L’internet des objets : Mise en contexte

L’acronyme Machine-to-Machine (M2M) représente la communication directe entre deux machines dotées de mêmes fonctions en utilisant des voies de communication filaire ou sans fils. Les technologies M2M offrent une manière efficace pour mettre en place des communications automatisées entre les machines sans l’interaction humaine (Theoleyre & Pang, 2013). Grâce à ces technologies, le domaine de l’Internet des objets (IdO) a évolué. Maintenant, un grand nombre d’appareils IdO se coopèrent afin de fournir des services automatisés. Dans cette section, nous présentons les architectures IdO et les types de technologies utilisées dans ce domaine.

Protocoles de communication d’IdO

Le domaine de l’Internet des objets fait face maintenant à une hétérogénéité sur différentes couches. D’une part, les technologies de l’IdO sont utilisées dans plusieurs domaines d’applications comme la logistique, la sécurité publique, les villes et les maisons intelligentes, etc. D’autre part, les architectures IdO utilisent des différentes technologies de réseaux pour envoyer les données de capteurs vers la passerelle. Dans cette section, nous présentons et nous montrons l’hétérogénéité des réseaux sans fils les plus utilisés dans le domaine de l’IdO.

Les réseaux dans le domaine de l’IdO sont un ensemble de capteurs autonomes distribués qui coopèrent ensemble au moyen de protocoles de communication. Le progrès phénoménal de l’IdO a donné naissance à d’autres protocoles de communications comme LoRa et Sigfox. Aujourd’hui, plusieurs réseaux et technologies sont utilisés pour communiquer les données des objets connectés aux centres de données à l’infonuagique. Dans les sections suivantes, nous donnerons un aperçu sur quelques protocoles de communications.

– WIFI
WiFi est basé sur le standard 802.11 introduit par IEEE en 1997 (Morrow, 2004). L’objectif de ce standard est de décrire un réseau sans fil (WLAN) qui permet de fournir des services équivalents à un réseau filaire avec un débit élevé. L’architecture de ce standard est flexible et peut supporter des réseaux à grandes et moyennes échelles. Avec des débits de données bruts allant jusqu’à 11Mb/s-1Gb/s et un débit réel au niveau de la couche d’application d’environ 5Mb/s. WIFI fournit des débits suffisamment rapides pour des applications telles que FTP, HTTP, Streaming vidéo, etc.

– Bluetooth
Bluetooth est basé sur le standard 802.15.1 de IEEE. Ce réseau supporte diverses applications à courte portée (environ 10 mètres) où le débit binaire est de 0.5 à 2 Mb/s (Morrow, 2004). Bluetooth fonctionne principalement en mode ad-hoc. Le réseau est appelé piconet. L’appareil qui initie la communication s’appelle « master » et les autres éléments du réseaux sont les « slaves ». Chaque appareil Bluetooth peut fonctionner en tant que slave ou master.

Quand un seul slave est utilisé, la communication est appelé point-to-point. Le master peut contrôler au maximum sept appareils slave dans une architecture point-to-multipoint.

– LoRa
LoRa, qui signifie «Long Range», est un système de communication sans fil à longue portée, développé par LoRa Alliance. Cette technologie fonctionne sur les fréquences 868 ou 915 Mhz. LoRa est utilisé dans les appareils alimentés par batterie où la consommation d’énergie est d’une importance primordiale. Ce réseau utilise pour la couche MAC le protocole LoRaWAN. C’est un protocole qui fournit un mécanisme de contrôle d’accés permettant à nombreux périphériques de communiquer avec la passerelle en utilisant la modulation LoRa (Augustin et al., 2016).

– Zigbee
Le standard IEEE 802.15.4 LR-WPAN (Zigbeee) supporte les communications sans fils à faible débit entre les appareils fixes et mobiles nécessitant une consommation de batterie faible. Ce réseau a une portée de 10 à 50 mètres (Morrow, 2004). Les domaines d’applications de ce standard sont : les maisons et villes intelligentes, détecteurs de fumée et de carbon, éclairage à distance, etc.

