Réseaux de Capteurs. WSN : Wireless Sensor Networks

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1 Réseaux de Capteurs WSN : Wireless Sensor Networks

2 Réseaux de capteurs sans-fil Capteurs : - auto-alimentation (batterie embarquée) - Capacités de calcul - Faible mémoire - Communications sans fil - Faible coût

3 Architecture d un réseau WSN Réseau auto-organisé - Collecte d informations - Acheminement vers une destination cible : gateway / sink - Traitement de l information gateway WSN station de travail, internet gateway WSN

4 Anatomie d un capteur : exemple TelosB Processeur TI MSP430 (8 MHz, 10 KB RAM) Transmission : (ZigBee) : 250 Kbps ( GHz) Antenne intégrée Flash 1 MB Capteurs - Lumière - Température - Humidité Système d exploitation (TinyOS)

5 Anatomie d un capteur : exemple TelosB Joint Test Action Group : accès auxiliaire aux broches d entréesortie des composants numériques

6 note : PAR vs TSR

7 Anatomie d un capteur : exemple TelosB Supply Voltage Supervisor code d exécution

8 Exemple de capteurs crossbow

9 Exemple de capteurs crossbow

10 Exemple de capteurs crossbow

11 Applications Applications : - Monitoring médical - Agriculture de précision - Surveillance de zones en environnement hostile - Industrie - Transport - Tracking -...

12 Projet Great Duck Island Great Duck Island is a 237-acre island located off the coast of Maine and an important nesting ground for Leach's Storm Petrel, a common New England seabird. In spring 2002, the College of the Atlantic, in collaboration with the University of California, Berkeley, and Intel Corp., deployed a sensor network consisting of 32~motes on the island to monitor the Petrel's nesting behavior. Using a sensor network allowed scientists to continually measure environmental data in and around the Petrel's nesting burrows without disturbing the nesting birds. Over a three-month period during summer 2002, the sensor network delivered 1.8~million measurement packets to its base station, with individual motes delivering up to 50,000 packets. Each mote was programmed to measure several environmental variables including temperature, humidity, barometric pressure, and light level. We are developing an application that uses data from the sensor network's measurement database to reconstruct a selected measured variable at every location inside the area covered by the sensor network, by interpolating measured values between mote locations. A reconstruction is then evolved over time and used to create an animation of the weather conditions on Great Duck Island data for the measurement period. The data structures and algorithms we are developing in the course of this project are independent of the specific circumstances of the Great Duck Island sensor network, especially of the number and distribution of motes and the type of measured variables. We anticipate that our work will be applicable to a wide variety of data soon to be generated by more complex, next-generation sensor networks. Center for Information Technology Research in the Interest of Society

13 Projet Great Duck Island - Surveillance de l environnement des oiseaux marins - 32 capteurs (humidité, lumière, température, pression...) - données accessibles à partir d internet via lien satellite

14 Projet ZebraNet Projet ZebraNet (2004) - Surveillance des zèbres dans les réserves africaines (Kenya) - Travail avec les biologistes - Etudes de l espèces, des interactions

15 Projet ZebraNet

16 Contrôle de l environnement Surveillance de volcans, ex:tungurahua, Equateur - Harvard Sensor Network Lab

17 Contrôle de l agriculture Wireless Vineyard Monitoring

18 Contrôle de l agriculture Underground WSN

19 Surveillance médicale Surveillance des individus et/ou de leur environnement - Projet Wireless Sensor for Medical Care, Havard Univ. - Projet CASPER, France Telecom, INRIA -

20 Contrôle de structures SHM : Structural Health Monitoring - ex : Golden Gate

21 Contrôle de structures, ex: G.G noeuds - Max 43 sauts

22 Contrôle de structures, ex: G.G. Capteur d inclinaison (Accéléromètre) Analog 2 Digital Converter MicroController Unit : CPU + programme + Data + interfaces

23 Contrôle de structures, ex: G.G.

24 Contrôle de structures, ex: G.G.

25 Contrôle de structures, ex: G.G.

26 Contrôle de structures, ex: G.G.

27 Réseaux de capteurs et communication

28 ?

