Les routeurs industriels actuels sont généralement utilisés dans des environnements relativement difficiles. En raison des exigences opérationnelles, le routeur doit la plupart du temps fonctionner toute la journée, voire pendant plusieurs mois. Afin de prolonger la durée de vie du routeur industriel, les modèles existants sont équipés d’orifices de ventilation naturelle. Cependant, lorsqu'un routeur qui fonctionne depuis longtemps chauffe, la dissipation naturelle et rapide de la chaleur ne joue pas un rôle particulièrement important. De plus, le port de connexion de sortie des routeurs industriels a une orientation fixe et ne peut pas s'adapter simultanément à différents environnements. Par ailleurs, il est difficile de réparer les routeurs industriels existants.
Dans le cadre d'un projet lié à l'Internet des objets, comment déployer des routeurs industriels 4G pour atteindre le double objectif de stabilité du réseau et de rapport qualité-prix élevé ? Pour résoudre ce problème, il convient de bien comprendre les principes de transmission des données au sein du réseau de l'Internet des objets ainsi que l'architecture globale des communications IP du réseau.
Le routage des données de la source vers le récepteur fait partie intégrante de toute solution à grande échelle de capteurs sans fil et d’Internet des objets (IoT). Les appareils embarqués non branchés et/ou mobiles utilisés dans ce type d’applications de réseaux à faible consommation et avec pertes (LLN) sont toujours fortement limités en termes de puissance disponible. Un routage efficace des données est donc essentiel à toute solution viable à long terme.
De nombreuses applications à grande échelle d’acquisition de données sans fil et liées à la conduite utilisent des dispositifs embarqués à faible consommation. Ces applications comprennent l’agriculture de précision, la gestion des bâtiments et l’automatisation industrielle, les réseaux ad hoc de véhicules (VANET) ainsi que les réseaux urbains et les réseaux d’énergie et d’eau destinés à la création de villes plus intelligentes. Dans ces réseaux de capteurs sans fil, les dispositifs embarqués fonctionnent sous des contraintes énergétiques strictes, ce qui entraîne des limitations en matière de calcul, de stockage et de transmission radio. Ils communiquent également via des canaux sujets à des pertes.
Dans ce type d'applications, les appareils embarqués à faible consommation ne fonctionnent pas de manière isolée, mais font souvent partie d'un réseau sans fil plus vaste, comprenant souvent des centaines, voire des milliers d'autres appareils similaires (ou nœuds sur le terrain). Ces nœuds actifs peuvent rejoindre ou quitter le réseau à tout moment. Par conséquent, les solutions de routage sans fil doivent être économes en énergie, évolutives et autonomes.
Les réseaux à faible consommation et avec pertes (LLN) sont généralement composés de capteurs, d’actionneurs et de routeurs qui communiquent entre eux par voie sans fil. Cependant, contrairement aux capteurs et aux actionneurs, les routeurs ne sont généralement pas soumis à des contraintes de ressources (à long terme). Les routeurs qui relient le LLN à l'infrastructure Internet au sens large sont appelés « routeurs de périphérie LLN » (LBR).
Les schémas de trafic et les flux de données au sein du LLN sont fortement directionnels. Ce mode peut être défini comme un trafic multipoint-à-point (MP2P), un trafic point-à-multipoint (P2MP) ou un trafic point-à-point (P2P). Par exemple, dans le cas d’un trafic MP2P, les informations de détection provenant de plusieurs nœuds de détection sont acheminées vers des applications Internet via le LBR. On observe un trafic P2MP lorsque des requêtes sont émises depuis Internet (en dehors du LLN) et acheminées vers plusieurs nœuds sur site via le LBR et les routeurs du LLN. La communication P2P a lieu lorsqu’il est nécessaire d’envoyer des informations de contrôle à un actionneur spécifique ou de recevoir des informations d’alarme provenant d’un capteur spécifique.
L'Internet Engineering Task Force (IETF) a créé un groupe de travail (WG) afin de mieux cerner les exigences en matière de protocoles de routage économes en énergie pour des scénarios d'application tels que les réseaux urbains ou à l'échelle de la ville, les systèmes d'automatisation et de gestion des bâtiments, les systèmes d'automatisation industrielle et la domotique.
Réseau urbain de capteurs sans fil
De nombreux projets liés à la détection urbaine visent à surveiller et à suivre l'état d'une grande partie de nos ressources et environnements urbains. Le Sensory Cities Lab du MIT mène plusieurs projets visant à comprendre les “ villes en temps réel ” afin de surveiller les “ chaînes d'élimination ”, par opposition aux chaînes d'approvisionnement en produits, comme “ Trash Speech ” et “ Real-time Rome ”. 1 IBM a déployé sa technologie de ville intelligente dans plus de 100 villes à travers le monde.
Les applications de mise en réseau urbain de ce type constituent un cas particulier de réseau LLN, avec des exigences spécifiques en matière de routage sans fil. Le projet « Rome Real Time » utilise des données agrégées sur la densité de population fournies par les opérateurs de téléphonie mobile, ainsi que des données de localisation GPS provenant des bus publics qui communiquent via les antennes-relais.
