Dans cette thèse, nous examinons certains des mécanismes de qds (qualité de services) existants dans la littérature de réseautage, et les caractéristiques inhérentes des RCSFs qui font qu'il est difficile de prévoir la qualité de service dans le réseau. Nous identifions alors quelques indicateurs de performance clés et nous décrivons certains mécanismes pour atteindre la qualité de service dans le réseau de capteurs. Notre thèse se présente sous la forme de quatre contributions scientifiques, chacune traitant une problématique bien spécifique.
L’évolution rapide de la technologie multimédia et l’intérêt commercial des compagnies pour populariser ce type d’application, ont fait de la qualité de service (Qds) un secteur d’une grande importance. Ces applications sont caractérisées par une quantité de donnée volumineuse par rapport à celle des applications traditionnelles des RCSFs. En outre, la Qds est désormais devenue une exigence fondamentale. Par ailleurs, assurer la Qds dans de tels réseaux est très délicat. Cependant, le changement de topologie imprévue peut nuire la continuité de service et le rend extrêmement difficile voire impossible. Il est légitime donc, de considérer la fiabilité des routes comme étant la contrainte de Qds principale à prendre en compte pour la transmission de données. La mission du routage consiste à déterminer le meilleur chemin entre la source et la destination dans le réseau selon certains critères de performance.
Table des Matières
Chapitre I : Réseaux de capteurs sans fil : Concepts et applications
I.1. Réseaux de capteurs sans fil
I.2. Anatomie d’un nœud capteur
I.3. Caractéristiques des réseaux de capteurs sans fil :
I.4. Modèles de fonctionnement du réseau
I.5. Domaines d’application
I.6. Conception d’un réseau de capteurs sans fil:
I.7. Architecture :
Chapitre II : Etude et classification des protocoles de routage dans les RCSFs
II.1. Taxonomie des protocoles de routage dans un RCSF
II.1.1. Taxonomie selon la topologie du réseau
II.1.2. Taxonomie selon le fonctionnement du protocole
II.1.3. Taxonomie selon les paradigmes de communication
II.1.4. Taxonomie selon l’établissement de la route
II.1.5. Taxonomie selon la mobilité
II.1.6. Taxonomie selon l’hétérogénéité
II.1.7. Taxonomie selon la couche de routage
II.2. Techniques de routage dans les piles de protocole des RCSFs
II.2.1. Zigbee
II.2.6. 6LoWPAN
II.3. Algorithmes de routage basés sur l’Optimisation par colonie de fourmis
II.3. 1. Algorithme de base
II.3. 2. Contrôle à base de fourmis (Ant-Based Control)
II.3. 3. AntNet
II.3. 4. Système de routage à base d'agent (ARS)
II.3. 5. AntHocNet
Chapitre III : Réseaux de capteurs IPv6 et ContikiRPL
III.1. Réseaux de capteurs IPv6
III.1.1. Paradigme d'Internet des objets
III.1.2. Les réseaux à faible puissance et avec perte : LLNs
III.1.3. RPL : Le nouveau protocole de routage IPv6 pour les réseaux LLNs
III.1.3.1. RPL dans le modèle OSI :
III.1.3.2. Topologie RPL
III.1.3.3. Messages de contrôles RPL
III.1.3.4. L’algorithme Trickle
III.1.3.5. Fonction objective (OF)
III.1.3.6. Définition du rang dans RPL
III.1.3.7. Les métriques de routage
III.1.3.8. Construction du DODAG
III.2.ContikiRPL
III.2.1. Contiki OS
III.2.2.Fonctionnement
III.2.3. Le Simulateur COOJA
III.2.3. Les composants ContikiRPL
III.2.3.1. Module des messages ICMP6 :
III.2.3.2. Module de construction du DAG
III.2.3.3. Module RPL Routes
III.2.3.4. Module Timers
III.2.3.5. Module fonction Objective
III.2.3.6. Module Headers
Chapitre IV : Contributions
IV.1. Première Contribution
