RCSF ......................................................................... 13
Figure I.10 : Architecture de communication dun rseau dun RCSF ....................................... 16
Figure I.11 : Le routage data-centric ............................................................................................ 17
Figure I.12 : Cluster d'un RCSF ................................................................................................... 18
Figure I.13 : Un exemple de Scatternet compos de trois Piconet .............................................. 20
Figure.I.14 : Quelques applications des RCSFs........................................................................... 23
Figure I.15 : Collecte la demande ............................................................................................ 24
Figure I.16 : Collecte suite un vnement ................................................................................. 24
Figure I.17 : La pile protocolaire dun RCSF .............................................................................. 26
Figure I.18 : Classification des protocoles de routage pour les Rseaux de capteurs sans fil ..... 28
Figure II.1 : Structure fonctionnelle dadministration du rseau ................................................. 33
Figure II.2 : Accs un service distant ........................................................................................ 38
Figure II.3 : Le modle architectural dadministration par lISO ................................................ 40
Figure II.4 : Les fonctions dadministration ................................................................................ 42
Figure II.5 : Lenvironnement SNMP ......................................................................................... 45
Figure II.6 : Base de SNMP ......................................................................................................... 46
Figure II.7 : Les deux mthodes de supervision SNMP .............................................................. 47
Figure II.8 : Echange de message ................................................................................................ 48
Figure II.9 : Rsum des commandes SNMPv2 ......................................................................... 49
Figure II.10 : Les trames SNMP .................................................................................................. 49
Figure II.11 : Les identificateurs dobjets de La MIB ................................................................. 51
Figure II.12 : Le mcanisme d'authentification ........................................................................... 52
Figure II.13 : Le chiffrement avec DES ..................................................................................... 53
Liste des figures
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page vii
Figure III.1 : Architecture de BOSS .......................................................................................... 59
Figure.III.2 : Lensemble des fonctions de gestion dfinies dans MANNA ............................... 61
Figure.III.3 : Les relations, les fonctions et les modles de systme MANNA .......................... 61
Figure IV.1 : Diagramme de cas dutilisation .............................................................................. 84
Figure IV.2 : Diagramme dactivit- sauthentifier ..................................................................... 86
Figure IV.4 : Diagramme dactivit- superviser .......................................................................... 89
Figure IV.5 : Diagramme de squences Administrateur .......................................................... 90
Figure IV.6 : Diagramme de squences Sink ........................................................................... 90
Figure IV.7 : Diagramme de squences Capteur ...................................................................... 91
Figure IV.8 : Diagramme de squences Agent SWSNMP ...................................................... 91
Figure IV.9: Diagramme de squences Cible ........................................................................... 92
Figure IV.10 : Diagramme dtat ................................................................................................ 93
Figure IV.11 : Diagramme de classe ............................................................................................ 95
Figure V.1: Notre algorithme (Scnario de la simulation( ........................................................... 99
Figure V.2 : Exemple des points darticulation ......................................................................... 103
Figure V.3 : La plateforme principale ........................................................................................... 105
Figure V.4 : Les lgendes ........................................................................................................... 106
Figure V.5 : Lgende de SWSNMP ........................................................................................... 106
Figure V.6 : La fentre dauthentification .................................................................................. 106
Figure V.7 : La fentre de dploiement .................................................................................... 107
Figure V.8 : Dploiement alatoire de 50 nuds ....................................................................... 107
Figure V.9 : La couverture et la connectivit des nuds .......................................................... 108
Figure V.10 : Activation des capteurs et dcouverte de voisinage ........................................... 108
Figure V.11 : La redondance et les points darticulation (49 capteur) ....................................... 109
Figure V.12 : Les points darticulation (34 capteurs) ............................................................... 109
Figure V.13 : Lactivation de SWSNMP ................................................................................... 110
Figure V.14 : La fentre de supervision ..................................................................................... 110
Figure V.15 : Les oprations ..................................................................................................... 111
Figure V.16 : Les identificateurs des capteurs .......................................................................... 111
Figure V.17 : Quelque tat capter par des capteurs .................................................................. 111
Figure V.18 : Exemple dtat de la batterie .............................................................................. 111
Figure V.19 : Exemple dune table de voisinage dun capteur ................................................. 112
Figure V.20 : Les liens du RCSF .............................................................................................. 112
Figure V.21 : Histogramme de lnergie du rseau .................................................................. 113
Liste des figures
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page viii
Figure V.22 : Histogramme de lnergie de chaque capteur ..................................................... 114
Figure V.23 : Histogramme de la totalit des nuds ................................................................ 115
Liste des tableaux
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page x
Liste des tableaux
Tableau III.1: Organisation du systme de gestion de rseau .................................................... 68
Tableau III.2 : Systme de gestion de rseau valu par rapport aux critres de conception .... 72
Tableau IV.1 : Les rles des acteurs ............................................................................................ 81
