[Mise à jour le 7/8/2022]

• Source : Mooc Fun “Programmer l'internet des objets”
• Vidéo : L'empilement protocolaire pour l'IoT
• Lectures connexes
  • Une brève introduction aux réseaux IoT

• Ressource vidéo : les L'empilement protocolaire pour l'IoT

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.

• Réseaux maillés
  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.

• Topologies en étoile
  Les topologies en étoile ne nécessitent pas de tels mécanismes de routage. Toutes les communications se font avec un point central qui relaie les informations vers la destination.
  Les progrès réalisés dans le traitement des signaux permettent d’étendre la portée de transmission à faible puissance. Cette famille de réseaux est appelée réseaux étendus à faible puissance (Low-Power Wide-Area Networks, LPWAN) comme Sigfox, LoRaWAN, ou même du côté de la téléphonie cellulaire avec des évolutions de la norme 4G et une intégration plus complète dans la 5G. Le [RFC 8376] donne, en anglais, un aperçu de ces techniques.
  
  Avec une puissance de transmission de 25 mW, il est possible de communiquer sur une distance de 3 km en milieu urbain et de 20 km dans un environnement dégagé. Les LPWAN sont compatibles avec les appareils de classe 0 car ils ne nécessitent pas la mise en place d’une pile IP.
  
  La figure ci-dessous décrit une architecture typique pour les LPWAN.
  L’appareil envoie des données brutes sur le réseau radio. Le signal radio est capté par une ou plusieurs passerelles radio, et la trame est envoyée à une passerelle réseau (LNS - LoRa Network Server- pour les réseaux LoRaWAN, et SCEF - Service Capability Exposure Function Gateway - pour les réseaux 3GPP).
  
  Le propriétaire de l’appareil a associé l’appareil à un connecteur dans le LPWAN Gateway (NGW) qui peut être un URI (Universal Ressource Identifier), une adresse de broker MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ou une Web socket. Lorsque l’appareil envoie des données, il est relié à l’application par ce tunnel.
  
  Certaines technologies telles que LoRaWAN ou Sigfox utilisent des bandes sans licence, imposant un cycle d’utilisation (duty cycle) de 0,1 à 10 % selon les canaux pour assurer l’équité entre les nœuds, empêchant ainsi qu'un équipement ne monopolise le canal de transmission. Comme cette restriction s’applique également à l’antenne du fournisseur, la communication entre le réseau et l’appareil est considérablement limitée.

Le protocole IP (niveau 3 de la pile protocolaire) offre une version uniforme du réseau quelle que soit la technologie de niveau 2.

Comme l’espace d’adresses d’IPv4 est presque saturé, les travaux pour l’internet des objets portent principalement sur IPv6 où la taille de l’adresse est étendue sur 128 bits offrant 2⁹⁶ fois plus d’adresses.

On peut aussi remarquer sur la figure ci-dessous que l'en-tête IPv6 comporte peu de champs. Ceux-ci ne varient pas d'un paquet à l'autre dans un flux donné. En revanche, la taille de l'en-tête IPv6 est doublée par rapport à son équivalent en version 4. Cet écart sera d'autant plus grand en regard des données transportées qui ne pèsent généralement que quelques octets (mesures d'une température…).

Une couche d'adaptation entre la couche IP et le niveau 2 est nécessaire puisque les niveaux 2 conçus pour l'internet des objets ne peuvent pas transporter naturellement de grands paquets. Deux actions sont mises en œuvre : compression de la taille des en-têtes pour réduire leur impact, et fragmentation pour découper le paquet en petites trames si la première mesure ne suffit pas.

Il existe deux grandes familles de couche d'adaptation :

• 6LoWPAN [RFC4944, RFC 6282], qui va intégrer un mécanisme de compression de l'en-tête IPv6 et de fragmentation pour envoyer un gros paquet divisé en petites trames. En effet, dans un réseau maillé, il n'est pas possible de se priver d'informations fournies par la couche IP car les nœuds intermédiaires en ont besoin pour acheminer le message vers le destinataire. 6LoWPAN est sans état et compresse tous les en-têtes IPv6 sans configuration.

• SCHC (prononcé chic) pour Static Context Header Compression [RFC 8724] va imposer des règles décrivant l'en-tête du message et va envoyer le numéro de la règle en remplacement de l'en-tête. La compression est beaucoup plus importante et peut porter sur plusieurs couches protocolaires. Cependant, pour la mettre en œuvre, il faut avoir une idée des flux qui vont circuler sur le réseau. SCHC est spécifié pour les réseaux en étoile et plus particulièrement les LPWAN.

Pour poursuivre dans l’intégration des objets dans l’internet, le protocole CoAP (Constraint Application Protocol) [RFC 7252] se substitue à HTTP. Il en reprend le mécanisme de nommage, d’utilisation des ressources, et les primitives de manipulation entre un client et un serveur.

