Cours “Programmer l'Internet des objets” proposé sur la plateforme FUN-MOOC par l'Institut Mines Télécom.

Transcription de la vidéo L'empilement protocolaire pour l'IoT ⚙️ MOOC PLIDO.

Nous avons abordé précédemment la pile protocolaire utilisée dans l'Internet classique avec les protocoles les plus répandus. Nous allons voir ajourd' hui son évolution pour intégrer les objets communicants contraints en mémoire et autonomes énergétiquement.

Concernant le niveau 2, le but est de gagner en energie lors des transmission. Déja on peu dire adieu à Ethernet car cela imposerait d'utiliser l'infrastructure filaire et donc on ne pourrait pas placer les objets où on veut, surtout s'ils se déplacent. Les communications par ondes radio sont privilégiées pour l'IoT.

Le WiFi est également trop gourmand en energie, on lui préfère donc une évolution appelée IEEE 802.15.4 qui reprend son principe de fonctionnement mais l'adapte à un faible débit et à des trames de petite taille. En particulier pour économiser l'energie, la portée est réduite à une dizaine de mètres et il faut généralement utiliser des relais pour atteindre une destination.

Bluetooth a également été adapté pour des objets avec une basse consommation : BLE pour Bluetooth Low Energie.

Du coté de la téléphonie cellulaire, la norme évolue également pour prendre en compte les objets. La norme 4G a intégré les communications à plus bas débit (LTE-M et NB-IoT). La 5G intégrera une classe permettant la communication avec les objets économe en énergie et réduisant les temps de latence.

Finalement une nouvelle classe de réseau est apparue avec les réseaux LPWAN dédiés aux objets. LPWAN signifie Low Power Wide Area Network. Ils permettent de transmettre à faible puissance sur de longues distances (~ 2 km en ville et 20km en campagne) par contre les trafics sont fortement contraints. Les deux représentants les plus connus sont sigfox et LoRaWAN. Nous verrons plus en détail comment les utiliser et si vous avez la chance d'avoir un Pycom, vous pouvez expérimenter sur ces réseaux.

Au niveau 3, on se tourne vers IPv6 puisque IPv4 à son espace d'adressage saturé. Cependant IPv6 implique des entêtes plus grandes ce qui peut être gênant car les protocoles utilisés au niveau 2 ont été adaptés pour transporter de plus petites trames. Il existe deux sous-couches d'adaptation qui vont comprimer les entetes :

• 6LoWPAN pour les réseaux de type IEEE802.15.4 ;
• SCHC (que l'on prononce “CHIC”) pour les réseaux LPWAN.

Pour les couches supérieures, on a pu voir que TCP(couche 4) et HTTP (couche 7) étaient les protocoles dominants sur l'architecture classique. Pour l'IoT ce n'est pas optimal, TCP et HTTP sont des protocoles complexes qui requièrent beaucoup de mémoire. Pour réduire l'impact de la pile protocolaire, l'IETF a définit un nouveau protocole appelé CoAP qui ne demande que quelques kilo Octets pour fonctionner. CoAP repose sur UDP ce qui simplifie encore la mise en œuvre. CoAP permet de manipuler des ressources identifiées par leur URI donc s'insère sans problème dans l'architecture du web.

Pour la structuration des données, XML est moins efficace car beaucoup trop verbeux. JSON est beaucoup plus efficace pour transporter des informations structurées. Il existe un équivalent binaire que nous verrons pas la suite CBOR qui est beaucoup plus performant, simple à mettre en œuvre et compatible avec JSON.

Finalement, la beauté de la pile Internet, c'est qu'on est pas obligé de tout mettre en œuvre. Par exemple le compteur électrique Linky que tous les français connaissent en implémente qu'une partie. Au lieu d'utiliser CoAP, les électriciens utilisent leur propre application suivant la norme DLMS/Cosem. Celle-ci repose sur UDP puis IPv6, 6LoWPAN et finalement sur une variante de IEE802.15.4 adaptée pour transporter l'information sur les câbles électriques.

Les objets se caractérisent par une capacité de traitement limitée et par une consommation énergétique réduite pour préserver l’autonomie imposée par une alimentation sur batterie. Or, les activités les plus consommatrices pour un équipement sont l’émission et la réception de données. Pour maximiser l’autonomie des équipements, il faut revoir l’intégralité des protocoles, mais en les calquant sur les architectures existantes pour en assurer la compatibilité.

Nous allons passer en revue ces adaptations de la pile protocolaire de l'internet.

Les réseaux pour l’internet des objets peuvent être divisés en deux catégories :

• Les topologies maillées (mesh) ;
• Les topologies en étoile (star).

Les réseaux maillés, tels que la famille IEEE 802.15.4, sont une adaptation d’un protocole d’accès Wi-Fi pour préserver l’énergie. La portée de transmission est limitée à 50 mètres pour limiter la consommation d'énergie ; et par conséquent les messages doivent être relayés par d’autres nœuds pour atteindre leur destination.

Le débit est de quelques centaines de kilobits/s et la taille de la trame est de quelques centaines d’octets.

Ces réseaux sont performants pour transporter des données IoT, mais le protocole de routage, ainsi que le relayage des trames, consomment l’énergie des objets.

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