Tableau IV.2 : Les fonctionnalits des cas dutilisation .............................................................. 82
Abrviations
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page xi
Liste des abrviations
6LoWPAN IPv6 Low Power Wireless Area Networks
ADC Analog to Digital Converter
APTEEN Adapted Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network
ASN.1
BFS
Abstract Syntax Notation 1
Breadth First Search
BLR Boucle Locale Radio
BOSS Bridge Of the SenSors
CMIP Common Management Information Protocol
CMIS Common Management Information Service
CMISE Common Management Information Service Element
CPU Central Processing Unit
CRC Cyclic Redundancy Check
DARPA Defense Advanced Research Projects Agency
DD Directed Diffusion
DEC Digital Equipment Corporation
DFS Depth First Search
DLL Dynamic Link Library
DNS Domain Name System
DPM Data Protection Manager
DSN Distributed Sensor Network
DSN RM Distributed Sensor Network Resource Manager
ETSI Europen Tlcommunications Standards Institute
FDI Fault Detection and Isolation
FEC Forward Error Correction
FTC Fault Tolerance
FTP File Transfer Protocol
GAF Geographic Adaptive Fidelity
GEAR Geographic and Energy Aware Routing
GHT Geographic Hash Table
Abrviations
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page xii
GHz GigaHertz
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile communication
HP Hewlett-Packard
HiperLAN High performance radio Local Area Network
IABP International Arctic Buoy Program
IARP Intra-Zone Routing Protocol
IBM International Business Machines
ICMP Internet Control Message Protocol
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IERP InterzonE Routing Protocol
IETF Internet Engineering Task Force
ISO International Standard Organization
LAN Local Area Network
LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
MAC Magic Access Control
MANET Mobile Ad hoc NETwork
MANNA MANagemeNt Architecture
MbD Management by Delegation
Mbits Mgabit
MECN Minimum Energy Communication Network
MIB Management Information Base
RF Radio Frequency
NMS Network Management Station
OID Object IDentifier
OS Operating System
OSI Open System Interconnexion
PC Personal Computer
PDA Personal Digital Assistant
PEDAP Power Efficient Data Aggregation Protocol
PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems
QoS Quality of Service
Abrviations
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page xiii
RCSF Rseau de Capteur Sans Fil
RFC Request for Comments
RGT Rseau de Gestion des Tlcommunications
RR Radio Resource
SAR Single-Aliquot Regenerative-dose
SenOS Sensor Operating System
SMAE System Management Application Entity
SMAP System Management Application Process
SMI Structure of Management Information
SNMP Simple Network Management Protocol
SNMP4J Simple Network Management Protocol for Java
SNMS Sensor Network Management System
SOS Sensor Operating System
SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
SQL Structured Query Langage
STEM System Tracking wirEless Motion
SWSNMP Simple Wireless Sensor Network Management Protocol
TCP Transmission Control Protocol
IP Internet Protocol
TDMA Time Division Multiple Access
TEEN Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network
TMN Telecommunications Management Network
UDP User Datagram Protocol
UIT-T Union Internationale des Tlcommunications
UML Unified Modeling Language
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
UP Unified Process
UPnP Universal Plug and Play
USM User-based Security Model
VACM View- based Access Control Model
VSs Virtual Sinks
Wi-Fi Wireless Fidelity
Abrviations
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page xiv
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
Wimax Worldwide interoperability for microwave access
WinMS Wireless sensor network Management System
WPAN Wireless Personal Area Network)
WWAN Wireless Wide Area Network
xDSL x Digital Subscriber Line
INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteur Sans Fil Page 1
Introduction gnral et problmatique
Les progrs technologiques dans les domaines de la microlectronique, des communications
sans fil, coupl aux efforts de miniaturisation et de rduction des cots de production des
composants lectroniques, ont permis le dveloppement de nouvelles gnrations de petits
appareils lectroniques, autonomes, quips de capteurs et capables de dtecter, de calculer, de
stocker et communiquer entre eux sans fil. Ces petits dispositifs sont appels des nuds capteurs.
Ensemble, ils forment un rseau appel rseau de capteurs sans fil (RCSF) qui fournir des
informations utiles prises par les diffrents capteurs et de les communiques ensuite via le
support sans fil un point de collecte appel "Sink" qui les communique aussi un poste de
contrle distant.
Lavancement des technologies dans les infrastructures de rseau et de minuscules capteurs
du rseau permet de nombreuses applications de rseau de capteurs allant du civils aux
militaires, de la maison lenvironnement et de la nature de lindustriel au domaine commercial
de saccroitre, car de nos jours le besoin dobserver des phnomnes physiques tel que la
temprature, la pression ou encore la luminosit est devenu essentiel. Exemples : la surveillance
de lhabitat des animaux, observation de lenvironnement et de prvision, le corps humain le
suivi, le champ de bataille de dtection et danalyse, etc.
Les capteurs sont dploy alatoirement ou dune manire bien dfinit dans une zone
gographique, appele champ de captage, qui dfinit le terrain d'intrt pour les phnomnes
cibls. Ainsi, Ladministrateur est besoin dadresser des requtes aux capteurs du rseau, en
prcisant le type de donnes requises et rcolter les donnes captes telles que les donnes
environnementales ou physiologiques par le biais de la station de base.
Une des solutions qui sannonce prometteuse dans les RCSFs est lutilisation dun systme
qui est capable de superviser les capteurs et une rgion ou un phnomne dans une zone
dintrt, La gestion de rseau correspond aux actions qui permettent de prendre en charge la
configuration, la scurit, les pannes. La prise en charge de toutes ces fonctions nest pas un
mince problme, de nombreux travaux de normalisation ont t effectus dans ce domaine, mais
tous nont pas encore abouti cause de a difficult et a complexit, pour cela le domaine de
supervision et de gestion des RCSFs est encore ouvert.
INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteur Sans Fil Page 2
Lobjectif de ce projet est dtudier le problme de gestion et de supervision des RCSFs en
sinspirant et en se basant sur les solutions des rseau filaire afin de minimiser la consommation
dnergie pour chaque capteur en garantissant la continuit de bon fonctionnement du rseau et
assurant le prolongement de son dure de vie.
Lnergie est la ressource la plus prcieuse dans un rseau de capteurs puisquelle influe
directement sur la dure de vie des capteurs et du rseau en entier. Larrt de fonctionnement
dun ou de plusieurs nuds peut provoquer la rpartition de rseau en plusieurs parties et la d-
connectivit dun sous ensemble des nuds capteurs. Pour cela, nous avons propos des
mcanismes de gestion en utilisant des aspects de la thorie des graphes spcifiquement la
dtection des points darticulations. Notre mmoire sera organis comme suit:
Chapitre I : Gnralit sur les rseaux de capteurs sans fil
Donne un aperu sur les rseaux de capteurs sans fil. On commence dabord par dcrire
un nud capteur et ses caractristiques, ensuite on expose les rseaux de capteurs sans fil
et leurs architectures puis nous prsentons les facteurs et les caractristiques qui
influencent la conception de ce type des rseaux. Nous introduisons aussi quelques
caractristiques et mtriques des RCSFs.