La capacité de traitement du capteur et son alimentation en énergie sont souvent très limitées. La grande force de CoAP est d’être :

• facile à mettre en œuvre. Les mises en œuvre de CoAP nécessitent peu de mémoire ;
• entièrement compatible avec HTTP et il est possible d’aller d’un protocole à l’autre au travers de passerelles génériques, c’est-à-dire non liées à un usage particulier.

De ce fait, CoAP va manipuler des ressources, identifiées par des URI. Il est donc possible d'ancrer les données fournies par les objets dans l'écosystème actuel des communications entre ordinateurs, fortement structuré autour des principes REST.

La sécurité, en particulier le chiffrement des données, suit aussi les mêmes chemins que l’internet traditionnel. Il existe un chiffrement au-dessus d’UDP qui, à l’instar de HTTPS, chiffre les échanges.

• Ressource vidéo : LPWAN

Les progrès en traitement du signal permettent d'étendre la portée de transmission d’un objet et éviter d’avoir à relayer l’information.

En effet, la construction d’un maillage est une opération qui peut être coûteuse en énergie et qui va de toute façon demander à chaque nœud du réseau de partager son énergie pour relayer les messages des autres.

Comme leur nom l’indique, ces réseaux couvrent une large étendue (de l’ordre de 2 km en ville et 15 km sans obstacle) pour une faible consommation d'énergie. En contrepartie, le trafic est très limité et s’en tient à une centaine de messages par jour.

Sigfox
Pionnier de cette technologie, Sigfox définit son propre protocole de transmission et opère son réseau dans un grand nombre de pays.

LoRa
D'autres technologies radio présentent des performances similaires à Sigfox, en particulier la modulation LoRa. La LoRa Alliance regroupant des industriels à défini le standard LoRaWAN. L'approche commerciale est différente de Sigfox. Sigfox fédère le marché en ayant défini le standard permettant aux objets de communiquer avec des applications généralement situées dans le cloud. La LoRa Alliance repose sur une modulation propriétaire intégrée aux composant produit par la société Semtech, mais il n'y a pas un unique réseau LoraWAN.
Des opérateurs, comme en France Bouygues Télécom et Orange offrent une couverture nationale, mais d'autres initiatives existent, comme The Things Network qui propose une approche collaborative ; des propriétaires d'antenne LoRaWAN les mettent à disposition de la communauté pour construire un réseau mondial. Il est également possible de déployer son propre réseau LoRaWAN pour couvrir un domicile, une entreprise, une ville, …

Contrainte des LPWAN sur fréquences non licenciées
Sigfox et LoRaWAN opèrent dans la bande non licenciée des 868 MHz qui offre une faible atténuation et une bonne pénétration dans les bâtiments.

Si, pour un objet, ce n’est pas une contrainte, cela le devient pour les stations de l’infrastructure qui doivent limiter les transmissions vers les objets.

Le mécanisme le plus populaire est le duty-cycling où le nœud désactive la communication pendant un certain temps, proportionnel au temps de transmission. Ainsi pour un duty-cycle de 1%, l'émission d’une trame de 1 seconde impose un silence de 99 secondes, soit 1 minute et 39 secondes (voir figure ci-dessous).

Les LPWAN ont une architecture en étoile autour d’une Radio Gateway, généralement placée sur un point haut et disposant d’une capacité de traitement de signal sophistiqué pour détecter une communication noyée dans le bruit des autres transmissions. Les objets peuvent rester simples et peu coûteux. Les débits sont relativement faibles, de l’ordre de la centaine de bits ou kilobits par seconde pour des messages d’une dizaine à une centaine d’octets.

Les réseaux LPWAN ont les caractéristiques suivantes :

• Portée de 15 à 20 km dans des environnements avec peu de distorsion et environ 2 à 5 km dans les environnements urbains.
• Débits de données de 0,3 kbit/s à 50 kbit/s pour LoRaWAN et 100 bit/s pour Sigfox.
• Durée de vie d'un objet jusqu'à 10 ans sur batterie.

Un objet Sigfox peut envoyer jusqu’à 140 messages par jour (la taille de la charge utile pour chaque message est de 12 octets). Dans le sens contraire, Sigfox n'autorise que 4 messages de 8 octets chacun pour configurer l'équipement.

LoRaWAN est moins contraint, les opérateurs n'imposent pas de limitation sur le nombre de messages émis par un objet, s'il reste dans la contrainte du duty cycle, en revanche les messages vers les objets sont limités ou facturés.

Réseau LPWAN sur fréquence spécifique
Arrivé plus tardivement sur le marché, le 3GPP, avec l'évolution des protocoles de 4G et en ligne de mire la 5G, propose également un mode économe en énergie qui s’apparente aux technologies LPWAN. En bénéficiant de l’infrastructure et des fréquences des opérateurs, les limitations imposées sur les fréquences non licenciées tombent, la bande de fréquence peut être utilisée à 100% en émission et réception pour les objets rattachés à un opérateur.

Les communications vers les objets sont facilitées et le réseau peut coordonner leur instant d'émission, autorisant de futurs usages comme les communications avec les véhicules ou les robots.