Cependant, la mise en place d’une solution durable permettant la collecte, l’agrégation et l’affichage des données nécessite la mise en œuvre d’un réseau maillé à faible consommation d’énergie capable d’acheminer les données entre des appareils connectés sans fil et alimentés par des sources d’énergie à faible consommation. Le document RFC décrit les fonctionnalités clés et les exigences de routage pour les réseaux LLN urbains :
• Déploiement des nœuds : dans un déploiement typique de réseau urbain, des centaines, voire des milliers de nœuds dotés de fonctionnalités préprogrammées sont mis en place. Avant ou après le déploiement, la phase d’initialisation du réseau peut inclure l’attribution d’adresses, la définition des rôles (hiérarchiques) au sein du réseau, la synchronisation et la détermination des plannings. Après le déploiement, dans la topologie finale, certains nœuds peuvent être connectés via plusieurs chemins (redondants), tandis que d’autres peuvent dépendre de liaisons critiques pour assurer leur connectivité. Les protocoles de routage doivent tenir compte de ces facteurs et prendre en charge l’auto-organisation et l’auto-configuration avec la plus faible consommation d’énergie possible.
• Association et désassociation des nœuds : après la phase d'initialisation, les nœuds peuvent rejoindre ou quitter le réseau à tout moment. Les protocoles de routage doivent également être capables de gérer les situations dans lesquelles un nœud défaillant pourrait affecter ou compromettre l'efficacité globale du routage.
• Rapports de mesure périodiques : la plupart des nœuds de terrain sont configurés pour transmettre leurs relevés à intervalles réguliers (toutes les heures, tous les jours, etc.). Le calcul et le choix de l'acheminement des données peuvent dépendre des données détectées, de la fréquence des rapports, de la quantité d'énergie restante dans le nœud, du mode de recharge du nœud à récupération d'énergie ou d'autres facteurs.
• Requêtes relatives aux rapports de mesure : des applications externes peuvent lancer des requêtes sur le réseau municipal. Par exemple, on peut avoir besoin de connaître les niveaux de pollution en un point précis ou le long d’une route donnée. Le temps aller-retour est important, c'est-à-dire le temps écoulé entre le moment où la requête est lancée depuis le nœud et celui où les données de mesure sont transmises au nœud. (Le délai n'est pas critique, mais doit être inférieur à l'intervalle de rapport.)
• Signalement des alarmes : en règle générale, les nœuds de détection peuvent mesurer des événements classés comme des alarmes, notamment lorsque les données détectées dépassent un seuil. Le chemin de transmission des alertes doit être en unicast (vers un LBR) ou en multicast (vers plusieurs LBR).
• Évolutivité : les protocoles de routage doivent être capables de prendre en charge des déploiements sur le terrain comprenant de centaines à des dizaines de milliers de nœuds capteurs sans que les paramètres de performance sélectionnés ne descendent en dessous des seuils configurables.
• Routage basé sur des contraintes de paramètres : le protocole doit être capable de diffuser les capacités des nœuds (CPU, taille de la mémoire, autonomie de la batterie) pouvant être utilisées pour les décisions de routage. Les nœuds actifs doivent calculer, sélectionner et établir de manière dynamique différents chemins vers une même destination, en fonction de la nature du trafic.
• Prise en charge de la configuration autonome et externe : compte tenu du nombre élevé de nœuds, il n’est pas envisageable de configurer manuellement chacun d’entre eux. L’ampleur et le nombre de topologies possibles exigent que le réseau s’auto-organise et s’auto-configure selon des règles et des protocoles prédéfinis, tout en permettant des configurations déclenchées de l’extérieur.
• Prise en charge d’un flux d’informations hautement ciblé : les réseaux urbains acheminent généralement les données détectées par les nœuds de terrain vers des applications Internet via le LBR. À mesure que les nœuds se dispersent dans l’espace et que les données se rapprochent du LBR, la concentration du trafic dans les nœuds les plus proches du LBR augmente, ce qui entraîne un déséquilibre de charge entre ces nœuds. Les protocoles de routage doivent être capables de gérer les pics de trafic en calculant et en sélectionnant de manière dynamique plusieurs chemins vers une même destination.
• Prise en charge de la multidiffusion et de l'anycast : les protocoles de routage doivent disposer d'un schéma d'adressage capable de prendre en charge le routage vers un seul périphérique de terrain (monodiffusion), vers un ensemble de nœuds abonnés au même groupe (multidiffusion), ainsi que vers plusieurs nœuds pouvant tous être adressés par la même adresse IP (anycast).
• Dynamique du réseau : les nœuds de terrain peuvent s’associer, se désassocier ou disparaître de manière dynamique du réseau urbain. La dynamique des nœuds actifs ne doit pas affecter le routage à l’échelle du réseau ; les protocoles de routage doivent donc disposer de mécanismes de mise à jour appropriés pour signaler les changements d’état des nœuds actifs. Le protocole doit utiliser ces informations pour effectuer la réorganisation et la reconfiguration nécessaires au niveau du routage, afin de maintenir l’efficacité globale du routage.