Chapitre II: Ladministration des rseaux
Ce chapitre est consacr ladministration des rseaux o nous avons prsent les
principaux concepts de gestion et plus prcisment la structure dun systme de gestion
et les fonctions de base pour grer un rseau, puis en parle sur les protocole de gestion
utilis au niveau de la norme ISO et au niveau de la norme TCP/IP par la description de
protocole SNMP en rappelant les diffrentes notions et principes de fonctionnement de ce
protocole qui est le plus rpandu actuellement.
Chapitre III : Gestion et supervision des RCSFS-tat de lart
Ce chapitre prsente les travaux existant dans le domaine de la gestion et la supervision
des rseaux de capteur sans fil, ainsi une petite comparaison des caractristiques de ces
dernires.
Chapitre IV : Modlisation et conception
Ce chapitre constitue le noyau de ce travail, o en va proposer la modlisation et la
conception afin de raliser un systme de supervision du RCSF, en utilisant le langage
UML.
INTRODUCTION GENERAL ET PROBLEMATIQUE
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteur Sans Fil Page 3
Chapitre V : Implmentation et ralisation
Ce chapitre prsente notre implmentation en montrant les algorithmes proposs pour
raliser le systme de supervision des RCSFs avec lutilisation de quelque outil de la
thorie des graphes. Les rsultats de limplmentation seront galement prsents pour
justifier la validit de notre projet.
Enfin, on conclue notre travail en donnant une conclusion gnrale que nous avons tire
de notre travail effectu avec quelques perspectives.
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 4
I.1. Introduction
Les rcentes avances dans le domaine des technologies sans-fil et lectronique ont permis
le dveloppement faible cot de minuscules capteurs consommant peu d'nergie. Ces capteurs
ont trois fonctions ; la capture des donnes, le calcul des informations l'aide des valeurs
collectes et l'envoi des rsultats de calcul travers un rseau de capteurs sans-fil.
Les RCSFs prsentent un intrt considrable et une nouvelle tape dans lvolution des
technologies de linformation et de la communication. Le but gnral d'un RCSF est la collecte
d'un ensemble de paramtres de l'environnement entourant les capteurs, telles que la temprature
ou la pression de l'atmosphre, afin de les acheminer vers des points de traitement.
De nombreux domaines dapplication sont alors envisags tels que la dtection et la
surveillance des dsastres, le contrle de lenvironnement, la surveillance et la maintenance
prventive des machines, etc.
Dans ce chapitre, nous prsenterons les rseaux de capteurs sans fil, leurs architectures de
communication, leurs applications. Nous discuterons galement les principaux caractristiques et
contraintes qui influencent la conception des rseaux de capteurs sans fil ainsi que des protocoles
de routage utilis pour lacheminement.
I.2. Dfinition des rseaux sans fil
Un rseau informatique est un ensemble dquipement informatique reli entre eux grce
des supports de communication permettant la communication et le partage de ressources [1].
Selon le type de supports de communication, on distingue : les rseaux filaires qui utilisent
un canal de transmission matriel (le cble coaxial, les paires torsades, la fibre optique) et les
rseaux sans fils [1].
Un rseau sans fil est un rseau de machines qui n'utilisent pas de cbles. C'est une
technique qui permet aux particuliers, aux rseaux de tlcommunications et aux entreprises de
limiter l'utilisation de cbles entre diverses localisations [2].
Les rseaux sans fil recours des ondes radiolectriques (radio et infrarouges) en lieu et
place des cbles habituels. L'utilisation des rseaux sans fil procure plusieurs avantages,
notamment [2]:
Facilit de dploiement ;
Faible cot dappartenance ;
L'augmentation de la connectivit ;
Mobilit et la flexibilit gnratrices de gains de productivit, etc.
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 5
I.3. Les catgories des rseaux sans fil
Il existe plusieurs catgories de rseaux sans fil qui diffrent par le primtre gographique
quils couvrent ainsi que par les types dapplications supportes. Le schma suivant illustre les
catgories des rseaux sans fil [3].
Figure I.1 : Les catgories des rseaux sans fil [3]
I.3.1. Le rseau personnel sans fil (WPAN)
Il concerne les rseaux sans fil d'une faible porte : de l'ordre de quelques dizaines
de mtres. Ce type de rseau sert gnralement relier des priphriques (imprimante,
tlphone portable, appareils domestiques, ) [3]. Il existe plusieurs technologies
utilises pour les WPAN :
I.3.1.1. La technologie Bluetooth
Elle est connue aussi sous le nom de la norme IEEE 802.15.1, elle a t
lance par Ericsson en 1994, proposant un dbit thorique de 1 Mbps lui permettant
une transmissions de la voix, des donnes et des images [3], dune porte maximale
d'une trentaine de mtres [4]. Bluetooth est une technologie peu onreuse, grce sa
forte intgration sur une puce unique de 9 mm sur 9 mm ; Elle prsente galement
lavantage de fonctionner sur des appareils faible puissance do une faible
consommation dnergie [3].
I.3.1.2. La technologie ZigBee
Elle est connue aussi sous le nom de la norme IEEE 802.15.4 et permet
d'obtenir des liaisons sans fil bas prix et avec une trs faible consommation
d'nergie, ce qui la rend particulirement adapte pour tre directement intgre dans
de petits appareils lectroniques (capteurs, appareils lectromnagers...) [4].
