La pile de protocoles IP se met au goût de l`Internet

ANALYSE
Piles et protocoles
La pile de protocoles IP se met
au goût de l’Internet des objets
6LoWPAN, RPL, CoAP… Autant de protocoles de communication
récents indissociablement liés à l’émergence de l’Internet des objets.
Et les spécialistes de ces protocoles sont d’ores et déjà très courtisés.
Sensinode, un éditeur pionnier du secteur, vient d’entrer dans le giron
du britannique ARM qui ne cache plus son appétit pour l’Internet
des objets. Si ça, c’est pas un signe…
Selon le cabinet d’analystes IMS
Research, ce sont plus de
30 milliards d’objets divers et
variés qui pourraient être
connectés à Internet à l’horizon
2020. Tous les secteurs sont
concernés : surveillance
industrielle, bâtiment intelligent,
domotique, sécurité, gestion
à distance de compteurs d’eau
ou d’électricité, télésanté,
surveillance de la qualité de l’air,
chaîne du froid, logistique, etc.
L
’Internet des objets est l’expression à la mode. Et les plus
grosses entreprises de semiconducteurs, l’américain Intel et le
britannique ARM en tête, ont désormais ce marché en ligne de mire. Vu
les perspectives, on les comprend.
Selon IMS Research, ce sont en effet
plus de 30 milliards d’objets divers et
variés qui pourraient être connectés
à Internet à l’horizon 2020. Mais, qui
dit connectivité, dit protocoles de
communication, et force est de
reconnaître qu’à l’heure actuelle,
c’est un peu la pagaïe qui règne sur
la ligne entre procédés propriétaires
et technologies standardisées… sans
compter les petits malins qui mixent
allègrement les deux approches.
20 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Malgré tout, une tendance en faveur
du protocole Internet IPv6, et de ses
adaptations aux contraintes du M2M
et de l’Internet des objets, semble
irrésistiblement se dessiner. Evénement symptomatique du phénomène, ARM s’est offert en août 2013
la société finlandaise Sensinode, un
spécialiste des piles IP dédiées aux
marchés des réseaux de capteurs
sans fil et, plus généralement, du
M2M et de l’Internet des objets.
Un membre fondateur
de l’alliance IP for Smart
Objects
Ce rachat est loin d’être anodin, car
Sensinode a été l’un des membres
fondateurs de l’alliance Ipso (IP for
Smart Objects). Lancé il y a cinq ans
par un aréopage d’une trentaine de
sociétés dont Atmel, Cisco, EDF
R&D, Emerson, Freescale, SAP et
Oracle, cet organisme industriel
s’était donné d’emblée un objectif on
ne peut plus clair. Il s’agissait ni plus
ni moins d’effectuer des tests d’interopérabilité, de documenter des cas
d’usage, de mener des activités marketing et de servir de chambre d’écho
pour tous les utilisateurs désireux
d’appréhender les avantages de l’utilisation du protocole IP dans les
réseaux d’objets communicants. Et
ce dans des domaines aussi divers
que la surveillance industrielle, le
bâtiment intelligent, la domotique,
la gestion à distance de compteurs
ANALYSE
Piles et protocoles
d’eau ou d’électricité, la télésanté, la
surveillance de la qualité de l’air, la
chaîne du froid, la logistique, etc.
Outre les poids lourds déjà cités, l’alliance Ipso comptait également
parmi ses membres fondateurs un
certain nombre de spécialistes des
réseaux de contrôle/commande sans
fil et d’éditeurs de piles de protocoles
adaptées (propriétaires ou non).
Comme par hasard, la plupart d’entre
eux ont, depuis, été absorbés par des
entreprises de grande envergure qui
y ont vu là un moyen rapide de s’offrir une présence sur le marché balbutiant du M2M et de l’Internet des
objets. Zensys, à l’origine de la technologie Z-Wave, a été repris fin 2008
par Sigma Designs et Cisco s’est
offert en 2010 Arch Rock, pionner
des piles IPv6 pour réseaux de capteurs sans fil, tout comme Sensinode.
La même année, NXP mettait le
grappin sur Jennic, créateur du protocole JenNet et, en 2011, Linear
Technology engloutissait Dust
Networks, champion des réseaux de
capteurs maillés sans fil pour applications industrielles. A cet égard, le
rachat de Sensinode par ARM apparaît donc tout à fait logique !
