Sécurité de l’agrégation des données dans les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF)

Sécurité de l’agrégation des données dans les
Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF) 

 Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF)

 Présentation 

Un réseau de capteurs sans fil est un réseau ad hoc avec un grand nombre de nœuds qui sont des microcapteurs capables de récolter et de transmettre des données environnementales d’une manière autonome sans intervention humaine. La position de ces nœuds n’est pas obligatoirement prédéterminée. Ils peuvent être aléatoirement dispersés dans une zone géographique, appelée « champ de captage » correspondant au terrain d’intérêt pour le phénomène capté. Les données captées par les nœuds sont acheminées grâce à un routage multi-sauts vers un nœud considéré comme un « point de collecte », appelé nœud-puits (ou Sink). Ce dernier peut être connecté à l’utilisateur du réseau (via Internet, un satellite ou un autre système). Un réseau de capteurs est donc composé de deux types de nœuds :  les capteurs  le(s) puits Figure 1-1 Architecture générale des RCSF L’usager peut adresser des requêtes aux autres nœuds du réseau, précisant le type de données requises et récolter les données environnementales captées par le biais du nœud puits. Il y a deux méthodes pour collecter les informations d’un réseau de capteurs. A la demande Lorsque l’on souhaite avoir l’état de la zone de couverture à un moment T, le puits émet des diffusions vers toute la zone pour que les capteurs remontent leur dernier relevé vers le puits. Figure 1-2 Collecte des informations à la demande Suite à un événement Un événement se produit en un point de la zone de couverture (changement brusque de température, mouvement…), les capteurs situés à proximité remontent alors les informations relevées et les acheminent jusqu’au puits. Figure 1-3 Collecte des informations suite à un évènement 

Comparaison entre les RCSF et les réseaux Ad Hoc 

Les réseaux de capteurs sans fil sont apparentés aux réseaux ad hoc. En effet, ces deux types de réseaux ont de nombreux points communs :  Réseaux sans infrastructure  Architecture décentralisée  Autonomie  Utilisation des ondes radio pour communiquer On peut dire qu’un réseau de capteurs est un réseau Ad Hoc mais pas l’inverse. La différence se situe au niveau du nombre et des caractéristiques des nœuds qui forment le réseau. Un RCSF peut être composé d’une centaine voire d’un millier de nœuds. La gestion du réseau qui en découle est donc très particulière. Dans un avenir plus ou moins proche, un RCSF pourrait être formé de millions de nœuds microscopiques disséminés à travers un lieu à observer. La présence d’un nombre conséquent de nœuds au mètre carré est un facteur d’interférence important. Toutefois, si un nœud tombe en panne, la probabilité de l’existence d’un ou plusieurs nœuds voisins pouvant le remplacer est assez élevée. Plus précisément, si la répartition des nœuds sur une surface donnée est uniforme, les risques de partition ou séparation du réseau sont moindres par rapport à un réseau sans fil Ad Hoc classique. Ainsi les besoins et les contraintes de ces réseaux diffèrent. Voici quelques différences fondamentales répertoriées dans le tableau suivant: Réseau de capteurs Réseau Ad Hoc Flot de communication « Many to one » « any to any » Contrainte clé Energie Débit Communication Broadcast Point à point Relation entre les nœuds Collaboration Chaque nœud a son objectif Objectif Ciblé Générique / communication Taille Selon le cas (de très petite a très grande) Petite Mobilité Faible Forte Nœud central Station de base Aucun Composants Capteurs Portables, PDA (Personal digital assistant)… Capacité en ressources Faible Aucune limitation Topologie du réseau Changements fréquents Fixe Densité de déploiement Importante Moyenne Nombre de nœuds Plusieurs centaines de milliers Une dizaine Accès au médium Half duplex Infrastructure Sans infrastructure fixe Support de communication Sans fil Problèmes d’interférences Vulnérables aux problèmes d’interférences Routage Envoi direct, Multi-sauts Tableau 1-1 Tableau comparatif entre les RCSF et les réseaux Ad Hoc 

Les capteurs 

 Définition 

Un capteur est un dispositif ayant pour tâche de transformer une mesure physique observée en une mesure généralement électrique qui sera à son tour traduite en une donnée binaire exploitable et compréhensible par un système d’information. Parmi les différents types de mesures enregistrées par les capteurs, on peut citer entre autres : la température, l’humidité, la luminosité, l’accélération, la distance, les mouvements, la position, la pression, la présence d’un gaz, la vision (capture d’image), le son, etc… La notion de capteur a évolué avec le temps puisque leur domaine d’application s’est élargi. Les premiers capteurs n’étaient dédiés qu’à un unique type de mesure, les capteurs contemporains sont la combinaison de plusieurs dispositifs capables de mesurer différentes grandeurs physiques. En outre, à ces possibilités de mesures multiples, les capteurs actuels gèrent des fonctionnalités qui leur permettent, en plus de l’enregistrement et de la détection d’événements mesurables, le traitement de ces données et leur communication à un autre dispositif. On parle alors de capteur intelligent, capable à la fois de mesurer des données et de les communiquer à d’autres capteurs au sein d’un réseau. 