Rseaux personnels sans fil (WPAN)
Rseaux mtropolitains sans fil (WMAN)
Rseaux locaux sans fil (WLAN) Rseaux tendu sans fil (WWAN)
GSM
UMTS
GPRS
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 6
Les rseaux ZigBee permettent doffrir des dbits jusqu 250 Kbits/s dans la
bande classique des 2,4GHz. Les RCSF constituent une des applications que cette
norme peut couvrir [3].
I.3.1.3. Les liaisons infrarouges
Elles permettent de crer des liaisons sans fil de quelques mtres avec des
dbits pouvant monter quelques mgabits par seconde. Cette technologie est
largement utilise dans la domotique (tlcommandes), elle souffre toutefois des
perturbations dues aux interfrences lumineuses [5].
I.3.2. Le rseau local sans fil (WLAN)
Cest un rseau permettant de couvrir une porte d'environ une centaine de
mtres. Il permet de relier entre eux les terminaux prsents dans la zone de couverture
[3]. Il existe deux technologies concurrentes :
I.3.2.1. Les rseaux Wi-Fi (Wireless-Fidelity)
Ils proviennent de la norme IEEE 802.11, qui dfinit une architecture
cellulaire. On y trouve principalement deux types de rseaux sans fil : Ceux qui
travaillent la vitesse de 11 Mbits/s 2.4 GHz (IEEE 802.11b) et ceux qui montent
54 Mbits/s 5 GHz (IEEE 802.11 a/g) [3].
I.3.2.2. Les rseaux HiperLAN 2 (High Performance LAN 2.0)
Ils dcoulent de la norme europenne labore par l'ETSI (Europen
Tlcommunications Standards Institute). HiperLAN 2 permet d'obtenir un dbit
thorique de 54 Mbps sur une zone d'une centaine de mtres dans la gamme de
frquence comprise entre 5 150 et 5 300 MHz [5]. Ce type de rseau na pas reu
autant de succs que la technologie Wi-fi.
I.3.3. Le rseau mtropolitain sans fil (WMAN)
Il est connu aussi sous le nom de Boucle Locale Radio (BLR). Il convient de
rappeler que la BLR permet, en plaant une antenne parabolique sur le toit d'un btiment,
de transmettre par voie hertzienne de la voix et des donnes haut dbit pour l'accs
l'internet et la tlphonie [6]. Il existe plusieurs types de rseaux WMAN dont le plus
connu est :
I.3.3.1. les rseaux Wimax (Worldwide interoperability for Microwave Access)
Ils manent de la norme IEEE 802.16 et ont pour but de dvelopper des
liaisons hertziennes concurrentes aux techniques xDSL terrestres et offrent un dbit
utile de 1 10 Mbit/s dans la bande 10-66 GHz pour une porte de 4 10 kilomtres,
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 7
ce qui destine principalement cette technologie aux oprateurs de tlcommunication
[6].
I.3.4. Le rseau tendu sans fil (WWAN)
Il est connu sous le nom de rseau cellulaire mobile et il est le plus rpandu de tous
puisque tous les tlphones mobiles sont connects un rseau tendu sans fil. Les
principales technologies sont les suivantes : GSM (Global System for Mobile
Communication), GPRS (General Packet Radio Service), UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System) [4].
I.4. Dfinition dun rseau Ad Hoc
Un rseau mobile Ad Hoc appel gnralement MANET (Mobile Ad hoc Network), peut
tre dfini comme une collection dentrs mobiles interconnectes par une technologie sans fil,
formant un rseau temporaire sans laide dune infrastructure prexistante ou dadministration
centralise [7]. Ce sont les entits mobiles elles-mmes qui forment, dune manire Ad Hoc, une
infrastructure du rseau [3].
Les entits qui composent ce rseau possdent un dispositif de communication sans fil leur
permettant de communiquer avec les entits situes dans leur voisinage. Chaque nud peut
joindre directement ses voisins en utilisant son interface radio. Un nud a la possibilit
datteindre nimporte quel autre nud lintrieur du rseau en utilisant les nuds intermdiaire
(situs entre la source et la destination) qui agissent en tant que nud relais [3].
Avec ce mode de fonctionnement, il est possible dutiliser des protocoles de routage
proactifs, ractifs ou hybrides [7].
Les rseaux Ad Hoc sont idaux pour les applications caractrises par une absence ou la
non fiabilit dune infrastructure prexistante, telles que les applications militaires, les oprations
de secours (incendies, tremblement de terre, etc.) et les missions dexploration [8].
I.5. Capteur sans fil
Un capteur sans fil est un petit dispositif un cot raisonnable, de quelques millimtres
cubes en volume. Il a pour but de relever des grandeurs physiques comme lhumidit, lintensit
de la luminosit, la temprature et les vibrations, suivant lenvironnement dans lequel il est
dploy et lobjectif pour lequel il est conu. Un capteur sans fil est dot, principalement, de
quatre units [9] (Figure I.2).
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 8
Figure I.2 : Les composants dun nud capteur [9]
I.5.1. Unit de captage
Elle est constitue de deux composants, un dispositif qui intercepte les donnes du
monde physique et les transforme en signaux analogiques, et un convertisseur
analogique/numrique (ADC) qui transforme ces signaux analogiques en un signal
numrique comprhensible par lunit de traitement [10].
I.5.2. Unit de traitement
Elle est compose dun microprocesseur ou dun microcontrleur associe
gnralement une unit de stockage [11]. Elle est charge dexcuter les protocoles de
communication, comme elle peut aussi effectuer des semi traitements sur les donnes
captes. Cette unit est galement compose de deux interfaces, une interface pour l'unit
d'acquisition et autre pour l'unit de transmission. Elle acquiert les informations en
provenance de l'unit d'acquisition et les envoie l'unit de transmission [12].