6LoWPAN : IPv6 adapté
aux réseaux de capteurs
Malgré ces acquisitions à répétition,
l’alliance Ipso compte aujourd’hui
une quarantaine de membres et s’est
notamment renforcée d’industriels
de poids comme Ericsson, Google,
COMPARAISON DE LA PILE TCP/IP TRADITIONNELLE
ET DE LA PILE IP POUR OBJETS INTELLIGENTS
La technologie 6LoWPAN a réussi à adapter le protocole IPv6 aux communications radio compatibles 802.15.4 entre nœuds à très faible consommation et aux
ressources limitées. Mais 6LoWPAN intéresse également les communications
CPL à bas débit sur lignes d’électricité, notamment dans les applications de
comptage d’énergie intelligent.
Pile de protocoles Internet
(TCP/IP)
Pile de protocoles IP
pour objets intelligents
Couche
Application HPPT/FTP/SMTP/etc.
Couche
Application CoAP
Couche
Transport TCP/UDP
Couche
Transport
UDP
Couche
Réseau
Couche
Réseau
6LoWPAN
IPv4/IPv6
Couche 802.3-Ethernet/
Liaison de 802.11-Réseau local sans fil
données
Itron, Landis+Gyr, Nokia, Silicon
Labs, STMicroelectronics et Texas
Instruments. Au cours de ses cinq ans
d’existence, l’organisme industriel
s’est fortement engagé dans un soutien indéfectible aux efforts de normalisation menés parallèlement par
l’IEEE et l’IETF dans le domaine des
réseaux de capteurs sur protocole IP.
Efforts qui se sont d’abord concrétisés par l’arrivée à maturité du standard 6LoWPAN (IPv6 over Low
Power Wireless Personal Area
Networks), qui a réussi à adapter le
protocole IPv6 aux communications
Couche
Liaison de IEEE 802.15.4e
données
sans fil entre nœuds à très faible
consommation et aux ressources
limitées. 6LoWPAN définit en particulier des mécanismes d’encapsulation et de compression d’en-têtes
permettant aux paquets IPv6 d’être
envoyés ou reçus via le protocole de
communication pour réseaux radio
IEEE 802.15.4, norme à la base,
notamment, de la spécification ZigBee. Dans la pratique, la couche
d’adaptation 6LoWPAN se glisse
entre la couche réseau IPv6 et la
couche MAC 802.15.4.
En fait, des premières démonstrations
DUST NETWORKS : UN SPÉCIALISTE DES RÉSEAUX DE CAPTEURS INDUSTRIELS
QUI SUPPORTE AUSSI LE STANDARD 6LoWPAN
Intégré au sein de Linear
Technology depuis 2011, Dust
Networks s’est fait le champion
des réseaux de capteurs maillés
sans fil pour applications industrielles. La firme américaine a
lancé cette année le SoC à cœur
ARM Cortex-M3 SmartMesh
LTC5800 qui s’accompagne d’une
gamme de modules de communication ad hoc. Ce composant pour
réseaux radio compatibles IEEE
802.15.4e est présenté comme le
plus sobre de l’industrie, avec une
consommation moyenne de moins
de 50 µA par nœud… Une caractéristique qui permettrait de concevoir un capteur sans fil alimenté
par pile et doté d’une autonomie
de plus de dix ans. Promulgué en
2012, le standard IEEE 802.15.4e
a amendé la couche MAC de la
n
norme 802.15.4 (à la base
des profils ZigBee) pour
l’adapter aux environnements industriels difficiles.
n Afin de réduire au minimum la consommation
des nœuds de réseaux
de capteurs sans fil tout
en fiabilisant les communications, Dust Networks
a développé dès l’origine
un protocole spécifique,
baptisé TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol)
et adapté aux besoins
des réseaux maillés auto-organisés. Un protocole grâce auquel
les nœuds, sous le contrôle d’un
gestionnaire de réseau, peuvent
rester synchronisés et communiquer entre eux uniquement
pendant des intervalles de temps
préalablement programmés.