29 Contraintes d'exécution WSN utilisés dans des domaines très hétérogènes - Applications différentes = Besoins différents - Contraintes spécifiques à l application - Ressources limitées - Niveau de criticité différent selon utilisation

30 Criticité dans les systèmes embarqués Durée de vie = énergie Noeuds considérés : - point de vue individuel - ou point de vue collectif? Consommation d énergie : - Mesures - Calcul - Transmission : Emission ET réception

31 Pile protocolaire

32 WSN et communications Groupe de travail WPAN : Wireless Personal Aera Networks - 7 groupes d étude - chaque groupe d étude consacré à un type d utilisation -

33 Groupes d études Groupe 1 : WPAN / Bluetooth - Groupe 2 : Coexistence - Groupe 3 : High Rate WPAN (HR-WPAN) - Groupe 4 : Low Rate WPAN (LR-WPAN) - Groupe 5 : Mesh Networking - Groupe 6 : Body Aera Networking (BAN) - Groupe 7 : Visible Light Communications

34 IEEE Standard pour les réseaux LR-WPAN - Appareils à faible consommation d énergie - Faible coût de déploiement - Spécifications de base : portée 10 m, transfert 250 kbit/s - Compromis pour dispositifs plus contraints : Réduction de débit à 20/40 kbit/s définit uniquement les couches basses (PHY + MAC) ne définit pas les couches hautes : base pour les spécifications ZigBee, ISA100.11a, WirelessHART, MiWi Interaction possible avec la LLC IEEE grâce à une sous-couche de convergence

35 IEEE Architecture protocolaire de : - définit uniquement les couches basses : PHY + MAC - Sert de base pour les spécifications des couches hautes. ex: ZigBee, ISA100.11a, WirelessHART, - Interaction avec la LLC IEEE via sous-couche de convergence

36 Types de noeuds Deux types de noeuds : FFD : Full-Fonction Device - Fonctionne comme Coordinateur ou noeud simple - Font office de routeur dans un réseau peer-to-peer RFD : Reduced-Function Device - Fonctions réduites, élémentaires - Elements terminaux du réseau. - Ne communiquent qu avec des FFD

37 Topologie d un réseau Etoile - Peer-to-Peer - Arbre (Cluster-Tree) un noeud n est associé qu à un seul FFD Au moins un FFD joue le rôle d un coordinateur

38 : Couche physique ISM: Industrial, Scientific and Medical radio bands Trois bandes de fréquences : MHz : Europe, 1 canal MHz : Amerique du nord, 10 canaux (ext. à 30) GHz : Mondial, 16 canaux Extensions en Chine, au Japon

39 : Couche MAC Caractéristiques : - Gestion des balises - Accès au canal - Gestion des GTS : Guaranteed Time Slot - Validation des trames - Mécanismes de Sécurité

40 Accès au médium Accès à un médium filaire, ex réseaux ethernet : CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access : méthode probabiliste - Ajout d un mécanisme de détection des collision : / CD Inopérant dans les réseaux radio : - impossibilité d écouter et recevoir simultanément - problème du noeud caché : les collisions au niveau du récepteur ne sont pas détectées par l émetteur A B C

41 Rappel : CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - Méthode probabiliste d accès à un réseau radio - Un paquet de données doit être acquitté - Temps d attente, accès probabiliste view=exh&src=45

42 Rappel : CSMA/CA Scénario d un noeud envoyant un message : - écoute du canal durant une période DIFS - si pas de transmission durant cette période : envoie du message attente d une période SIFS < DIFS réception d un accusé de réception - si une transmission occure : attente d une nouvelle période DIFS + Tbackoff nouvelle tentative

43 Rappel : CSMA/CA Calcul du Tbackoff : - CW = Contention Windows - Temps découpé en slot - Tbackoff = random(0, CW) * taille Slot - A chaque collision, la taille de CW double - Tant qu il n atteint pas 0, Tbackoff est est décrémenté du nombre de slots durant lesquels aucune transmission n a été détectée

44 DIFS station 1 DIFS DIFS DIFS station 2 DIFS station 3 SIFS SIFS SIFS point d accès média radio

45 Limites de CMSA/CA CSMA/CA ne résoud pas le problème du noeud caché Mécanismes supplémentaires : RTS / CTS - Ready To Send, Clear To Send - mécanisme de réservation du canal - RTS de la station vers le point d accès - CTS du point d accès vers toutes les stations - Contient la durée de transmission données + ACK

46 CSMA/CA avec RTS/CTS DIFS SIFS station 1 SIFS SIFS SIFS SIFS point d accès DIFS SIFS station 2

47 Standard Standard original Amendements au standard a : WPAN Low Rate Alternative PHY b : Révision, Améliorations, Sécurité c : China (PHY) d : Japan (PHY / MAC) e : Industrial Applications (MAC) f : Active RFID (PHY / MAC) g : Smart Utility Networks (PHY)