I.5.3. Unit de communication
Elle est responsable des missions et rceptions des donnes sur un medium sans
fil. Elle se base sur les technologies sans fil faible porte de communication, Zigbee
IEEE 802.15.4, Bluetooth IEEE 802.15.1 ou WiFi IEEE 802.11 [11].
Chaque capteur possde un rayon de communication (Rc) et un rayon de sensation
(Rs). La Figure I.3 montre les zones dfinies par ces deux rayons pour le capteur A. La
zone de communication est la zone o le capteur A peut communiquer avec les autres
capteurs. Dans cet exemple, le capteur A peut communiquer avec un capteur B. Dautre
part, la zone de dtection est la zone o le capteur A peut capter lvnement. Dans cet
exemple, il sagit de la zone dans laquelle se trouve le capteur C [10].
Emetteur/Rcepteur
Radio
Batterie Processeur Mmoir
e
Module de
captage
Capteur
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 9
Figure I.3 : Rayons de communication et de dtection d'un capteur [10]
Par ailleurs, pour quun capteur ait une porte de communication suffisamment
grande, il est ncessaire dutiliser un signal assez puissant. Cependant, lnergie
consomme serait importante [10].
I.5.4. Unit dalimentation nergtique
Elle est responsable de la gestion de lnergie et de lalimentation de tous les
composants du capteur. Elle consiste, gnralement, en une batterie qui est limite et
irremplaable, ce qui a rendu lnergie comme principale contrainte pour un capteur [13].
Figure I.4 : Architecture dun nud capteur [13]
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 10
Il existe dans le monde plusieurs fabricants de capteurs. On cite Crossbow, Cisco, Dalsa,
EuroTherm et Sens2B. Parmi ces capteurs fabriqus, il existe quelques-uns qui sont capables de
varier la puissance du signal mis afin dlargir/rduire le rayon de communication et en
consquence la zone de communication. La Figure I.4 montre un capteur intelligent qui fait
partie la famille des Telos, il sagit dun capteur TelosB [9].
La figures suivantes illustrent les composants d'un noeud capteur TelosB de
CrossBow [9]:
Figure I.5 : TelosB [9]
I.6. Rseau des capteurs sans fil
Un rseau des capteurs sans fil (RCSF) est un type particulier des rseaux ad hoc [14] qui
partage beaucoup de caractristiques avec les rseaux embarques sans fil [15]. Il est constitu
dun grand nombre de capteurs, cooprant pour raliser une tache commune et disperses sur une
zone gographique, appele champ de captage. Il est conu dans le but de surveiller, dtecter et
traiter des phnomnes physiques captes au niveau local, ou de les envoyer laide de la
communication sans fil a un ou plusieurs points de collecte, appels station de base [14].
Les capteurs remplissent deux rles: source dinformations et/ou relais pour le reste du
rseau. Ils sont habituellement disperss dans un champ de capteurs o chacun de ces derniers a
la possibilit de collecter des donnes et de les transmettre au sink. Les rcentes avances dans
les domaines des technologies sans-fil et lectroniques ont permis le dveloppement faible cot
de minuscules capteurs consommant peu d'nergie [4].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 11
Les capteurs ne sont pas intgrs une quelconque architecture prexistante de rseau.
Cest pourquoi ils communiquent laide dun rseau ad hoc sans fil [16], tout dabord dans un
souci de simplicit dinstallation, mais aussi et surtout dans le souci de permettre au rseau de
rester oprationnel mme aprs des dfaillances ponctuelles des nuds. Ils doivent pouvoir
sautogrer, en utilisant des protocoles permettant dapprendre des lments tels que la topologie
du rseau, le positionnement relatifs des capteurs au sein du rseau, les routes possibles pour
communiquer avec dautres nuds donns [4]. Les communications multi sauts sont privilgies
par rapport aux transmissions directes au sink. Cest un nud particulier dot dune puissance de
calcul suprieure et dune quantit dnergie potentiellement infinie. Il rcupre les informations
remontes par les diffrents capteurs et les transmet lutilisateur. Il peut y avoir plusieurs puits
mobiles ou fixes dans un rseau [16].
Figure I.6 : Exemple de rseau de capteurs [16]
I.7. Le rseau des capteurs mobiles
La mobilit est une question cl pour les rseaux de capteurs o chaque nud peut se
dplacer lintrieur du site, seul ou avec un groupe. Par exemple, quand les capteurs sont
embarqus sur des dispositifs mobiles tels que les vhicules, ou sur des animaux. Lorsque la
mobilit est trop frquente, elle ne peut tre considre comme un problme secondaire. Ainsi, la
dtection des voisins et la reconfiguration du rseau exigent habituellement un nombre important
de messages de contrle de la topologie, donc une dpense importante dnergie [17].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 12
I.8. Les tats oprationnels dun nud capteur
Le diagramme suivant prsente les diffrents tats possibles lors de fonctionnement dun
nud capteur. Nous voyons dans la figure I.7 que ltat du capteur dpend de son niveau
dnergie. Le capteur peut avoir cinq tats : en transmission, en rception, en coute, en sleep ou
inactif [5].
Figure.I.7 : Les tats possibles dun nud capteur [5]
I.9. Architecture de rseau de capteurs sans fil
Un Rseau de Capteurs Sans-Fil (RCSF) est un ensemble de capteurs variant de quelques
dizaines d'lments plusieurs centaines, parfois plus, utilisant des liens sans-fil pour la
communication [18].
Chaque rseau de capteurs a la capacit de collecter des donnes partir d'un champ de
captage, qui dfinit la zone d'intrt pour le phnomne capt. A l'aide d'une architecture multi-
sauts, un RCSF transmet les donnes collectes un nud (Plusieurs un). Ce dernier est
considre comme un point de collecte et peut transfrer les donnes collectes via internet ou
satellite un ordinateur central " gestionnaire de tche " pour leur traitement [18].