 Architecture et composants d’un capteur 

Un nœud capteur contient quatre unités de base :  l’unité de captage  l’unité de traitement  l’unité de transmission  et l’unité de contrôle d’énergie. Il peut contenir également, suivant son domaine d’application, des modules supplémentaires tels qu’un système de localisation (GPS), ou bien un système générateur d’énergie (cellule solaire). On peut même trouver des micro-capteurs, un peu plus volumineux, dotés d’un système mobilisateur chargé de déplacer le micro-capteur en cas de nécessité. Figure 1-4 Architecture générale d’un nœud capteur Unité de détection ou sonde La sonde, c’est-à-dire le capteur proprement dit, est un dispositif transformant l’état d’une grandeur physique observée en une grandeur utilisable par exemple, une tension électrique, une intensité lumineuse ou encore une température. Elle se distingue de l’instrument de mesure par le fait qu’il ne s’agit que d’une simple interface entre un processus physique et une information manipulable. L’unité de détection est généralement composée de deux sous-unités : le récepteur (reconnaissant l’analyte) et le transducteur (convertissant le signal du récepteur en signal électrique). Le capteur fournit des signaux analogiques, basés sur le phénomène observé, au convertisseur Analogique/Numérique. Ce dernier transforme ces signaux en un signal numérique compréhensible par l’unité de traitement. La sonde est caractérisée par plusieurs critères dont les plus courants sont la grandeur physique observée (lumière, température, bruit, humidité, etc…), son étendue de mesure ou rayon de détection, sa sensibilité, sa gamme de températures d’utilisation. Pour utiliser une sonde capteur dans les meilleures conditions, il est souvent utile de pratiquer un étalonnage et de connaıtre les incertitudes de mesures relatives à celle-ci. Unité de traitement Elle comprend un processeur généralement associé à une petite unité de stockage. Elle fonctionne à l’aide d’un système d’exploitation spécialement conçu pour les micro-capteurs (TinyOS par exemple). Elle exécute les protocoles de communications qui permettent de faire « collaborer » le nœud avec les autres nœuds du réseau. Elle peut aussi analyser les données captées pour alléger la tâche du nœud puits. Unité de transmission Elle effectue toutes les émissions et réceptions des données sur un medium « sans fil ». Elle peut être de type optique (comme dans les nœuds Smart Dust), ou de type radiofréquence.  Les communications du type optique sont robustes vis-à-vis des interférences électriques. Néanmoins, ne pouvant pas établir de liaisons à travers des obstacles, elles présentent l’inconvénient d’exiger une ligne de vue permanente entre les entités communicantes.  Les unités de transmission du type radiofréquence comprennent des circuits de modulation, démodulation, filtrage et multiplexage ; ceci implique une augmentation de la complexité et du coût de production du micro-capteur. Concevoir des unités de transmission de type radiofréquence avec une faible consommation d’énergie est un défi car pour qu’un nœud ait une portée de communication suffisamment grande, il est nécessaire d’utiliser un signal assez puissant et donc une énergie consommée importante. L’alternative consistant à utiliser de longues antennes n’est pas possible à cause de la taille réduite des micro-capteurs. Unité de contrôle d’énergie Un micro-capteur est muni d’une ressource énergétique (généralement une batterie). Étant donnée sa petite taille, cette ressource énergétique est limitée et généralement non remplaçable. Ce qui fait souvent de l’énergie la ressource la plus précieuse d’un réseau de capteurs, car elle influe directement sur la durée de vie des micro-capteurs et donc du réseau entier. L’unité de contrôle d’énergie constitue donc un système essentiel. Elle doit répartir l’énergie disponible aux autres modules, de manière optimale (par exemple en réduisant les dépenses inutiles et en mettant en veille les composants inactifs). Cette unité peut aussi gérer des systèmes de rechargement d’énergie à partir de l’environnement via des cellules photovoltaïques par exemple.