Ceci est la première partie de la série de blogues « Réseaux de nœuds contraints dans l’IdO ». La partie 1 porte sur « Introduction aux réseaux de nœuds contraints dans l’IdO ». La partie 2 porte sur « Lignes directrices pour la sécurisation des données dans les réseaux de nœuds contraints dans l’IdO ».

Internet des objets (IdO) transforme la vie humaine grâce aux capacités informatiques et à l’automatisation intelligente et est devenue une partie inévitable des activités humaines. L’IdO se propage dans divers domaines, tels que l’industrie, l’agriculture, la médecine, le secteur de la consommation et la ville intelligente. Les principaux facteurs d’acceptation de l’IdO sont la croissance rapide des logiciels, des réseaux, des capteurs et de l’intelligence artificielle (IA). L’IdO signifie doter les « choses » de la capacité de se connecter en réseau. Ces « choses » peuvent être physiques ou virtuelles. Les choses physiques comprennent les humains, les vêtements intelligents, les véhicules, la maison, les ordinateurs et les dispositifs intégrés. Les choses virtuelles comprennent les machines virtuelles, les réseaux virtuels et les sites de médias sociaux. Le fait de connecter toutes ces choses par Internet s’appelle « Internet des objets ».

« Connecter toutes les choses physiques et virtuelles par Internet s’appelle l’Internet des objets »

Ce blogue présente une brève introduction à l’IdO, à ses éléments constitutifs et à ses capacités informatiques, puis se concentre sur les réseaux de nœuds contraints, leurs caractéristiques, les protocoles utilisés et le micrologiciel recommandé.

Quels sont les éléments constitutifs d’un système IdO ?

Un système IdO de bout en bout peut être classé en trois réseaux : réseau périphérique, réseau de brouillard et réseau infonuagique. Ces classifications sont basées sur le type d’appareils périphériques et les applications fonctionnant dans ces réseaux.

1. Réseau périphérique
   • Appareils périphériques : dispositifs intégrés, capteurs et actionneurs, passerelles; les appareils peuvent être contraints (ressources limitées) ou non contraints
   • Applications : détection, surveillance, actionnement et opérations avec le monde extérieur
2. Réseau de brouillard (et architecture informatique de brouillard)
   • Appareils : passerelle et serveurs haut de gamme
   • Applications : courtage, acquisition et traitement de données, commande, analytique en temps réel, base de données, etc.
3. Réseau infonuagique
   • Appareils : plateformes infonuagiques et serveurs haut de gamme
   • Applications : stockage, apprentissage automatique, apprentissage profond

Réseaux de nœuds contraints

Un système périphérique se compose de dispositifs périphériques contraints ou non contraints, ou des deux. Ce blogue traite uniquement des dispositifs périphériques contraints.

Qu’est-ce qu’un nœud contraint ?

Les dispositifs périphériques dotés de ressources limitées comme la mémoire, la capacité de traitement et l’alimentation sont appelés nœuds contraints.

Quelles sont les classes de nœuds contraints ?

Il existe trois classes de nœuds contraints comme indiqué dans le tableau 1.

Tableau 1 – Classes de nœuds contraints

Le soutien aux piles de protocoles réseau et à la sécurité pour ces nœuds contraints est présenté dans le tableau 2.

Tableau 2 – Soutien à la pile réseau et à la sécurité

Qu’est-ce qu’un réseau contraint ?

Un réseau contraint présente les caractéristiques suivantes :

• Faible débit/rapidité
• Perte de paquets élevée et grande variabilité de la perte de paquets
• Caractéristiques de liaison très asymétriques
• Absence de services réseau avancés tels que la multidiffusion

Les raisons possibles des caractéristiques d’un réseau contraint sont ci-dessous :

• Coût
• Contraintes imposées par les nœuds
• Contraintes physiques, p. ex., contraintes d’alimentation ou contraintes environnementales
• Contraintes en matière de technologie, telles que l’utilisation de technologies héritées

Qu’est-ce qu’un réseau de nœuds contraints ?

Un réseau contraint est composé en grande partie de nœuds contraints. La plupart du temps, ces réseaux de nœuds contraints sont déployés dans le réseau périphérique d’un système IdO.