Il existe deux types d'architectures pour les rseaux de capteurs sans-fil :
I.9.1. Les rseaux de capteurs sans-fil plats
Un rseau de capteurs sans-fil plat est un rseau homogne, o tous les nuds
sont identiques en termes de batterie et de complexit du matriel, except le sink qui
joue le rle d'une passerelle et qui est responsable de la transmission de l'information
collecte l'utilisateur final. Selon le service et le type de capteurs, une densit de
capteurs leve (plusieurs nuds capteurs/m2) ainsi qu'une communication multi-sauts
peut tre ncessaire pour l'architecture plate. En prsence d'un trs grand nombre de
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 13
nuds capteurs, le passage l'chelle devient critique. Le routage et le contrle d'accs
au mdium (MAC) doivent grer et organiser les nuds d'une manire trs efficace en
termes d'nergie [18].
Figure I.8 : Architecture plat des RCSF [18]
I.9.2. Les rseaux de capteurs sans-fil hirarchiques
Une architecture hirarchique a t propose pour rduire la complexit de la
plupart des nuds capteurs et leur dploiement, en introduisant un ensemble de nuds
capteurs plus puissants. Ceci permet de dcharger la majorit des nuds simples faible
cot de plusieurs fonctions du rseau. L'architecture hirarchique est compose de
plusieurs couches : une couche de capteurs, une couche de transmission et une couche de
point d'accs. Cette architecture sans-fil est influence par un certain nombre de facteurs
et contraintes tels que la tolrance aux fautes, le redimensionnement, les couts de
production, l'environnement, la topologie du rseau, les contraintes matrielles, les
mdias de transmission et la consommation d'nergie [19].
Figure I.9 : Architecture hirarchique des RCSF [19]
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 14
I.10. Les principales caractristiques et contraintes des RCSFs
I.10.1. La consommation rduite dnergie
Les nuds capteurs utilisent des batteries de taille minuscule comme ressources
en nergie, ce qui limite leur dure de vie. La spcificit des applications des RCSFs
(militaires, et autres) fait que la recharge ou le remplacement de ces batteries est une tche
difficile ou presque impossible, ce qui nous mne dduire que la dure de vie dun nud
est essentiellement dpendante de la dure de vie de la batterie. Ainsi, la mthode de
gestion de consommation dnergie constitue une contrainte majeure dans ce type de
rseau [5].
I.10.2. Lauto-configuration des nuds capteurs
Dans un RCSF, les nuds sont dploys soit dune manire alatoire (missile,
avion), soit placs nud par nud par un humain ou un robot, et ceci lintrieur ou
autour du phnomne observ (champ de guerre, surface volcanique, patient malade).
Ainsi, un nud capteur doit avoir des capacits dune part, pour sauto-configurer dans le
rseau, et dautre part pour collaborer avec les autres nuds dans le but de reconfigurer
dynamiquement le rseau en cas de changement de topologie du rseau [20].
Dans un RCSF, chaque nud X possde une unit mettrice/rceptrice qui lui
permet de communiquer avec les nuds qui lui sont proches; En changeant des
informations avec ces derniers, le nud X pourra alors dcouvrir ses nuds voisins et ainsi
connatre la mthode de routage quil va adopter selon les besoins de lapplication. Lauto-
configuration apparat comme une caractristique ncessaire dans le cas des RCSF tant
donn que dune part, leur dploiement seffectue dune manire alatoire dans la majorit
des applications, et dautre part le nombre des nuds capteurs est trs grand. En revanche,
avec une approche alatoire, les capteurs sont parpills [21].
I.10.3. Lvolutivit
Contrairement aux rseaux sans fil traditionnels (personnel, local ou tendu), un
RCSF peut contenir un trs grand nombre de nuds capteurs (des centaines, des
milliers). Un rseau de capteur est volutive parce quil a la facult daccepter un trs
grand nombre de nuds qui collaborent ensemble afin datteindre un objectif commun [9].
I.10.4. La tolrance aux pannes
La tolrance aux pannes est la capacit de maintenir un rseau de capteurs et
dassurer les fonctionnalits sans aucune interruption due aux checs des nuds [9].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 15
Dans le cas de dysfonctionnement dun nud (manque dnergie, interfrences
avec lenvironnement dobservation) ou aussi en cas dajout de nouveaux nuds
capteurs dans le rseau, ce nud doit continuer fonctionner normalement sans
interruption. Ceci explique le fait quun RCSF nadopte pas de topologie fixe mais plutt
dynamique [9].
Un premier dfi sera donc didentifier et de modliser formellement les modes de
dfaillances des capteurs, puis de repenser les techniques de tolrance aux fautes mettre
en uvre. La fiabilit Rk(t) ou la tolrance de panne d'un capteur est modlis l'aide de la
distribution de poisson pour dterminer les probabilits de ne pas avoir de dfaillance dans
lintervalle de temps (0, T): (I.1)
O est le taux de dfaillance du nud capteur k, et t est un priode de temps [21].
I.10.5. Une densit importante des nuds
Les RCSF sont caractriss par leur forte densit. Cette densit peut atteindre,
selon le type dapplication [9].
La densit peut varier de quelques nuds quelques centaines de nuds dans une
rgion. Il doit galement utiliser une densit des nuds capteurs leve. La densit peut
tre calcule par la formule suivante [22] : ( ) ( ) (I.2)
O N est le nombre des nuds disperss dans la rgion A et R reprsente le rayon
de transmission.
Les algorithmes de routage doivent tre capables de fonctionner efficacement
avec un grand nombre de capteurs. De plus, ces algorithmes doivent traiter un grand
nombre dvnements sans tre saturs [9].