48 Adressage et structures de trames Deux types d adressage des dispositifs - adresses courtes : 16 bits (2 octets) - adresses longues : 64 bits (8 octets) Quatre types de trames - Données - ACK : garantissent l accusé de réception - commande MAC : contrôle et configuration à distance des noeuds par le coordinateur PAN - beacon : trame utilisés uniquement en mode beacon

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51 Symboles et couche physique Envoi sur la couche physique de symboles - Bandes 860-MHz et 915-MHz :1 symbole = 1 bit - Bande 2.4-GHz : 1symbole = 4 bits

52 Accès au média Deux modes de fonctionnement : - Mode non beacon utilisant CSMA / CA non slotté - Mode beacon, utilisant CSMA / CA slotté, avec envoi de balises à périodes régulières

53 mode non beacon Mode non beacon utilisant CSMA / CA non slotté Conditions d utilisations : - Energie pas critique pour le coordinateur (alim secteur) - RFD ont peu à transmettre - ex : interrupteurs, éteints 99% du temps toujours allumé, alimentation secteur - pas de balises => pas de synchronisation - accès au canal non garanti

54 mode non beacon Communication dispositif vers coordinateur - réveil du dispositif - attente pendant une durée aléatoire - Ecoute du canal durant une période donnée Si le canal est libre, envoi des données. ACK optionnels, demandés dans le paquet de données, attente durant macackwaitduration, 54 /120 symboles Sinon attente aléatoire avant nouvelle tentative

55 mode non beacon Coordinateur Dispositif données ACK (optionnel)

56 mode non beacon Communication du coordinateur vers un dispositif - réception d une requête de demande des données - envoi d un accusé de réception de requête ACK - envoi des données (si pas de données disponibles, envoi d un bloc de données de taille nulle) - réception d un accusé de réception de données

57 mode non beacon Coordinateur Dispositif requête de données ACK Données ACK

58 CSMA dans Variables utilisés : - abackoffperiod : 20 symboles (défaut), unité de temps - BE : Backoff Exponent, utilisé pour le calcul du backoff macminbe =3, macmaxbe = 5 - NB : Nombre de Backoff, initialisé à 0 rappel : Backoff = période d attente avant écoute du canal

59 NB = 0 BE = macminbe CSMA/CA unslotted Delay for random (2^BE-1) unit backoff periods Perform CCA Channel idle? no NB > macmaxcsmabackoff? NB = NB +1 BE = min(be+1, macmaxbe) no yes yes failure Success

60 mode beacon Mode beacon (balise) - synchronisation des dispositifs avec le coordinateur - coordinateur : hibernation, se réveille périodiquement - fonctionnement avec balises envoyées régulièrement - Synchronisation grâce aux balises réveil des dispositifs quelques instants avant réception de la balise resynchronisation à réception de la balise

61 mode beacon La balise informe les dispositifs : - de la durée de la période d activité du coordinateur : superframe - a quel moment ils peuvent émettre - à quel moment le coordinateur entre en hibernation et pour combien de temps La balise gère également les mécanismes de réservation de slots dédiés

62 mode beacon Superframe - Support de la communication mode beacon - Partie active + partie inactive (optionnelle)

63 organisation en slots Partie active de la superframe - support de toute communication - divisée en 16 slots 1 slot pour le beacon des slots Contention Access Period des slots Contention Free Period (optionnels) La taille d une superframes dépend de deux paramètres : - SO : macsuperframeorder de domaine {0..14} - BO : macbeaconorder

64 organisation en slots Unité de temps - aunitbackoffperiod, exprimée en symboles Taille d un slot - SO=0 : 3 x aunitbackoffperiod = abaseslotduration (60 symboles) - général : 3 x aunitbackoffperiod x 2^SO Taille d une superframe : SD - SO=0 : 16 x abaseslotduration = abasesuperframeduration - SD : SuperframeDuration = abasesuperframeduration x 2^SO

65 organisation en slots Intervalle inter-balises : BI - BI : BeaconInterval = abasesuperframeduration x 2^BO Période d inactivité du coordinateur : I - abasesuperframeduration x (2^BO - 2^SO) - entre15.36 ms et sec à 250 Kbit/s - entre 24 ms et sec à 40 Kbit/s - entre 48 ms et sec à 20 Kbit/s

66 Mode beacon : CAP CAP : Contention Access Period - Communication avec contention : CSMA/CA slotté - Découpage en slots : les débuts de trames sont synchronisés - chaque slot est lui-même découpé en backoff period - la transaction doit être complétée durant la CAP