Les réseaux de nœuds contraints sont déployés dans le réseau périphérique d’un système IdO.

Éléments constitutifs d’un réseau de nœuds contraints

• Capteurs – Un capteur est un dispositif électronique qui mesure des propriétés physiques et donne une sortie électrique. Exemple : capteur de température et capteur d’accélération.
• Actionneurs – Un actionneur est un appareil qui prend une entrée électronique et donne une sortie physique; par exemple des moteurs.
• Grappe – Une grappe est un groupe de capteurs et d’actionneurs.
• Canal de communication – Un canal de communication est un moyen par lequel les données sont transférées; par exemple filaire ou sans fil.
• Regroupeurs – Un regroupeur est un appareil utilisé pour agréger toutes les données provenant des capteurs et donner parfois la commande aux actionneurs. Il s’agit de l’appareil passerelle.
• eUtility – Il s’agit d’un logiciel ou un matériel ou des services qui appuient les regroupeurs pour l’alimentation de données et l’informatique.
• Déclencheur décisionnel – Un déclencheur décisionnel est un logiciel qui effectue des calculs et prend des mesures si nécessaire.

Voir [2] pour plus de détails sur ces blocs. La figure 2 montre une vue d’ensemble d’un réseau de nœuds contraints avec ses éléments constitutifs.

Figure 2 – Éléments constitutifs d’un réseau de nœuds contraints    Source - NIST SP 800-183

Une pile réseau spéciale est-elle nécessaire pour un réseau de nœuds contraints ?

Les réseaux contraints ne peuvent pas utiliser une pile TCP/IP conventionnelle et nécessitent une nouvelle pile réseau en raison de la nature restrictive de ses ressources.

Tableau 3 – Comparaison des protocoles dans les réseaux conventionnels et les réseaux de nœuds contraints

Nœud contraint – Comparaison du micrologiciel

Le micrologiciel d’un appareil IdO doit répondre aux exigences suivantes : efficacité énergétique, capacités en temps réel, connectivité réseau, sécurité, sûreté et empreinte minimale.

La conception du micrologiciel dépend fortement du type de protocole de couche de liaison de données utilisé dans un nœud contraint. Le tableau ci-dessous présente une comparaison entre certaines des technologies de couche de liaison couramment utilisées :

Tableau 4 – Comparaison des technologies de nœuds contraints

Les principaux points qui font de Thread la technologie privilégiée sont les suivants :

• Thread est une mise en œuvre à code source ouvert d’une spécification ouverte.
• Thread prend en charge IP de manière inhérente. Zigbee a récemment obtenu la prise en charge IP comme amélioration.
• Thread et Zigbee prennent en charge Dotdot, qui est un protocole de couche applicative pour l’interopérabilité. Le nombre d’appareils Zigbee dans le monde est significatif. Puisque Thread prend en charge Dotdot, il peut également communiquer avec les appareils Zigbee de manière transparente.
• Thread est soutenu par Google, ARM, Nordic, Cascoda, NXP, Particle, Qorvo, Qualcomm, Samsung, Silicon Labs, STMicroelectronics, Synopsys, TI, Zephyr et Apple depuis 2018. Cela donne espoir que le protocole Thread devienne la technologie de facto pour les nœuds contraints.

Conclusion

Ce blogue fournit une introduction à l’IdO et à ses capacités informatiques, aux réseaux de nœuds contraints et à la façon dont ceux-ci sont utilisés dans un système IdO. Il présente également les exigences du micrologiciel et les protocoles réseau destinés aux nœuds contraints. La comparaison des micrologiciels dans le tableau 2 montre clairement que le protocole Thread a une longueur d’avance sur les autres technologies et est le micrologiciel recommandé pour les nœuds contraints dans l’IdO.

Références

1. NISTIR 8200 « Interagency Report on Status of International Cybersecurity Standardization for the Internet of Things (IoT) »
2. NIST SP 800-183 – « Networks of ‘Things’ »
3. RFC 7228 – Terminologie des réseaux de nœuds contraints
4. Livre blanc « Internet of Things Protocols and Standards » par Tara Salman sous la direction du Prof. Raj Jain
5. https://openthread.io/
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_(network_protocol)