IV.1.1. Description de la première approche proposée :
IV.1.2. Format des Messages de contrôle
IV.1.2.1. Message Hello
IV.1.2.2. Message requête de route
IV.1.2.3. Message de réponse de route
IV.1.2.4. Message erreur de route
IV.1.3. Modèle Mathématique
IV.1.4. Calcul des métriques relatives
IV.1.4.1. Délai
IV.1.4.2. Nombre de sauts
IV.1.4.3. La bande passante
IV.1.4.4. Phéromone
IV.1.5. Renforcement des routes
IV.1.5.1. Mise à jour phéromone :
IV.1.5.2. Mise à jour du délai
IV.1.5.3. Mise à jour bande passante
IV.1.6. Phase de découverte de Route
IV.1.7. Phase de maintenance de route
IV.1.8. Simulation et résultat
IV.1.8. 1. Le délai moyen de bout en bout
IV.1.8. 2.Taux de livraison des paquets
IV.2. Deuxième Contribution
IV.2.1. Description de la deuxième approche proposée
IV.2.1.1. Interprétation de la disponibilité
IV.2.1.2. Paquets de contrôle
IV.2.2. Modèle Mathématique
IV.2.2.1. Disponibilité
IV.2.2.2. Energie Résiduelle minimale
IV.2.3. Déroulement de la phase de découverte de routes
IV.2.4. Phase de maintenance de route
IV.2.5. Simulation et résultat
IV.2.6. Tests et analyse des résultats
IV.2.6.1. Disparition du nœud 6
IV.2.6.2. Disparition du nœud 13
IV.2.6.3. Disparition du nœud 18
IV.2.6.4. Bilan de la disparition d’un nœud
IV.3. Troisième Contribution
IV.3.1. Description de la troisième approche proposée :
IV.3.1.1. Calcul des métriques relatives
IV.3.1.1.1. Le Délai
IV.3.1.1.2. Energie Résiduelle Minimale
IV.3.1.1.3. Phéromone
IV.3.2. Route renforcement
IV.3.3. Calcul du rang
IV.3.4. Exemple de scénario
IV.3.5. Environnement de simulation
IV.3.6. Résultats et discussion
IV.3.6.1. Efficacité énergétique
IV.3.6.2. Performance de transmission
IV.3.6.3. Amélioration du délai de bout-en-bout
IV.4. Évaluation expérimentale des performances du protocole RPL
IV.4. 1. Le délai de convergence du DAG
IV.4.2. Consommation d'énergie
IV.4.3. Perte de paquets
IV.4.4. Délai de bout en bout
Objectifs et thèmes de recherche
L'objectif principal de cette thèse est de développer des mécanismes de routage efficaces et adaptatifs pour les réseaux de capteurs sans fil (RCSF), en mettant l'accent sur l'optimisation de la qualité de service (QdS). Le travail explore comment concilier les contraintes matérielles strictes des capteurs (énergie limitée, puissance de calcul restreinte) avec les exigences croissantes des applications multimédias, en proposant de nouvelles approches basées sur l'optimisation par colonie de fourmis (ACO) et sur le protocole standard RPL au sein du système d'exploitation Contiki.
- Optimisation du routage dans les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) basée sur les algorithmes à colonie de fourmis (ACO).
- Gestion de la qualité de service (QdS) sous contraintes d'énergie et de ressources limitées.
- Implémentation et évaluation du protocole de routage RPL dans le système d'exploitation Contiki.
- Amélioration de la fiabilité du routage par des mécanismes de maintenance de routes et de réparation locale.
- Évaluation expérimentale des performances via le simulateur COOJA et des déploiements réels sur des nœuds TelosB.
Auszug aus dem Buch
I.4.1. Modèles de collecte des données
Selon les interactions entre le réseau de capteurs et la station de base, nous citons trois modèles principaux [5] :
Surveillance périodique : Tous les capteurs envoient périodiquement leurs mesures à la station de base. Le type d’application visé concerne les applications de surveillance où le but principal est d’avoir une information régulière de la zone.
