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626 NNT : 2021IPPAS009 On Interoperability and Network Architecture Bottom-Up H

626 NNT : 2021IPPAS009 On Interoperability and Network Architecture Bottom-Up Heterogeneity Control in Internet of Things Th` ese de doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris pr´ epar´ ee ` a T´ el´ ecom SudParis ´ Ecole doctorale n◦626 ´ Ecole doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris (EDIPP) Sp´ ecialit´ e de doctorat : R´ eseaux, informations et communications Th` ese pr´ esent´ ee et soutenue ` a Palaiseau, le 2 juillet 2021, par NAHIT PAWAR Composition du Jury : Adlen KSENTINI Professor, Eurecom, France Pr´ esident Laurent GEORGE Professor, ESIEE Paris, France Rapporteur Andreia CATHELIN Docteure, STMicroelectronics, France Rapporteur Adlen KSENTINI Professor, Eurecom, France Examinateur Anelise MUNARETTO Associate Professor, Federal University of Paran´ a (UFPR), Brazil Examinateur Hakima CHAOUCHI Professeure, Institute Polytechnique de Paris - T´ el´ ecom SudParis Directeur de th` ese Thomas BOURGEAU Docteur, KBDigital AG, Switzerland Co-directeur de th` ese Marco DI FELICE Associate Professor, University of Bologna, Italy Invit´ e Xavier CARCELLE Engineer, Asahi Net, Japan Invit´ e 1 Introduction L’un des attributs largement connus de l’Internet des objets (IoT) est qu’il en- globe un vaste r´ eseau de ”Things” (objets) h´ et´ erog` enes, allant des appareils ` a ressources limit´ ees utilis´ es dans les batteries ` a faible puissance R´ eseaux d’actionneurs de capteurs sans ﬁl vers des appareils plus puissants utilis´ es dans les passerelles et autres applications gourmandes en calcul comme les v´ ehicules autonomes, les robots connect´ es, les drones, etc. De plus, la pr´ esence de l’IoT dans divers domaines d’application ´ energie intelligente, sant´ e intelligente, bˆ atiments intelligents, intelligent transports, industrie in- telligente et ville intelligente - en fait un domaine diversiﬁ´ e et multidisci- plinaire, o` u chaque domaine d’application a ses propres caract´ eristiques et exigences diverses. L’h´ et´ erog´ en´ eit´ e de l’IoT peut ˆ etre observ´ ee dans de nombreuses disciplines de l’IoT telles que l’application, l’architecture de l’appareil, le r´ eseau et le proto- cole de communication. Cette h´ et´ erog´ en´ eit´ e pose de s´ erieux probl` emes pour le contrˆ ole de l’interop´ erabilit´ e et aussi pour l’uniformit´ e dans le d´ eveloppement de solutions logicielles et mat´ erielles sur le large gamme d’appareils IoT h´ et´ erog` enes - unit´ es de traitement, capteurs, actionneurs, ´ emetteurs-r´ ecepteurs, etc. Prototypage de l’Internet des objets : perspective logicielle - Le succ` es de l’IoT est attribu´ e ` a l’avancement de diverses technologies telles que - la communication, Internet, r´ eseau, micro´ electronique, capteur, s´ ecurit´ e, syst` emes d’exploitation, stockage de donn´ ees, etc. ainsi qu’aux applica- tions pilotes ´ eprouv´ ees d´ eploy´ ees dans divers domaines d’application sus- mentionn´ es. Mais l’implication de diverses technologies nologies et la relation complexe entre eux et la pr´ esence inh´ erente de dispositifs h´ et´ erog` enes ont fait du d´ eveloppement, du d´ eploiement et de la maintenance des applications IoT une tˆ ache fastidieuse et chronophage. En cons´ equence c’est tr` es diﬃcile ` a at- teindre pour les experts du domaine (agriculteur, m´ edecin, ing´ enieur, etc.) connaissance de toutes les technologies derri` ere l’IoT. Construire une solu- tion IoT de bout en bout r´ eussie implique une approche syst´ ematique pour g´ erer diﬀ´ erentes vies IoT phases du cycle - phase de d´ eveloppement, phase de d´ eploiement et phase de maintenance. Dans la phase de d´ eveloppement, la logique applicative est cadr´ ee et s´ epar´ ee en un grand nombre de tˆ aches distribu´ ees pour un r´ eseau de terminaux IoT h´ et´ erog` enes, puis la logique applicative est impl´ ement´ ee, v´ eriﬁ´ ee et valid´ ee 1 sur de nombreuses plates-formes mat´ erielles compos´ ees d’un grand nombre d’IoT h´ et´ erog` enes dispositifs. Dans la phase de d´ eploiement - le micro- logiciel de l’appareil IoT qui remplit les le sc´ enario d’application cibl´ e est charg´ e sur un r´ eseau de syst` eme ﬁnal IoT et est v´ eriﬁ´ e et valid´ e ` a nouveau en environnement r´ eel. En phase d’entretien, les p´ eriph´ eriques h´ erit´ es sont remplac´ es en raison, par exemple, d’un changement dans les exigences des applications imposant de nouvelles fonctionnalit´ es mat´ erielles