Un réseau déterministe et predictable pour l’Industrie 4.0 – TPI

L’Internet des objets, ou encore l’IoT, opère une révolution de nos sociétés. Ce nouveau paradigme permet une multitude de nouvelles applications de contrôle, monitoring, d’échange, d’aide au transport, à la logistique, etc. par l’interfacage d’objets avec le réseau Internet. Cette révolution est actuellement en marche dans l’Usine du Future pour réduire différents coûts (opérationnels, de gestion, de production). L’ambition est de faire une nouvelle usine plus flexible, modulaire et adaptable. L’industrie requiert des communications robustes (fiabilité 99,999%), sécurisés et le délai de chaque message doit pouvoir être parfaitement maîtrisé et connu à l’avance pour atteindre une gigue nulle. On dit que le réseau doit être déterministe et prédictible.

Un réseau déterministe doit être capable de garantir que l’information sera transportée dans une fenêtre de temps connue à l’avance, quelque soit l’état des liens et leur qualité au moment de la transmission, et quelque soit l’état de congestion du réseau. La gigue, c’est-à-dire l’écart de temps entre les délais subis par chaque paquet traversant un réseau devra être proche de 0. Or un réseau radio, basé qui plus est sur des communications IP, n’est pas pour ainsi dire conçu pour maîtriser les délais, mais plutôt opérer différentes applications élastiques. Ces réseaux sont basés sur une encapsulation protocolaire, et chaque paquet traverse le réseau indépendamment en subissant un nombre de retransmissions et un temps d’attente variables dans chaque noeud intermédiaire.

En 2016, le standard IEEE 802.15.4 a été publié pour fournir une qualité de service sur les réseaux radio courte portée pour l’IoT. Le nouveau mode proposé, appelé TSCH pour Time Slotted Channel Hopping permet de mettre en place un ordonnancement des communication : le temps est divisé en intervalle, et à chacun de ces intervalles est attribué une communication entre une source et une destination sur une certaine fréquence. Un noeud particulier saura donc à chaque intervalle de temps s’il doit émettre, recevoir ou s’il peut simplement couper sa radio. Le saut de fréquence pour chaque transmission permet non seulement de faire des transmissions en parallèle pour différentes paires de noeuds, mais cela permet également de lutter contre les interférences des autres systèmes opérant sur cette même bande de fréquences (comme le WiFi).

Ce standard pose les bases pour des communications déterministes. Dans ce projet, nous désirons utiliser et étendre ces moyens de communications dans un réseau multi-sauts industriel pour obtenir un réseau déterministe, avec un objectif de gigue 0. Nous allons développer des algorithmes et protocoles entre les couches 2 et 3 des systèmes, permettant de combiner un ordonnancement des communications pour l’accès au médium au routage pour maîtriser les délais de bout en bout. Un premier travail se fera sur la découverte des voisins, des liens, et des besoin applicatifs pour construire un ordonnancement dynamique, de manière décentralisée. Nous prendrons soin d’étudier la sécurité d’un tel système pour éviter des noeuds malicieux ne se joignent au réseau, ou puisse tout simplement détruire le réseau par des fausses annonces. Dans un deuxième temps, nous allons mettre en oeuvre des techniques originales de routage (comme l’écoute passive, la duplication plutôt que la retransmission sur des chemins alternatifs, l’usage de réseaux hybrides avec des technologies multiples, et des transmissions simultanées) afin de garantir les délais de chaque paquet. Nos propositions seront implémentés dans des outils de simulation (probablement Cooja) et des plateformes expérimentales pour prouver le fonctionnement de nos propositions, et leur performance. Ce projet nous permettra de développer des compétences dans ce domaine porteur, encore peu étudié aujourd’hui par les chercheurs.