Surveillance à la demande : Les capteurs ne transmettent pas spontanément les données de mesure, ils les envoient seulement lorsqu’ils reçoivent des requêtes explicites de la station de base. Ces requêtes peuvent être dirigées (sollicitation d’un capteur ou un groupe de capteurs) ou diffusées (requête de type conditionnel, par exemple tous les capteurs dont la mesure dépasse un seuil).
Surveillance sur déclenchement d´évènements : Dans ce modèle, les capteurs envoient les mesures seulement lorsqu’il y a un évènement qui se produit, généralement le dépassement d’un seuil. Ce modèle est bien adapté par exemple à la détection d’intrusion.
Applications hybrides : toute alliance des modèles de fonctionnements précédents.
Résumé des chapitres
Chapitre I : Réseaux de capteurs sans fil : Concepts et applications : Ce chapitre introduit les concepts fondamentaux des RCSF, incluant leur anatomie, leurs caractéristiques spécifiques et leurs divers domaines d'application.
Chapitre II : Etude et classification des protocoles de routage dans les RCSFs : Ce chapitre présente une taxonomie détaillée des protocoles de routage existants et explore l'utilisation des algorithmes de colonie de fourmis pour l'optimisation du routage.
Chapitre III : Réseaux de capteurs IPv6 et ContikiRPL : Ce chapitre détaille l'intégration d'IPv6 dans les réseaux de capteurs, le fonctionnement du protocole RPL et son implémentation spécifique sous le système d'exploitation Contiki.
Chapitre IV : Contributions : Ce chapitre présente les trois contributions scientifiques de la thèse, axées sur l'amélioration du routage avec qualité de service, ainsi que leur évaluation par simulation et expérimentation réelle.
Mots-clés
RCSF, réseaux de capteurs sans fil, qualité de service, QdS, routage, RPL, ACO, fourmis, Contiki, IPv6, énergie, disponibilité, re-routage, simulation, performance.
Foire aux questions
Quel est le sujet principal de cette thèse ?
La thèse porte sur la conception de nouvelles approches de routage dans les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) afin d'assurer une meilleure qualité de service (QdS).
Quels sont les domaines d'application étudiés ?
Les domaines incluent la surveillance environnementale, la sécurité, les applications médicales et les applications commerciales, où la gestion efficace des ressources est cruciale.
Quel est le but ultime de ces travaux ?
L'objectif est de proposer des mécanismes de routage qui garantissent une qualité de service satisfaisante tout en minimisant la consommation d'énergie pour prolonger la durée de vie du réseau.
Quelle méthode scientifique est principalement utilisée ?
La thèse utilise des méta-heuristiques basées sur l'optimisation par colonie de fourmis (ACO) et le protocole standard RPL, combinés avec des simulations sous COOJA et des tests expérimentaux.
Que couvre le corps principal de la thèse ?
Le contenu traite de la théorie des réseaux de capteurs, de la classification des protocoles de routage, de l'intégration IPv6 avec le protocole RPL, et de l'implémentation et l'évaluation de solutions proposées.
Quels sont les mots-clés définissant ces recherches ?
Les mots-clés essentiels sont RCSF, QdS, RPL, ACO, optimisation énergétique et re-routage.
Comment le protocole RPL est-il abordé dans cette étude ?
Le protocole RPL est étudié en profondeur pour son rôle dans les réseaux à faible puissance et avec perte (LLNs), avec une attention particulière sur son implémentation dans le système d'exploitation Contiki.
Quelles sont les contributions apportées par l'auteur ?
L'auteur propose trois contributions majeures : un routage basé sur les ACO avec prise en compte de la QdS, une méthode de réparation locale de routes tenant compte de la densité, et une fonction objective optimisée intégrant l'énergie résiduelle et le délai.
Pourquoi l'auteur a-t-il choisi le simulateur COOJA ?
COOJA a été choisi pour sa flexibilité et sa capacité à émuler les nœuds de capteurs (TelosB) tout en permettant de tester le code réel dans un environnement contrôlé.
- Quote paper
- Mohammed Belghachi (Author), 2016, Conception de nouvelles approches de routage dans les réseaux de capteurs sans fil, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/539107
