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

Vers des stratégies de routage multi-chemins dans les réseaux maillés sans fil basse consommation

Afin d'obtenir une qualité de service (QoS) élevée dans les réseaux maillés sans fil basse consommation, avec notamment une fiabilité de bout en bout élevée et une latence limitée, sans dépendre de la variabilité de la qualité de la liaison et de la disponibilité des nœuds relais intermédiaires sélectionnés, nous avons étendu le protocole de routage mono-chemin de facto à des stratégies multi-chemins. Les protocoles de routage multi-chemins sont une approche populaire depuis plusieurs années pour diverses raisons, notamment pour alléger la charge de trafic et améliorer la fiabilité du réseau de bout en bout. En effet, ils permettent l'utilisation de plusieurs chemins utilisant différents nœuds d'une source à une destination, et selon le cas d'utilisation, ces chemins peuvent être utilisés alternativement ou simultanément. Les travaux menés dans le cadre de ce projet ont opté pour une approche multi-chemins simultanée et ont proposé des algorithmes redondants multi-chemins qui exploitent la réplication et l'élimination des paquets de données, la sur-écoute et la correction d'erreurs directes pour lutter contre les pertes isolées et cumulées, et limiter la latence du réseau. Les résultats montrent que la fiabilité et la prévisibilité peuvent être garanties en utilisant plusieurs chemins de données parallèles au lieu de retransmissions le long d’un chemin unique par défaut.

Pendant la durée du projet TPI, l’équipe a réussi à proposer une série de protocoles et d'algorithmes de routage à chemins multiples. Les algorithmes proposés, qui permettent l'utilisation de chemins multiples dans le protocole de routage RPL, garantissent une grande fiabilité du réseau de bout en bout et une tolérance aux pannes en présence de nœuds temporairement indisponibles ou de baisses soudaines de la qualité du lien, tout en fournissant un réseau à faible latence pour les applications industrielles, et pas seulement (par ex : l'éclairage public intelligent, l'automatisation des véhicules, les jeux multijoueur en temps réel). Plus précisément, les membres du projet ont pu atteindre une fiabilité de réseau supérieure à 99 %, ainsi qu'une performance de gigue (c'est-à-dire une variation de latence) proche de 15 ms. Le projet a participé à deux normes IETF, i.e., RFC 9450 et RFC 9551 grâce aux résultats de recherches. De plus, ces résultats ont donné l'opportunité de lancer plusieurs nouveaux projets de recherche avec des partenaires industriels tels que Texas Instrument et Renault, qui étaient intéressés par un haut niveau de QoS sur l'activation sans fil du système de gestion de la batterie (BMS) dans les véhicules électriques, et plus récemment avec Silicon Labs, qui est intéressé par les solutions d'éclairage intelligent pour les villes intelligentes.

Bien que de nombreux objectifs aient été atteints au cours du projet ANR JCJC TPI, certains axes de recherche n'ont pas encore été abordés avec suffisamment de temps, notamment l'approche centralisée pour un réseau fiable et prévisible. Nous avons observé des problèmes lors de l'application de stratégies de routage multi-chemins distribuées sur un système centralisé d'allocation de ressources. En effet, lorsque les nœuds changent de parent préféré, le contrôleur centralisé ne parvient pas à redistribuer les ressources requises. Ce sujet est donc un élément essentiel de nos recherches en cours et nous continuons à y travailler dans le cadre de nouveaux projets de recherche. Plus précisément, nous étudions l'introduction des stratégies multi-chemins proposées dans la technologie des réseaux définis par logiciel (SDN).

Lagos Jenschke, T.; et al. ODeSe: On-Demand Selection for Multi-path RPL Networks. Ad Hoc Networks. 2021, 114, 102431.

Koutsiamanis, R.-A.; et al. “From Best-Effort to Deterministic Packet Delivery for Wireless Industrial IoT Networks«. In IEEE Transactions on Industrial Informatics. July 2018, 14, 4468-4480.

Koutsiamanis, R.-A.; et al. «A Centralized Controller for Reliable and Available Wireless Schedules in Industrial Networks«. In Proc. MSN 2020.

Koutsiamanis, R.-A.; et al. «Meet the PAREO Functions: Towards Reliable and Available Wireless Networks«. In Proc. IEEE ICC 2020.

“Nouveau procédé de communication d’un système calculateurs de batteries de Véhicules Électrique”, CIFRE : Private Contract with Renault.

“Enabling Wireless Battery Management System (BMS) in Electric Vehicles”, Contrat de Recherche : Private Contract with Texas Instrument.

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.