67 mode beacon Communication dispositif vers coordinateur, CAP - réveil du dispositif - attente pendant une durée aléatoire - Ecoute du canal durant une période donnée Si le canal est libre, envoi des données. ACK optionnels, demandés dans le paquet de données, attente durant macackwaitduration, 54 /120 symboles Sinon attente aléatoire avant nouvelle tentative

68 mode beacon Coordinateur Dispositif Balise données ACK (optionnel)

69 mode beacon Communication coordinateur vers dispositif, CAP - Coordinateur : envoi de la liste des dispositifs ayant des messages en attente dans la balise de début de superframe - Dispositif : envoi d une commande MAC DataRequest - Coordinateur : envoi d un accusé de réception - Dispositif : mode écoute pour une durée de amaxframeresponsetime (1220 symboles) - Coordinateur : envoi des données - Dispositif : acquittement obligatoire

70 mode beacon Transmission descendante en CAP réalisable sans CSMA slotté si et seulement si : - début de transmission entre aturnaroundtime (12 symboles) et aturnaroundtime + aunitbackoffperiod - temps suffisant dans la CAP pour espace interframe + accusé de réception Sinon transmission en mode CSMA slotté

71 mode beacon Validation d une transmission descendante, CAP - Transmission validée seulement si effectuée dans l intervalle de temps imparti. - Autrement tout le processus est à réitérer Utilisation du bit more dans l envoi des données pour informer le dispositif qu il reste des paquets en attente Maximum 7 dispositifs informés dans la balise (standard)

72 mode beacon Coordinateur Dispositif Balise requête de données ACK Données ACK

73 CSMA slotté dans Variables utilisés : - abackoffperiod : 20 symboles (défaut), unité de temps - BE : Backoff Exponent, utilisé pour le calcul du backoff macminbe =3, macmaxbe = 5 - CW : Contention Windows, nombre d unités pour exécuter un CCA (Clear Channel Assessment) après un backoff : différent de la terminologie NB : Nombre de Backoff, initialisé à 0 Chaque slot découpé en backoffperiod

74 NB = 0 CW = 2 Battery life Extension? yes BE = min(2, macminbe) no BE = macminbe CW=CW-1 CW=0? yes Success yes no Channel idle? Perform CCA on backoff period boundary Delay for random (2^BE-1) unit backoff periods Locate Backoff Period Boundary no no CW=2, NB = NB +1 BE = min(be+1, macmaxbe) NB > macmaxcsmabackoff? yes failure CSMA/CA slotted

75 Mode beacon : CFP CFP : Contention Free Period - Période dédiée à une communication sans contention - jusqu a 7 slots dédiés - Réservation de GTS : Guaranteed Time Slots - un GTS peut occuper plus d un slot - Les transferts doivent se terminer dans la superframe - ACK optionnels : spécifié dans le paquet de donné

76 Réservation d un GTS Réservation d un GTS - Demande effectuée par le dispositif au coordinateur - Communication montante et/ou descendante - Réservation en partant de la fin de la superframe - envoi du créneau réservé dans le beacon de la prochaine superframe - Réservation d un slot pour plusieurs superframes jusqu à libération ou expiration

77 Réservation d un GTS Mécanisme de réservation d un GTS - Envoi d un GTS request par le dispositif durant la CAP - Premier arrivé premier servi - Réservation des GTS par le coordinateur - Communication des GTS reservés dans la balise de la prochaine superframe

78 Communication multi-sauts Non définie dans (couches basses seulement) Organisation des communications : - organisation en clusters - utilisation des périodes d inactivité pour communication avec cluster adjacent - Possibilité de communiquer avec plusieurs clusters selon la taille de la période d inactivité

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81 Impact de la topologie Interférences des dispositifs hors cluster Impact d un BI élevé - communications espacées - moins d interférence - moins de débit Définition des relations de parenté - criticité pour le débit du réseau - réduit la quantité d énergie Multi-canaux?