C’est grâce à ces caractéristiques
que le protocole TSMP a pu être
intégré dans le standard de réseau
industriel sans fil WirelessHART,
lui-même normalisé sous le label
CEI 62591.
n WirelessHART est justement
l’un des deux standards
de communication
supportés par le SoC
SmartMesh LTC5800,
l’autre étant la pile de
protocoles IPv6 au
travers du mécanisme
6LoWPAN.
n Le groupe en charge
des produits Dust
Netwoks chez Linear
Technology a de
grandes ambitions dans
le domaine des réseaux
de capteurs sans fil
compatibles IP. Il collabore étroitement avec Cisco pour intégrer
en standard le protocole TSMP au
sein de la pile protocolaire IPv6
pour réseaux 802.15.4e. Ce travail
se fait actuellement sous l’égide de
l’IETF au travers du groupe 6tsch.
L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013 /
21
ANALYSE
Piles et protocoles
d’interopérabilité du 6LoWPAN
avaient été effectuées dès la fin 2007
par Arch Rock et… Sensinode. Et,
depuis, le standard a fait son bonhomme de chemin. Et pas seulement
dans le domaine du sans fil. Dédié
aux compteurs d’électricité communicants comme le Linky français et
développé à l’origine par Maxim,
SagemCom et ERDF, le protocole de
communication CPL G3 intègre en
effet, au-dessus des couches PHY et
MAC, une couche d’adaptation
6LoWPAN facilitant la transmission
de paquets IPv6 sur des liens CPL sur
câblage électrique.
Depuis, les piles IPv6 dédiées aux
réseaux d’objets communicants se
sont étoffées. Afin de résoudre les
problématiques de routage propres
aux réseaux basés sur le protocole
6LoWPAN, l’IETF a publié en 2011
le standard RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy
Networks). Un standard issu de trois
années de travaux auxquels avaient
contribué des sociétés comme Dust
Networks, Ember (acquis en 2012
par Silicon Labs), Sigma Designs et
Cisco. Quelque temps avant la publication du standard, le géant des
réseaux, secondé par Sensinode
(encore lui…) et l’institut suédois
SICS, avait d’ailleurs effectué avec
succès des démonstrations d’interopérabilité d’une version préliminaire
du protocole RPL sur trois supports
de transmission physiques différents
(IEEE 802.15.4, Ethernet et CPL). Des
tests qui furent décisifs dans le processus d’élaboration du standard par
l’IETF. Plus récemment, l’échafaudage IPv6/6LoWPAN est venu s’étoffer du protocole CoAP (Constrained
Application Protocol) qui tente
spécification ZigBee IP, présentée
comme le premier standard ouvert
dédié aux réseaux maillés sans fil
courte portée compatibles IPv6 et
permettant la connexion sans couture de dispositifs basse consommation et bas coût à Internet.
Censée constituer une brique
importante de l’Internet des
objets, la pile protocolaire ZigBee IP enrichit les couches
PHY et MAC IEEE 802.15.4 de
couches réseau, sécurité et
application conformes aux
recommandations de
l’IETF. Elle s’appuie en
particulier sur les standards IPv6, 6LoWPAN,
PANA (Protocol for
Carrying Authentification for Network
Access), RPL, TCP/
HTTP (ou UDP/CoAP).
Exegin, Silicon Labs,
Texas Instruments,
Grid2Home et Sensinode furent parmi les
premiers à obtenir le
précieux certificat de
conformité ZigBee IP. Dans la foulée,
l’alliance ZigBee, travaillée au corps
par les distributeurs d’électricité et
les fabricants de compteurs d’énergie communicants, a approuvé le
profil SEP 2 (Smart Energy Profile 2).
Fondé sur la pile ZigBee IP, ce profil
permet d’envisager, pour la première
fois, une continuité IP de bout en
bout entre le portail de services du
distributeur d’énergie et les thermostats intelligents, les afficheurs de
contrôle de la dépense énergétique
et autres appareils électroménagers
disséminés dans les lieux d’habitation... en passant par les compteurs
Le premier équipement
intégrant officiellement
la technologie de
connectivité compatible
6LoWPAN de Thingsquare
est le thermostat
« intelligent » Tado°
commercialisé par
la société allemande du
même nom. Tado° détecte
la présence et l’absence
des habitants d’un logement
en fonction de la présence ou
non d’un smartphone et agit en
conséquence sur le chauffage…
●
grosso modo d’adapter HTTP, beaucoup trop « bavard », aux contraintes
des communications sans fil ou bruitées entre nœuds à faible consommation et aux ressources limitées.
