Protocoles de communication Organisation de la présentation Un

Organisation de la présentation
Des généralités aux réalités terrains é é li é
é li é
i
Protocoles de communication
•
•
Rappel : qu’est ce qu’ un protocole de communication ?
pp q
q
p
Attentes principales d’un protocole –
–
–
–
M2 EEA OH – FMEE345
•
•
•
Nicolas Déjean
Software Development Senior Engineer
Fiabilité de transmission
Simplicité d
Simplicité
d’utilisation
utilisation
Rapidité de transmission
…..
Contraintes relatives aux protocoles de communication radio Contraintes
relatives aux protocoles de communication radio
Contraintes liées aux protocoles dits « embarqués »
Présentation des principaux protocoles radio
– Performances, contraintes – Description des couches OSI
•
Présentation de Wavenis : réponse aux contraintes ULP et longue
Présentation de Wavenis : réponse aux contraintes ULP et longue distance
Quels sont les enjeux d’une communication ?
i i ?
Un protocole de communication ,
qu’est ce que c’est ?
’
’
• O
On désigne sous ce terme tout ce qui rend la communication dé i
i
dl
i i
possible ou plus aisée sans rapport avec le contenu de la communication elle‐même.
• Oui mais encore ?
Attendre une tonalité pour numéroter
Demander à l'interlocuteur de se répéter
Epeler son nom
Epeler son nom
S'entendre tacitement sur le moment où une communication sera considérée comme terminée
– …. Sont des ensembles de service qui sont regroupés sous le nom de Sont des ensembles de service qui sont regroupés sous le nom de
protocoles.
–
–
–
–
• Le but principal, bien évidemment est de faire passer un g
p
message à un ou plusieurs destinataires :
–
–
–
–
Faire passer une information ou une émotion
Créer une norme commune pour se comprendre
Cé
Créer une relation pour dialoguer fréquemment, ou relancer le dialogue
l ti
di l
fé
t
l
l di l
Donner son identité, sa personnalité à l’interlocuteur pour être reconnu
Critères de qualité d’un protocole d
de communication
i ti
Principales méthodes de communication proposées par un i ti
é
protocole protocole
• Fiabilité de communication
Fiabilité de communication
– S’assurer que l’interlocuteur est à l’écoute
– Pouvoir répéter le message si il est mal passé
p
g
p
– S’affranchir du mieux possible des perturbations
• Simplicité d’utilisation
•
Mode point à point : le mode le plus utilisé, également appelé peer to peer, il correspond à un dialogue entre deux intervenants
•
Mode répéteur : on s’adresse
Mode répéteur : on s
adresse toujours à un interlocuteur unique mais on utilise toujours à un interlocuteur unique mais on utilise
un point intermédiaire pour relayer l’information
•
Mode broadcast : plus complexe, il autorise une discussion à plusieurs. Des règles strictes doivent donc être mises en place.
– Gestion des interlocuteurs
• Rapidité de communication
– Adapter la vitesse de communication au besoin
Adapter la vitesse de communication au besoin
Le modèle OSI (2/3)
Le modèle OSI (1/3)
z
Couche 7 : Applicative
z
C
Couche
h 6:P
Présentation
é
t ti
z
Couche 5 : Session
z
Couche 4 : Transport
z
Couche 3 : Réseau
z
Couche 2 : Liaison
z
Couche 1 : Physique
•
Couche Applicative : C'est à ce niveau que sont les logiciels : navigateur, logiciel d'email FTP chat
logiciel d'email, FTP, chat... •
g
p
Couche Présentation : Elle est en charge de la représentation des données (de telle sorte qu'elle soit indépendante du type de microprocesseur ou du système d'exploitation par exemple) et ‐ éventuellement ‐ du chiffrement. •
Couche Session : En charge d'établir et maintenir des sessions (c'est à dire débuter le dialogue entre 2 machines: vérifier que l'autre machine est prête à communiquer, s'identifier, etc.) Le modèle OSI (3/3)
•
•
•
•
Différentes topologies réseau
Couche Transport : En charge de la liaison d'un bout à l'autre. S'occupe de la fragmentation des données en petits paquets et vérifie éventuellement fragmentation
des données en petits paquets et vérifie éventuellement
qu'elles ont été transmises correctement. Couche Réseau : En charge du transport, de l
Couche Réseau
: En charge du transport de l'adressage
adressage et du routage des et du routage des
paquets. Mesh
Star
Couche Liaison : En charge d
Couche Liaison
: En charge d'encoder
encoder (ou moduler) les données pour qu
(ou moduler) les données pour qu'elle
elle soient transportables par la couche physique entre deux machines adajacentes, et fournit également la détection d'erreur de transmission et la synchronisation. y
Couche Physique : C'est le support de transmissions lui‐même: un fil de cuivre, une fibre optique, les ondes hertziennes... Ainsi que la méthode de
cuivre, une fibre optique, les ondes hertziennes... Ainsi que la méthode de transmission d'un bits ou d'un train de bits.