I.10.6. La Surveillance
Pour laugmentation de la fiabilit, de la disponibilit et de la sret de
fonctionnement des processus, des systmes de surveillance sont mise en uvre dont
lobjectif est dtre capable tout instant, de fournir ltat de fonctionnement des diffrents
quipements constitutifs dun processus technologiques. Tant au niveau de la dtection et
de lisolation des fautes (FDI) quau niveau de la tolrance aux fautes (FTC). Loprateur
de supervision gre deux types dinformation, le premier concerne la dtection et
lisolation des dfauts survenus, et le deuxime indique les possibilits de laisser
fonctionner ou non le processus [21].
Chapitre I GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
Systme De Supervision Des Rseaux De Capteurs Sans Fil Page 16
I.10.7. La capacit de communication
Elle peut prendre deux aspects : Le multi-saut ou un seul saut. Parce que le
multi-saut est moins nergivore, il reste le type de communication le plus sollicit par les
applications de RCSF qui requirent une faible consommation dnergie [20].
Les nuds capteurs sont habituellement disperss dans un environnement comme
le montre la figure (I.10). Les capteurs ont des possibilits de rassembler des donnes et de
les acheminer vers le Sink, par une architecture multi-saut. Le sink peut communiquer avec
lutilisateur final ou le dcideur par lintermdiaire dun rseau de transport tel que
linternet ou le satellite [20].
Figure I.10 : Architecture de communication dun rseau dun RCSF [20]
I.10.7.1. Les types de communication
Il existe diffrents types de communication utilise dans les RCSFs :
Unicast : ce type de communication est utilis pour changer des
informations entre deux nuds sur le rseau [9].
Broadcast : le Sink transmet des informations vers tous les nuds du
rseau. Ces informations peuvent tre des requtes de donnes bien
prcises (ex : la temprature dans la rgion A) [9].
Local Gossip : ce type de communication est utilis par des nuds situs
dans une rgion bien dtermine qui collaborent ensemble afin davoir une
meilleure estimation de lvnement observ et dviter lmission du
mme message vers le nud Sink ce qui contribue consommer moins
dnergie [9].
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Convergecast : il est utilis dans les communications entre un groupe de
nuds et un nud bien spcifique (qui peut tre le Sink ). Lavantage
de ce type de communication est la diminution de contrle dentte des
paquets ( control overhead ) ce qui conomise lnergie au niveau du
nud rcepteur [20].
Multicast : il permet une communication entre un nud et un groupe de
nuds. Ce type de communication est utilis dans les protocoles qui
incluent le clustering dans lesquels, le Clusterhead sintresse
communiquer avec un groupe de nuds [9].
I.10.8. Une architecture data-centric
Du fait que le remplacement ou la recharge des batteries des nuds capteurs est
une tche non pratique et difficile raliser, alors il est dusage normal quon trouve des
nuds capteurs redondants (effectuant la mme tche dans la mme rgion) ; Limportance
dun nud particulier est, par consquent, rduite par rapport limportance attribue aux
donnes observes par les nuds [20].
Ce type darchitecture diffre des architectures node-centric adoptes par les
rseaux traditionnels o les nuds possdent une place importante (Exemple : un
utilisateur qui veut connecter son laptop au serveur web X) [20].
Comme la montre lexemple dune approche data-centric dans la figure I.11, les
donnes provenant des deux sources sont agrges au noeud B. Ensuite, la donne
combine (1+2) est envoye de B vers la destination [20].
Figure I.11 : Le routage data-centric [20]
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I.10.9. Une collaboration entre les nuds
Les contraintes strictes de consommation dnergie mnent les nuds capteurs
dtecter et traiter les donnes dune manire cooprative afin dviter le traitement
redondant dune mme donne observe, source de la perte dnergie [22].
I.10.10. La bande passante (ou capacit du canal)
Cest une caractristique beaucoup plus importante dans les rseaux cellulaires
(GSM) et les rseaux locaux sans fils (WLAN), que dans les RCSF ; le dbit tant en effet
un objectif secondaire pour les RCSF [23].
I.10.11. Notion de cluster
Lorganisation des nuds en clusters permet de rduire la complexit des
algorithmes de routage, doptimiser la ressource medium en la faisant grer localement par
un chef de cluster, de faciliter lagrgation des donnes, de simplifier la gestion du rseau
et en particulier laffectation des adresses, doptimiser les dpenses dnergie, et enfin de
rendre le rseau plus scalaire. Lutilisation de clusters permet aussi de stabiliser la
topologie et la gestion du rseau si les tailles de clusters sont grandes par rapport aux
vitesses de nuds mais cela ne fonctionne que dans le cas dune faible mobilit [5].
Figure I.12 : Cluster d'un RCSF [5]
I.10.12. La qualit de service
Dans diverses applications, la donne doit tre transmise dans une certaine plage
de temps. Son objectif est dvaluer la QoS dlivre par le rseau et de la maintenir grce
des oprations de contrle. Elle comprend les oprations de surveillance qui permettent de
dterminer ltat de fonctionnement du rseau travers des diffrents critres de qualit
telles que le traitement des sources de puissance, de mmoire, de bande passante et de
puissance, mais aussi les oprations de prvention et de correction qui permettent de
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garantir le niveau de performances dsir. Mais dans la plupart des applications, la dure
de vie du rseau est favorise au dtriment de la qualit dmission des donnes. Les
protocoles de routage qui assurent une qualit de service prenant en compte la gestion de
lnergie, reprsentent un dfi nouveau et stimulant [23].
I.10.13. La topologie de rseau [24]
Les capteurs sont dploys dans un champ de surveillance do trois phases de
dploiements sont reprsentes :
Pr-dploiement: les nuds capteurs peuvent tre soit jet dans une masse ou
placs un par un dans le champ de dploiement.
Post-dploiement: aprs le dploiement, des changements topologiques sont
dues au changement des positions des nuds, l'accessibilit, le bruit, des
obstacles mobiles, niveau d'nergie et des dysfonctionnements. Une dfaillance
nergtique dun capteur peut changer significativement la topologie du rseau
et imposer une rorganisation coteuse de ce dernier.