ZigBee emporté
par la vague du tout-IP
Tout ce bel édifice intéresse
aujourd’hui des standards qui
s’étaient construits initialement en
dehors de toute compatibilité avec
les piles de protocole IP. C’est le cas
notamment de ZigBee… qui s’est
converti aux bienfaits du tout IP en
mars 2013 avec la publication de la
NanoRouter
L'OFFRE LOGICIELLE DE LA SOCIÉTÉ SENSINODE, ACQUISE PAR ARM
L’offre logicielle de Sensinode, société acquise par ARM durant l’été 2013, s’articule autour de la pile de protocole 6LoWPAN compatible IPv6
NanoStack, de l’environnement logiciel pour passerelle connectée NanoRouter et de la plate-forme de services M2M (ou IoT) NanoService.
Gestion d’énergie intelligente
NanoService
Maison connectée
NanoStack
Plate-forme
NanoService
NanoRouter
NanoService
Gestion d’actifs
NanoStack
{
IPv6, CoAP, EXI
{
{
Télésanté
6LoWPAN, CoAP, EXI
IPv6, HTTP, XML
IP et Services Web de bout-en-bout
22 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Eclairage intelligent
Piles et protocoles
d’électricité communicants, les systèmes privés de production et de
stockage d’énergies renouvelables et
les stations de recharge de véhicules
électriques ou hybrides !
Dans ce cadre général, et vu les
efforts actuels d’ARM pour se positionner sur le marché émergent de
l’Internet des objets, la décision de
la firme britannique de se porter
acquéreur de Sensinode apparaît
donc sensée. Le Finlandais, qui
entretenait déjà des accords privilégiés avec Texas Instruments et Atmel,
tous deux détenteurs de licences
ARM pour leurs microcontrôleurs
respectifs, a été – comme nous
l’avons vu – particulièrement moteur
dans l’élaboration des standards IETF
pour réseaux de capteurs sans fil,
éléments essentiels de l’Internet des
objets. La firme nordique a également contribué à la mise au point de
la spécification ZigBee IP et aux travaux de l’Etsi et de l’OMA (Open
Mobile Alliance) dans le domaine du
M2M en particulier sur le protocole
de gestion à distance OMA
Lightweight M2M.
Des produits accessibles
au travers du projet mbed
Le spécialiste des cœurs de processeurs 32 bits continuera donc de
commercialiser la pile NanoStack
ainsi que la plate-forme de services
M2M NanoService du Finlandais.
Mais ces produits seront également
accessibles au travers du projet collaboratif mbed qui constitue pour le
Britannique la cheville ouvrière de
son incursion dans le domaine de
l’Internet des objets (voir encadré
ci-contre). Initialement lancé par
ARM et NXP (rejoints depuis par
Freescale), ce projet est dédié aux
travaux de prototypage rapide d’applications sur des microcontrôleurs
à cœur Cortex-M. Il met à la disposition des concepteurs des briques
logicielles et matérielles (microcontrôleurs, circuits radio, périphériques, middleware, connectivité au
cloud, etc.) et des outils de développement C/C++. « ARM s’est engagé
à promouvoir un Internet des objets
basé sur des standards au travers de
protocoles IP et de services Web interopérables, précise John Cornish,
vice-président exécutif et directeur
général de la division System Design
de la firme britannique. En rendant
l’expertise et la technologie de Sen-
sinode accessibles à travers le programme de partenariat ARM et le
projet ARM mbed, nous permettons
le déploiement rapide de milliers
d’applications IoT inédites et innovantes. »
Bien évidemment, l’arrivée à maturité des piles IP pour objets « intelligents » n’intéresse pas que les poids
lourds du type ARM. Un certain
nombre de jeunes sociétés y voit
aussi une opportunité à saisir d’urgence. C’est notamment le cas de
Thingsquare. Créée en 2012, cette
start-up nordique a développé, sous
le nom de Mist, une plate-forme logicielle open source permettant une
mise en connexion directe des objets
ANALYSE
leurs dotés de 64 à 256 Ko de flash
et de 16 à 32 Ko de mémoire Ram,
elle embarque une pile réseau
IPv6/6LoWPAN ainsi que le protocole de routage RPL.