ou une mise ` a niveau du syst` eme. Le principal la pr´ eoccupation dans toutes ces trois phases est l’h´ et´ erog´ en´ eit´ e des appareils IoT qui fait de l’interop´ erabilit´ e, de l’´ evolutivit´ e et de la ﬂexibilit´ e un d´ eﬁen particulier pour les grands d´ eploiement ` a grande ´ echelle de syst` emes bas´ es sur l’IoT. Les industries sont oblig´ ees d’embaucher des d´ eveloppeurs de syst` emes embarqu´ es exp´ eriment´ es pour mettre en œuvre et maintenir base de code logiciel pour divers four- nisseurs de mat´ eriel faisant du prototypage et Preuve de concept (PoC) tˆ aches diﬃciles et chronophages. Cela fait aussi la solution IoT d´ eploy´ ee est diﬃcile ` a mettre ` a jour en cas de remplacement des appareils IoT d’un autre fabricant de mat´ eriel. Le d´ eveloppement d’applications embarqu´ ees d´ epend du four- nisseur de mat´ eriel, de sorte que tout changement de fabricant d’appareils IoT d´ eclenchera le red´ eveloppement de la mˆ eme application d´ eploy´ ee sur les appareils IoT pr´ ec´ edents. De plus, il n’y a toujours pas de commune adopt´ ee standards pour ces appareils h´ et´ erog` enes et la plupart des diﬀ´ erents fournisseurs de mat´ eriel proposent leurs propres outils de d´ eveloppement. Cela rend l’industrialisation des services IoT diﬃcile car la phase PoC est coˆ uteuse en raison de cette l’h´ et´ erog´ en´ eit´ e et l’absence de normes communes partag´ ees. Par cons´ equent, pour une adoption g´ en´ eralis´ ee des syst` emes et services bas´ es sur l’IoT, un une couche interm´ ediaire de logiciel/service est n´ ecessaire pour masquer les d´ etails de divers technologies h´ et´ erog` enes sous- jacentes ` a l’´ ecosyst` eme des appareils IoT. Prototypage de l’Internet des objets : point de vue mat´ eriel - Du point de vue de la conception de syst` emes embarqu´ es, un objet IoT est une fusion de plusieurs technologies habilitantes en ´ evolution (processeurs em- barqu´ es basse consommation, capteurs, actionneurs, ´ emetteurs-r´ ecepteurs, r´ ecup´ erateurs d’´ energie, etc.), ce qui n´ ecessite concepteurs de syst` emes pour tester et ´ evaluer en permanence les nouvelles technologies et mettre ` a niveau le syst` eme ﬁnal de mani` ere appropri´ ee. De plus, il est diﬃcile de g´ en´ eraliser l’architecture mat´ erielle d’un objet IoT en raison de diverses applications 2 IoT exigences telles que le d´ ebit de donn´ ees, la m´ emoire, le traitement, la ﬁabilit´ e, la puissance, la port´ ee, coˆ ut, s´ ecurit´ e, ´ evolutivit´ e, etc. N´ eanmoins, une architecture typique d’un objet IoT et est compos´ e de divers blocs fonctionnels mat´ eriels h´ et´ erog` enes - l’unit´ e de traitement qui repr´ esente le ”cerveau” sous la forme d’un microcontrˆ oleur ultra-basse consommation, d’un microprocesseur, d’un syst` eme sur puce (SoC), etc. ressources de cal- cul n´ ecessaires (CPU, m´ emoire et acc´ el´ erateurs algorithmiques, etc.) pour ex´ ecuter des applications IoT. La connectivit´ e sans ﬁl telle que RFID, BLE, WiFi, LTE, ZigBee et LoRa pour n’en nommer que quelques-uns, fournissent le lien de communication n´ ecessaire pour ´ etablir un r´ eseau distribu´ e d’objets IoT. L’unit´ e de traitement (PU) int` egre une grande vari´ et´ e de p´ eriph´ eriques h´ et´ erog` enes (interfaces de communication). Cette large int´ egration p´ eriph´ erique h´ et´ erog` ene est destin´ ee ` a faciliter la communication avec diﬀ´ erents blocs fonctionnels ext´ erieurs ` a l’unit´ e de traitement. Les p´ eriph´ eriques sont utiles car ils permet- tent aux unit´ es de traitement de se d´ echarger des tˆ aches de calcul (´ echange de donn´ ees entre Unit´ e de traitement et ressources IoT) ` a eux, ´ economisant ainsi de pr´ ecieux calculs ressources pour d’autres tˆ aches importantes. Le nombre et le type de p´ eriph´ eriques pris en charge par le PU et leur mappage de broches varient d’un PU ` a l’autre, donc cette h´ et´ erog´ en´ eit´ e d’interface p´ eriph´ erique peut conduire ` a diﬀ´ erents et incompatibles conception mat´ erielle. De plus, le manque d’interface coh´ erente oblige souvent les int´ egrateurs de syst` emes ` a cr´ eer les connexions ´ electriques requises qui d´ ependent du type de PU utilis´ e. De plus, en raison de l’avancement des technologies mat´ erielles IoT il faut reconcevoir ou remplacer le syst` eme existant pendant le cycle de vie d’un Objet IoT, mˆ eme si seule une sous-partie doit ˆ etre remplac´ ee. En cons´ equence, il existe un fort besoin et une forte demande pour une in- uploads/Litterature/ pawar-2021-archivage.pdf