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Utilisation de SysML pour la modélisation des réseaux de capteurs Nicolas Bello

Utilisation de SysML pour la modélisation des réseaux de capteurs Nicolas Belloir∗, Jean-Michel Bruel∗, Natacha Hoang∗, Congduc Pham∗ ∗Université de Pau et des pays de l’Adour LIUPPA, BP 1155, F-64013 Pau Cedex {belloir,bruel,nhoang,cpham}@univ-pau.fr http://liuppa.univ-pau.fr Résumé. SysML est le nouveau langage de modélisation déﬁni par l’OMG. Il peut être vu comme une extension d’UML destinée à la modélisation d’un large spectre de systèmes complexes. Son champ d’application est en ce sens plus large que celui d’UML mais sa ﬁliation le rend tout particulièrement intéressant pour la modélisation de systèmes embarqués majoritairement composés de lo- giciel. Les logiciels déployés sur les réseaux de capteurs sans ﬁl (WSN) sont un bon exemple de ce type d’application puisque la prise en compte de l’inter- action forte entre le matériel et le logiciel inhérente à ce type de système est une condition importante pour une modélisation efﬁcace. Dans cet article nous décrivons notre retour sur expérience concernant la modélisation d’un système utilisant des capteurs mobiles sans ﬁl aﬁn de mesurer les ﬂux de personnes dans une ville. Dans cette étude, nous avons utilisé à la fois SysML pour la modé- lisation du système et UML pour la modélisation des parties logicielles. Nous présentons les points de recouvrements des deux langages d’une part, et nous en comparons les diagrammes statiques d’autre part. 1 Introduction De nos jours, même la plus simple des applications informatiques est relativement com- plexe, principalement de par son caractère distribué, mobile et communiquant. La généralisa- tion des architectures client/serveur, l’importance des notions de services, la coopération entre entités et les besoins de réactivité temps réel participent à imposer un environnement de dé- veloppement rigoureux. Dans cet article, nous nous intéressons aux systèmes informatiques fortement contraints que constituent les réseaux de capteurs sans ﬁl (Wireless Sensors Net- works – WSN), technologie dont on peut consulter notamment l’état de l’art de Khemapech et al. (2005). Ces systèmes sont caractérisés par une forte interaction entre le matériel et le logiciel. Les composants internes des capteurs sont souvent propriétaires et constituent des composants sur étagère (Commercial Off The Shelf – COTS) dont la prise en compte néces- site une approche particulière. Les logiciels déployés sur les WSN doivent pouvoir prendre en charge l’interaction forte entre le matériel et le logiciel inhérente à ce type de système. Spécialisée dans le développement d’application basée composants (Component-Based Software Engineering – CBSE), technologie présentée dans l’ouvrage de Szyperski et al. Utilisation de SysML pour la modélisation des réseaux de capteurs (2002), et dans les réseaux, notre équipe cherche à déterminer une approche rigoureuse de développement pour les WSN. Pour cela, nous nous basons sur notre expérience de l’écriture de proﬁls et de métamodèles, que nous appliquons aux dernières avancées en terme de langages de modélisation de systèmes. En effet, même si le rapprochement des langages de modélisation (comme UML) et des langages de description d’architecture (ADL) ont vu l’intégration dans la version 2.0 d’UML, spéciﬁée dans OMG (2005), de concepts clés comme ceux de ports ou de composites, force est de constater les manques de tels langages généralistes pour modéliser les systèmes complexes du type WSN, pour lesquels jusqu’à maintenant, et à notre connaissance, ont été utilisées des approches plutôt formelles telles que dans Sachdeva et al. (2005). SysML est le nouveau langage de modélisation déﬁni par l’OMG (2007b). Il peut être vu comme une extension d’UML destiné à la modélisation d’un large spectre de systèmes complexes. Après en avoir étudié les apports, nous avons été confrontés à un certain nombre d’interrogations. Dans cet article nous décrivons notre retour sur expérience concernant la modélisation d’un cas réel (un système utilisant des capteurs mobiles sans ﬁl aﬁn de mesurer les ﬂots de personnes dans une ville, ﬁnancé par la communauté d’agglomération de la ville de Pau). Dans cette étude, nous avons utilisé à la fois SysML pour la modélisation du système et UML pour la modélisation des parties logicielles. Nous discutons des points de recouvrement des deux langages d’une part, et nous en comparons les aspects statiques d’autre part. 2 Modélisation des systèmes embarqués communiquants Nous nous intéressons ici à un type de système embarqué communiquant particulier : les réseaux de capteurs sans ﬁl. Nous les présentons dans un premier temps puis nous expliquons pourquoi UML ne sufﬁt pas pour modéliser ce type de système. 