Problématique liée au médium radio fréquence
di f é
• Des critères bien particuliers amènent naturellement les protocoles radio à intégrer des mécanismes spécifiques
Cluster
Tree
Access point
En points repeaters
Simple End points
Contraintes liées à l’aspect embarqué (1/2)
• Qu’entend on par électronique embarquée ?
– EEnsemble électronique généralement destiné à travailler de façon bl él
i
é é l
d i éà
ill d f
autonome et à encombrement réduit
• Médium unique pour tous les équipements
– Alimentation autonome (batteries type alcalines, lithium, piles boutons…)
• Perturbations fortes liées à l’environnement
– Niveau de bruit radio
– Perturbations par rayonnements extérieurs
– Influence géographique et topologique
– Soumis à des règles environnementales sévères (température, humidité)
g
(
p
,
)
Rappel sur les réseaux sans fil
Contraintes liées à l’aspect embarqué (2/2)
• Quels sont les impacts des contraintes de l’embarqué sur le protocole radio ?
– Ressources mémoires programme réduites
– Maitrise de l’énergie : mécanismes permettant de maintenir une consommation moyenne réduite
– Contraintes systèmes liées à la mobilité des produits sur lesquels le protocole est embarqué
protocole est embarqué
Réseaux personnels sans fil Principaux protocoles existants sur le marché i i
l
i
l
hé
FOCUS sur les
FOCUS
sur les
protocoles relatifs aux réseaux WPAN dont Wa enis fait partie
dont Wavenis fait partie
Ces p
protocoles sont orientés pour
p
les applications
pp
faible
portée type réseaux domestiques, réseaux de périphériques
(PDA, PC,…), réseaux de capteurs, relève de compteurs
•
•
•
Bluetooth (IEEE 802.15.1)
ZigBee (IEEE 802.15.4)
HomeRF (stop en Jan’03)
HomeRF (stop en Jan’03)
•
•
•
•
•
UWB (IEEE 802.15.3)
ETSI 300‐220
Z‐wave (Zensys)
(
)
Wavenis (Coronis)
etc…
–
Stoppé au profit de WiFi embarqué ‐> Centrino
Protocole Bluetooth a
•
•
•
•
Protocole Bluetooth Détail des couches Communications faibles portées
Haut débit
Haut débit
Création de connexions ad’hoc
Mécanisme de FHSS (Frequency pp g p
p
)
Hopping Spread Spectrum)
Architectures des couches
Protocole Bluetooth : couche PHY
Protocole Bluetooth : couche LM
Résumé sur
Nature des réseaux & Mode de Fonctionnement
• Le gestionnaire de liaisons (Link Manager)
• Piconet
• Cette couche gère les liens entre les périphériques maîtres et q
yp
(y
esclaves ainsi que les types de liaisons (synchrones ou asynchrones)
• C'est le gestionnaire de liaisons qui implémente les mécanismes de sécurité comme :
–
–
–
–
l'authentification, le pairage, la création et la modification des clés,
la création et la modification des clés, et le cryptage. Protocole Wi‐Fi & HyperLAN2
z
– 7 active slaves / Master
– 255 « parked » slaves / Master
– Half Duplex with TDMA: fast Half Duplex with TDMA: fast
switching
• Scatternet
Scatternet : max 10 : max 10
piconets
• HyperLAN2 (ETSI) – 5GHz
• La couche MAC définit deux méthodes d'accès différentes : – La méthode CSMA/CA utilisant la Distributed Coordination Function (DCF) – La Point Coordination Function
L P i t C di ti F ti (PCF)
¾
¾
¾
¾
¾
• Profils d’application
– A2DP(Audio), AVRCP, BIP BPP, CTP, DUNP, Fax, FTP, HSP, LAP, ,
,
,
,
,
,
¾
¾
Mode passif
Phase d'inquisition :
découverte des points d
d’accès
accès
Synchronisation avec le point
d’accès (paging)