Passerelle IdO

La passerelle IdO est une composante importante du réseau. Sa fonctionnalité principale consiste à transmettre des flux à l’internet pour être traités aux centres de données hébergés à l’infonuagique. Les appareils IdO ne sont pas toujours capables de se connecter directement à l’Internet à cause de l’absence d’une normalisation des protocoles de communication IdO (Kim et al., 2015) et doivent toujours passer par une passerelle. Il y en a aussi d’autres facteurs, tels que la capacité limitée de traitement des appareils IdO, les ressources de puissances limitées, etc. Par conséquent, la passerelle IdO intervient pour être l’intermédiaire entre l’Internet et les appareils IdO.

Les fonctionnalités d’une passerelle IdO

Dans cette section, nous présentons les fonctionnalités de base d’une passerelle IdO. Premièrement, elle doit disposer d’une multitude d’interfaces réseau à différentes caractéristiques. Dans les architectures IdO, les appareils envoient leurs données en utilisant des différents protocoles de communication. Par exemple, une technologie de communication à courte portée est nécessaire pour fournir la connexion à des appareils équipés d’émetteurs à courte portée. Donc, la passerelle doit prendre en charge plusieurs protocoles pour pouvoir échanger des données avec les appareils IdO. En outre, la passerelle doit être équipée de communications filaires, de protocoles de communication WLAN et cellulaires, notamment Wi-Fi et LTE ainsi que de protocoles de communication à courte portée existants, tels que ZigBee, Bluetooth et Z-wave (Abbas & Yoon, 2015).

Deuxièmement, la gestion du réseau est une fonction primordiale pour la passerelle IdO. Cette dernière ne se limite pas aux fonctions de gestion du réseau conventionnel. Elle devrait, par exemple, affecter les services IdO aux interfaces dynamiquement, mettre à jour les modules logiciels associés à l’appareil, etc. En conséquence, le concept de gestion du réseau dans la passerelle IdO s’est étendu et les techniques permettant de renforcer ce concept sont essentielles pour améliorer la performance du réseau et la qualité de service.

Enfin, la passerelle IdO devrait assurer une gestion efficace des ressources et interfaces hétérogènes que ce soit pour l’équipement IdO ou pour la passerelle. Donc, des mécanismes robustes et des processus de handover efficaces doivent être implémentés pour gérer les différentes interfaces.

Exemples de passerelle IdO

Plusieurs recherches ont été menées pour concevoir des passerelles qui pourront répondre aux exigences mentionnées dans la section précédente. Pour résoudre les problèmes de l’exploitation efficace des différents réseaux disponibles dans l’environnement IdO, la recherche de Chang et al (Chang et al., 2015) a pour objectif de concevoir et d’implémenter une passerelle qui supporte des différents protocoles de communication sans fil. La passerelle conçue peut améliorer l’efficacité de la transmission en exploitant tous les réseaux disponibles. Elle est implémentée par l’intégration de modules réseau (comme ZX-Bluetooth & WiFly GSX) qui sont installés sur une carte Arduino.

Un autre travail, présenté à l’article (Min et al., 2014), propose une passerelle IdO à réseaux hétérogènes. Cette passerelle a trois caractéristiques principales. Premièrement, elle transmet les données entre Internet et les réseaux de capteurs en utilisant plusieurs types de protocoles de communication comme Bluetooth, Zigbee et Ethernet. Deuxièmement, pour assurer la sécurité et la fiabilité des données de la passerelle IdO, certains protocoles des couches supérieures sont implémentés et mis en œuvre comme lwIP (qui est un protocole basé sur TCP/IP). Troisièmement, un algorithme d’ordonnancement basé sur l’assignation dynamique des priorités est également conçu et utilisé dans la passerelle pour résoudre le problème de la concurrence des données arrivant au même instant et aussi pour améliorer les performances en temps réel en planifiant efficacement les tâches à exécuter.