2.1 Les réseaux de capteurs sans ﬁls : un système très complexe Un capteur est un petit appareil autonome capable d’effectuer des mesures simples sur son environnement immédiat. L’utilisation de ces capteurs n’a rien d’une nouveauté, ceux- ci sont utilisés depuis longtemps dans des domaines comme l’aéronautique ou l’automobile. Ce qui est novateur, c’est la possibilité pour ces capteurs de communiquer de manière radio (réseaux sans ﬁls de type WiFi) avec d’autres capteurs proches (quelques mètres) et pour cer- tains d’embarquer de la capacité de traitement (processeur) et de la mémoire. On peut ainsi constituer un réseau de capteurs qui collaborent sur une étendue assez vaste. Ces réseaux de capteurs soulèvent un intérêt grandissant de la part des industriels ou d’organisations civiles où la surveillance et la reconnaissance de phénomène physique sont une priorité. Par exemple, ces capteurs mis en réseau peuvent surveiller une zone délimitée pour détecter soit l’appari- tion d’un phénomène donné (apparition de vibrations, déplacement linéaire...) soit mesurer un état physique comme la température (détection des incendies en forêts) ou la pression. Dans beaucoup de scénarios de gestion de crise (séismes, inondations,...) ces réseaux de capteurs peuvent permettre une meilleure connaissance du terrain aﬁn d’optimiser l’organisation des secours, ou bien même renseigner précisément les scientiﬁques sur les causes d’un phénomène physique particulier. Il est aussi envisageable d’intégrer les aspects multimédia et nomadisme dans certaines applications mobiles mélangeant données et images. On le voit, les applications N. Belloir et al. possibles sont extrêmement nombreuses avec un impact fort sur un grand nombre d’applica- tions civiles et des nouveaux effets sociétaux certains. Ces réseaux de capteurs posent un certain nombre de déﬁs scientiﬁques intéressants pour la communauté de recherche. Par exemple, l’organisation de ces capteurs en réseaux soulève des problèmes bien connus, mais qui restent extrêmement ardus, de routage (détermination du chemin optimal entre 2 points du réseau), de communication et d’architecture logicielle. Les scénarios usuels d’utilisation envisagent plusieurs milliers de capteurs que l’on pourra disperser pour surveiller des zones sensibles. Le facteur de résistance à l’échelle sera donc crucial. S’ajoute à ces difﬁcultés le fait que les capteurs possèdent des ressources très limitées en terme de puissance de calcul, mais aussi en terme d’autonomie de fonctionnement puisque dans la plupart des scénarios de déploiement, les capteurs fonctionneront avec de petites bat- teries. Cette limitation des ressources rend nécessaire une certaine forme de coopération à grande échelle où les interactions entre capteurs peuvent être extrêmement complexes. En ef- fet, outre les problèmes de dissémination ou de récupération des données, la réalisation d’un service complexe dans un réseau de capteurs doit pouvoir être effectuée grâce à une composi- tion de services plus simples et donc à une forme de collaboration "intelligente" des capteurs. La reconﬁguration et l’administration à distance, c’est-à-dire la gestion de ces capteurs, seront également des propriétés souhaitables qui seront indispensables dans un proche avenir pour optimiser les ressources et permettre la réutilisation de l’infrastructure déployée. Toutefois les architectures logicielles actuelles ne savent pas, ou mal, intégrer des éléments autonomes et mobiles comme le sont les capteurs. 2.2 Modélisation de nouvelles fonctionnalités et limitation d’UML Les travaux dans le domaine du génie logiciel ont prouvé le besoin de développer les appli- cations informatiques de manière modulable et faiblement couplée. L’ingénierie logicielle ba- sée composant a ainsi apporté d’importantes contributions, offrant des méthodes, des concepts et des supports technologiques qui permettent ce type de développement. Dans ce contexte, de nombreuses nouvelles fonctionnalités peuvent alors être envisagées. Par exemple, la reconﬁgu- ration dynamique qui est une composante primordiale de la modularité est alors envisageable. En effet, cette opération permet de remplacer un composant par un autre dans une application en cours d’exécution. Cette action peut-être causée par la nécessité de substituer un compo- sant mal implémenté c’est-à-dire ne réalisant pas les fonctionnalités prévues ou les réalisant de manière incorrecte, ou encore d’ajouter à ce composant de nouvelles fonctionnalités. Dans le contexte des réseaux de capteurs, il peut s’avérer pertinent, par exemple, de changer les don- nées qu’un capteur devait initialement collecter sur son environnement ou tout simplement de reconﬁgurer le réseau lorsqu’un capteur n’a plus assez de batterie pour fonctionner. La recon- ﬁguration dynamique devient alors une caractéristique importante des applications déployées sur ce type de réseau. Normalisé par l’OMG, UML est le langage graphique le plus utilisé pour modéliser les divers aspects d’un système d’information. Par contre, dans le contexte de l’ingénierie système, son pouvoir d’expression est plus limité. En effet, certains concepts spéciﬁques à ce domaine ne peuvent être spéciﬁés simplement avec UML. Par exemple, le fait qu’il existe des paramètres dont un changement de valeur entraînerait un fonctionnement différent du système ne peut être modélisé avec UML. De plus, le lien fort entre uploads/Ingenierie_Lourd/ la-modelisation-d-x27-un-systeme-capteurs.pdf