Découverte des services du
point d’accès (SDP)
Création d’un canal avec le
i t d’
d’accès
è (L2CAP)
point
Pairage à l’aide d’un code PIN
(pairing) pour la sécurité
Utilisation du réseau
Architectures Wi‐Fi
Le mode infrastruture
• Wi‐Fi (IEEE 802.11) –
(
) 2,4GHz
Procédé de connexion radio
Le mode ad’hoc
Protocole Wi‐Fi – Couche MAC
• Le standard 802.11 définit le format des trames échangées. Chaque trame est constituée d'un
Chaque trame est constituée d
un en
en‐tête
tête (appelé MAC header, (appelé MAC header,
d'une longueur de 30 octets), d'un corps et d'un FCS (Frame Sequence Check) permettant la correction d'erreur. • Champ FC :
Protocole ZigBee
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Communications faible portée (20m @250 kps)
i i
f ibl
é (
k )
Support IEEE 802.15.4 Physical and MAC Layer
Use DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum) technology
Use DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum) technology
ZigBee Alliance
2.4GHz (915MHz, 868MHz)
2.4GHz (915MHz, 868MHz)
Topologies Star, Tree, Mesh
PAN Coordinator
Full‐Function Device (FFD)
Reduced‐Function Device (RFD)
Protocole ZigBee
Protocole ZigBee
IEEE 802.15.4 architecture
IEEE 802.15.4 PHY overview
Transmit Power
• Capable of at least 1 mW
• Power reduction capability required if > 16 dBm
((reduce to < 4 dBm in single
g step)
p)
Upper Layers
IEEE 802.15.4 LLC
IEEE 802.2
LLC, Type I
IEEE 802.15.4 MAC
Receiver Sensitivity
• -85
85 dBm (1% Packet Error Rate)
RSSI Measurements
• Packet strength indication
IEEE 802.15.4
868/915 MHz
PHY
IEEE 802.15.4
2400 MHz
PHY
• Clear channel assessment
• Dynamic
y
channel selection
Protocole ZigBee
Protocole ZigBee
IEEE 802.15.4 PHY layer
IEEE 802.15.4 MAC Layer overview
PHY Packet Fields
• Preamble (32 bits) – synchronization
• Start of Packet Delimiter (8 bits) – specifies one of 3 packet types
• PHY Header (8 bits) – Sync Burst flag
flag, PSDU length
• PSDU (0 to 127 bytes) – Data field
Preamble
Start of
Packet
Delimiter
PHY
Header
6 Bytes
PHY Service
Data Unit ((PSDU))
0-127 Bytes
Maturité du protocole Zigbee
Star and peer to peer topologies
Packet validation and message rejection
Manage channel access with CSMA/CA
Device Classes
C
notion
• Full function device (FFD)
• any topology
• network coordinator
• talks to any other device
• Reduced function device (RFD)
•Limited
Limited to star topology
•Cannot become a network coordinator
•Talks only to a network coordinator
Very simple implementation
•Very
Protocole propriétaire de Zensys
Zwave
• Peu d’implémentations réelles
P d’i lé
i
é ll
• Pas de projets industriels • Quelques fournisseurs de chips sur le marché
• Déploiement prévu en 2008/2009
• Adapté aux réseaux radio low power faible cout
p
p
• Technologie mono fréquence 868 MHz
g
q
Protocole Zwave Architecture des couches
Wavenis at a glance
•
•
•
•
•
LLong life time lif ti
(
(up to 15 years on primary battery)
15
i
b
)
Long range (200m indoor – 1km LOS)
S
Smart links t li k (2‐way communications)
(2
i i )
Reliable transmissions (FHSS, FEC, data interleaving)
S ll f t i t (less than 3cm²)
Small footprint (l
h 3 ²)
• Connection to the WAN (Bluetooth extension capability)
• Low cost (down to 2.50 USD ‐ licensing)
Wavenis protocol strength
Wavenis stack OSI representation