82 Mécanismes de sécurité définit huit politiques de sécurité - Clés de 32, 64 ou 128 bits - avec ou sans encryption - avec ou sans authentification des données utilisation d un Message Authentification Code (MAC)

83 Niveaux de sécurité Niveaux de sécurité (LLC) : - Pas de sécurité - AES-CBC-MAC-32 : Authentification - AES-CBC-MAC-64 : Authentification - AES-CBC-MAC-128 : Authentification - AES-CRT : Encryption - AES-CCM-32 : Encryption + Authentification - AES-CCM-64 : Encryption + Authentification - AES-CCM-128 : Encryption + Authentification

84 Impact sur le MSDU

85 ZigBee / : Couches PHY/ MAC ZigBee Alliance : - Alliance de + de 50 industriels - Définition des couches hautes - Publication de profil application pour les constructeurs OEM Terme «ZigBee» : - Marque déposée du groupe, pas un standard technique

86 Utilisation de dispositifs ZigBee - Contrôle de la maison - Wireless Sensor Networks - Contrôle industriel - Capteurs embarqués - Collecte de données médicales - Détecteurs de présence, de fumée - Automatisation du bâtiment

87 Comparaison avec les technologies radio

88 Portée de ZigBee Couches hautes pour les WSN - se base sur les couches ajout de 4 composants essentiels couche réseau couche application ZigBee Device Object (ZDO) Applications définies par les industriels

89 Couche protocolaire ZigBee

90 Couche réseau : NWK Couche réseau ZigBee : NWK - Mécanismes pour joindre et quitter un réseau - Routage des frames vers leur destination finale - Topologies en étoile, arbre, réseau maillé - Découverte et maintenance des routes - Découverte du voisinage - Affectation d adresses - Sécurité des frames

91 Profils applicatifs Spécifications publiées : - ZigBee Home Automation - ZigBee Smart Energy ZigBee Telecommunication Services - ZigBee Health Care - ZigBee RF4CE - Remote Control

92 Profils applicatifs Spécifications en cours de développement : - ZigBee Smart Energy ZigBee Building Automation - Retail Service

93 Licence d utilisation Utilisation non commerciale : licence gratuite «Adopter» : level d entrée dans l alliance ZigBee - accès à des spécifications non publiées - permission de créer des produits à usage commercial Modèle de licence en conflit avec les licences Free Software

94 Zigbee Device Objects Gestion des rôles des dispositifs Gestion des requêtes de connexion à un réseau Découverte de dispositifs Sécurité

95 Mode actif vs mode inactif Caractéristiques : - un noeud ZigBee peut être en mode économie d énergie la majeure partie du temps - la phase de réveil dure moins de 30 ms - faible latence - forte réactivité comparé à BlueTooth (3 sec)

96 Types de périphériques ZigBee Coordinator (ZC) - racine du réseau (1 par réseau) - capacités maximum - gestion de la sécurité ZigBee Router (ZR) - Fonctions de routge ZigBee End Device (ZED) - Fonctionnalités réduite - Terminaison du réseau

97 Routage Adoption IPv6 Routage suggéré par la ZigBee Alliance : - AODV : Ad hoc On-Demand Distance Vector - Protocole de routage réactif - Route établie uniquement sur demande - Formation de clusters pour les grands réseaux

98 Sécurité Communications sécurisés - Caractéristiques initiales de ZigBee - Etablissement de communications sécurisées - Gestion des clés cryptées - Utilisation du framework de sécurité de IEEE

99 Sécurité Mécanismes de sécurité : - Clés 128 bits - Association de clé à un réseau ou à un lien Clé sur liens basées sur une clé maître qui contrôle la correspondance avec la clé du lien Clé maître à obtenir de manière sécurisée (préinstallation ou transport sécurisé) Visibilité : couche application

100 Sécurité Trust Center - Service de distribution et gestion des clés - Cas idéal : dispositifs configurés avec l adresse du Trust Center et une clé maître initiale chargée - Délivre des mécanismes de sécurité point-à-point - Infrastructure basée sur CCM*

101 Types de routage Routage réactif : - Itinéraires déterminés lorsqu ils sont requis - à la demande Routage proactif : - Tables de routage déterminées au démarrage - Maintenues dynamiquement Routage hybride : - spécificités réactif + proactif

102 Types de routage

103 Routage AODV Ad Hoc On-Demande Distance Vector - Protocole de routage dédié aux réseaux Ad-Hoc - Protocole réactif - Routage unicast / multicast - Création de routes à la volée - ZigBee : AODV-UU (Uppsala University)

104 Routage AODV Différents types de messages, transmis en UDP RREQ (Route REQuest) : demande de route - RREP (Route REPly) : réponse à une demande de route - RERR (Route ERRor) : routes en erreur - RREP-ACK (Route REPly ACK) : accusé de reception

105 Routage AODV Demande de route : - Message RREQ - Diffusion Broadcast, inondation sur le réseau - Attente d un RREP Délai d attente NET_TRANSVERSAL_TIME Rediffusion jusqu à RREQ_RRTRIES=2 tentatives Processus de recherche de route abandonné si pas de réponse, nouveau processus dans 10 s