Redploiement des nuds supplmentaires: d'autres nuds peuvent tre
redploy tout moment, de remplacer les nuds en panne ou adapter les
changements dune tache dynamique.
I.11. La mise en uvre des rseaux sans fil
Les WPAN et les WLAN disposent de deux modes de fonctionnement : le mode
centralis et le mode distribu ou ad hoc.
I.11.1. Le mode de fonctionnement centralis
Le mode de fonctionnement centralis est bas sur la prsence d'un nud matre
au sein du rseau qui administre les communications.
Dans le cas des WPAN (comme Bluetooth), c'est un nud qui prend en charge ce
rle de chef d'orchestre du rseau. Les autres nuds du rseau sont alors les esclaves du
nud matre : ce sont des "Piconet" (par exemple dans le cas du Bluetooth un matre peut
avoir jusqu' 7 esclaves en mode actifs et 255 esclaves en mode passif ou esclaves parked).
Les esclaves ne peuvent pas communiquer entre eux. Des rseaux plus tendus peuvent
tre crs, dits "Scatternet", o un esclave peut avoir plusieurs matres, ce qui permet de
relier entre eux des Piconet (voir la Figure I.13) [20].
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Figure I.13 : Un exemple de Scatternet compos de trois Piconet [20]
Dans le cas des WLAN, un quipement spcifique se voit attribuer cette fonction,
c'est le point d'accs. Ce mode de fonctionnement permet d'avoir un rseau relativement
stable et de grer la QoS. Le point d'accs permet de contrler l'accs des stations au rseau
et de leur attribuer des ressources. En revanche, tous les nuds du rseau doivent tre 25
portes radio du point d'accs. Si le rseau doit tre plus grand que cette porte, il faut
multiplier les points d'accs : c'est le type de fonctionnement utilis dans les bureaux, les
aroports, les gares, les htels, etc [20].
I.11.2. Le mode de fonctionnement ad hoc
Les rseaux sans fil ont galement un mode de communication distribu dit ad
hoc. Ce mode correspond au cas o tous les nuds du rseau ont le mme rle et
dialoguent deux deux sans relation matre-esclave ou sans point d'accs. Ce mode est
intgr dans le fonctionnement de base des WLAN et dans certains WPAN comme le
ZigBee Mais ce mode, tel que dfini dans les standards, est limit : en t, pour dialoguer
entre eux, les nuds doivent tre porte radio, ce qui limite la couverture de tels rseaux
[8].
Ce mode de fonctionnement de base peut tre tendu par l'ajout au niveau des
nuds d'un protocole de routage qui permet aux nuds de propager les informations dans
le rseau mme s'ils ne sont pas destinataires. Cela permet au nud de se dplacer tout en
gardant une connectivit avec les autres membres du rseau : ce sont des MANET (Mobile
Ad hoc Network) [7].
Les travaux de recherche sur ces protocoles de routage sont fdrs au sein de
l'IETF17 (Internet Engineering Task Force), organisation de normalisation d'Internet. Ce
type de rseaux permet d'envisager de nombreuses applications comme la domotique, les
rseaux de capteurs, les services d'urgence en cas de destruction des infrastructures, la
coopration entre des machines de manire spontane [3].
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I.12. Domaines dapplication des rseaux de capteurs
La miniaturisation des capteurs, le cot de plus en plus faible, la large gamme des types
de capteurs disponibles ainsi que le support de communication sans fil utilis, permettent aux
rseaux de capteurs de se dvelopper dans plusieurs domaines dapplication. Ils permettent aussi
dtendre les applications existantes [25].
Les rseaux de capteurs peuvent se rvler trs utiles dans de nombreuses applications
lorsquil sagit de collecter et de traiter des informations provenant de lenvironnement. Parmi
les domaines o ces rseaux peuvent offrir les meilleures contributions, on cite les domaines:
militaire, surveillance, environnemental, mdical, domestique, etc [25].
I.12.1. Applications militaires
Le faible cot et le dploiement rapide sont des caractristiques qui ont rendu les
rseaux de capteurs efficaces pour les applications militaires. Plusieurs projets ont t
lancs pour aider les units militaires dans un champ de bataille et protger les villes
contre des attaques, telles que les menaces terroristes. Le projet DSN (Distributed Sensor
Network) au DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) tait lun des
premiers projets dans les annes 80 ayant utilis les rseaux de capteurs pour rassembler
des donnes distribues [25].
I.12.2. Applications la surveillance
Lapplication des rseaux de capteurs dans le domaine de la scurit peut
diminuer considrablement les dpenses financires consacres la scurisation des lieux
et des tres humains. Ainsi, lintgration des capteurs dans de grandes structures telles
que les ponts ou les btiments aidera dtecter les fissures et les altrations dans la
structure suite un sisme ou au vieillissement de la structure. Le dploiement dun
rseau de capteurs de dtection de mouvement peut constituer un systme dalarme qui
servira dtecter les intrusions dans une zone de surveillance [26].
I.12.3. Applications environnementales
Le contrle des paramtres environnementaux par les rseaux de capteurs peut
donner naissance plusieurs applications. Par exemple, le dploiement des thermo-
capteurs dans une fort peut aider dtecter un ventuel dbut de feu et par suite faciliter
la lutte contre les feux de fort avant leur propagation. Le dploiement des capteurs
chimiques dans les milieux urbains peut aider dtecter la pollution et analyser la qualit
dair. De mme leur dploiement dans les sites industriels empche les risques industriels
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tels que la fuite de produits toxiques (gaz, produits chimiques, lments radioactifs,
ptrole, etc.) [13].
I.12.4. Applications mdicales
Dans le domaine de la mdecine, les rseaux de capteurs peuvent tre utiliss
pour assurer une surveillance permanente des organes vitaux de ltre humain grce des
micro-cap