• Latence : les protocoles de routage doivent permettre d'acheminer le trafic en fonction de différents délais ou exigences en matière de latence. Les réseaux urbains peuvent tolérer des délais tant que les temps d'arrivée des informations sont proportionnels aux intervalles de mise à jour. (Si la fréquence de mise à jour est de quelques heures, le délai peut atteindre plusieurs secondes.)
Les éléments fondamentaux de la RPL
Le principe fondamental du RPL consiste à organiser sa topologie sous la forme d'un graphe acyclique orienté (DAG), qui est divisé en un ou plusieurs graphes acycliques orientés vers la destination (DODAG), à raison d'un DODAG par destinataire (voir figure). Chaque nœud d’un DODAG (analogue à un dispositif de routage dans une solution IoT) possède un rang de nœud qui définit sa position par rapport aux autres nœuds et par rapport à la racine du DODAG.
La méthode exacte de calcul du niveau des nœuds RPL dépend de la fonction objectif (OF) du DAG. L’OF définit la manière dont les métriques de routage, les objectifs d’optimisation et les fonctions associées sont utilisés pour calculer les classements. En substance, l’OF détermine la formation du DODAG. La topologie RPL est construite à l’aide de messages de contrôle transmis sous forme de messages ICMPv6. Les trois principaux messages de contrôle RPL sont les suivants :
• Demande d'informations DODAG (DIS) : la DIS demande un objet d'information DODAG (DIO) au nœud RPL.
• Objet d'information DODAG (DIO) : le DIO contient des informations qui permettent aux nœuds de détecter des instances RPL, de connaître leurs paramètres de configuration, de sélectionner des ensembles parents DODAG et de gérer les DODAG.
• Objet publicitaire ciblé (DAO) : le DAO sert à transmettre des informations ciblées vers le haut de la structure DODAG.
Pour construire une topologie DODAG, les nœuds peuvent demander des informations DIO à l'aide de messages DIS, ou bien envoyer périodiquement des messages DIO en multidiffusion locale sur la liaison. Le nœud écoute alors les messages DIO et utilise les informations qu’ils contiennent pour rejoindre un nouveau DODAG ou maintenir un DODAG existant. En fonction des informations contenues dans les messages DIO, le nœud sélectionne un nœud parent afin de minimiser le coût du chemin vers la racine du DODAG.
en conclusion
La mise en œuvre réussie du protocole RPL permet à la solution IoT d’atteindre les fonctions et objectifs fixés. Dans le cadre du protocole RPL, un objectif typique consiste à construire un DODAG basé sur un OF spécifique et à maintenir des connexions avec un ensemble d’hôtes. Le protocole RPL est spécifiquement optimisé pour les modèles de trafic MP2P et P2MP. Les nœuds sont sans état et seules des informations minimales sur l'état de routage sont stockées dans chaque nœud. Le RPL prend également en compte les attributs des liaisons et des nœuds lors de la sélection des chemins. De plus, les défaillances de liaison ne déclenchent pas de réoptimisation globale du réseau.
Dans le cadre de déploiements IoT à grande échelle (impliquant des milliers de nœuds et répartis sur une vaste zone géographique), lorsque la conception et la mise en œuvre du routage tiennent compte des différentes fonctions et propriétés disponibles dans le RPL, l'autonomie de la solution IoT est de une année.
La possibilité d'utiliser des réseaux IP peut réduire considérablement la consommation d'énergie et les coûts liés aux communications IoT sans fil, qui nécessiteraient autrement des connexions coûteuses à des antennes-relais et des communications basées sur les normes GSM/EDGE. Cette mise en œuvre de la technologie RPL pourrait bouleverser le déploiement des solutions IoT dans des applications telles que les réseaux de capteurs urbains.
Les topologies RPL comprennent les DAG et les DODAG comportant plusieurs racines et aucune boucle, ou les DAG dont la racine est une cible unique (sans arêtes de sortie).
Le système de commande de routeur industriel comprend une unité de circuit, une unité de circuit d'alimentation, une unité de commande ARM, une unité réseau, une unité de commutation et une unité RS485 haut débit. Il se caractérise par le fait que l'unité de module d'alimentation utilise l'alimentation spéciale U1 : PM6641 de ST. Le PM6641 peut générer trois tensions d’alimentation, respectivement de 3,3 V, 1,8 V et 1,2 V. L’unité de contrôle ARM utilise le STSPEAr320S et est divisée en deux canaux : un canal RGMII sert à la connexion au PHY, tandis que l’autre canal RGMII est connecté au commutateur RTL ; un port USB est utilisé pour connecter le module 3G. De plus, l’USB sert à la conversion UART ; l’unité réseau utilise le PHY U17:KSZ8081, et l’unité RS485 haut débit comprend un émetteur-récepteur dont le débit en bauds dépasse 1 Mbps.