Dès lors, la plate-forme autorise la
mise en place de réseaux maillés
IPv6 sans fil entre nœuds Mist, les
liens radio pouvant exploiter la
bande 2,4 GHz - 2,5 GHz ou les
bandes ISM situées sous le gigahertz.
La connexion Internet, quant à elle,
est assurée par l’un des nœuds dès
lors que ce dernier possède une
connexion Ethernet ou Wi-Fi.
A l’heure actuelle, la plate-forme Mist
a été portée sur l’émetteur-récepteur
radio Spirit1 de STMicro­electronics,
POUR ARM, L’INTERNET DES OBJETS PASSE AUSSI
PAR LA CARTE DE PROTOTYPAGE MBED
ARM a récemment signé
deux accords de coopération
afin de porter les technologies
de communication radio Bluetooth Low Energy et 2G/3G
sur la carte de prototypage
mbed, de plus en plus positionnée par le Britannique
comme une plate-forme de
développement dédiée au
marché de l’Internet des
objets.
n Le partenariat engagé
avec Nordic Semiconductor doit faciliter la mise au
point de dispositifs et applications compatibles Bluetooth basés sur les circuits
SoC à très basse consommation
de la firme norvégienne, euxmêmes architecturés autour
des cœurs ARM Cortex-M.
Marchés visés : les systèmes
électroniques embarqués sur
n
soi, les accessoires de téléphones mobiles, les dispositifs
portables pour le sport, le bienêtre ou la santé, les jouets et
les matériels d’électronique
grand public.
n Annoncé en parallèle à celui
bouclé avec Nordic, l’accord
de coopération signé entre ARM
et le suisse u-blox vise à proposer un kit de prototypage mbed
intégrant, via des modules ad
hoc, une connectivité cellulaire
de tous les jours avec des applications sur smartphones. Cette plateforme, qui ne nécessite pas de passerelle spécifique de connexion au
Web, se satisfait d’un simple microcontrôleur 16 bits et se caractérise
par sa très faible consommation.
Conçue tout particulièrement pour
les marchés de la domotique, de
l’automatisation des bâtiments, de la
gestion de la consommation énergétique et de l’éclairage intelligent,
Mist repose sur une architecture
modulaire fondée sur Contiki, un
système d’exploitation open source
dédié à l’Internet des objets et créé
par Adam Dunkels, l’un des fondateurs de Thingsquare… justement.
Apte à tourner sur des microcontrô-
2G/3G ainsi qu’une fonction de
géolocalisation par satellites.
Référencé sous le label « C027
Internet of Things (IoT) Starter
Kit », il s’articule autour d’un
microcontrôleur 32 bits à cœur
ARM Cortex-M3 et intéressera
tout particulièrement
les concepteurs de
passerelles dédiées à
la connexion d’objets
divers et variés au
cloud. Affichant
des dimensions de
54 x 98 mm, le kit
C027, qui dispose
également de connecteurs compatibles Arduino pour l’adjonction de cartes
d’extension additionnelles,
embarque un modem GSM Sara
ou un modem UMTS/CDMA
Lisa d’u-blox, ainsi qu’un module
GPS/GNSS Max du Suisse.
lui-même associé au microcontrôleur
32 bits à cœur ARM Cortex-M3
STM32L du fabricant franco-italien.
Fonctionnant en tandem avec le
microcontrôleur, le circuit Spirit1 est
conçu pour les nœuds de capteurs
sans fil RF exploitant les bandes de
fréquences situées sous le gigahertz.
Le logiciel de Thingsquare a également été porté sur le processeur 16
bits MSP430x de Texas Instruments,
couplé aux circuits radio sub-GHz
CC1120 ou CC1101. Il est aussi disponible sur le SoC radio à cœur Cortex-M3 CC2538 de TI et le SoC à
cœur ARMv7 MC13224x de Freescale, deux composants fonctionnant
sur la bande 2,4 GHz - 2,5 GHz.
PIERRICK ARLOT
L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013 /
23