• High reliability bi‐directional protocol
g
y
p
Acknowledge mechanism, CSMA/CA
FEC, FHSS with interleaving process
• Optimised for Ultra low power • Easy to interface with user application
•
Handles OSI from Physical layer to Network layer
•
HCI interface (Bluetooth interface compatible)
•
Option: uPnP and IP supported in Network layer
HCI i t f
HCI interface, support different transport layers
t diff
tt
tl
• High integration
oriented 8/16 bits low cost microcontrollers
• Available for different microcontrollers
MICROCHIP, Texas Instrument, ATMEL
Wavenis PHY layer (1/4)
Wavenis PHY layer (2/4)
• Long life time mechanisms
–
–
–
–
Sophisticated power saving management (µC activity relaxed) 10µA / 2,7V
Sophisticated power saving management (µC activity relaxed) –
10µA / 2 7V
Fast access time with Receive/Standby cycle as default operating mode
Programmable access time : 10ms min < 1s typ < 10s max
Very short receive mode duration
– 500µs (no energy on the channel)
– 1600µs (if energy but non coherent signal)
– Relaxed synchronization scheme (10s)
• Long range
–
–
–
–
Low data rate : 2 4kbps min < 10kbps typ < 100kbps max
Low data rate : 2,4kbps min < 10kbps typ < 100kbps max
Very high sensitive receivers : ‐110dBm @ 10kbps
Output powers : +14dBm (25mW) +27dBm (500mW) version
Radio range extender : repeater function embedded in native –
d
d
f
b dd d
up to x3 repeaters + 500mW version
Wavenis PHY Layer (3/4)
( / )
different frequency bands available
• RF features
868MHz (ETS), 915MHz (FCC) ISM, 2.4 GHz licence free bands
FHSS / mono‐channel for alarm bands with GFSK modulation
Automatic Frequency Control (AFC) => top RF perf over full lifetime
QoS with Receive Strength Signal Indicator (RSSI) management
QoS with Receive Strength Signal Indicator (RSSI) management
Programmable output power
=> power savings contributor
– Automatic Sensitivity Control (noisy environment / GSM base station)
=> power savings contributor
–
–
–
–
–
Wavenis PHY layer (4/4) ) Packet description
Packet description
Synchro Word
detection
PAYLOAD
Reception
Periodic RF scanning
activity
Time
Wake Up
Preamble
Access Code
Wake Up preamble
Synchro
Word
Variable length
32 bits
Sync
Word
PAYLOAD
32 bits
variable length
Header
PAYLOAD
Network and
Link Manager
DATA Field
Wavenis MAC layer
Wavenis LLC layer (Logical Link Control)
Brings reliability to the protocol with the following features
• Quality of service management
– CSMA/CA mechanism
– FEC (Forward Error Correction) using the BCH principle and an interleaving mechanism.
• The
The BCH (Bose –
BCH (Bose Chaudhuri –
Chaudhuri Hocquenghem) is a code corrector error method.
Hocquenghem) is a code corrector error method
• The BCH (31,21) is a code corrector allowing to detect 5 bits in error and to correct 2 bits in error in a 32 bits word.
• This 32 bits word is composed of 21 data bits and 11 redundancy bits generated by the BCH algorithm.
•
•
PPP, broadcast, repeater
Star, tree & mesh
networks
ULP wireless network
f t
features
•
•
•
•
Optimum wireless traffic
Self-organizing
g
g
Self-healing
Easy network
maintenance
• Link Budget balancing
Wavenis stack standard resources
Wavenis Network Layer
Flexible operating
modes
• Acknowledgement mechanism management
• Configurable stack with a specific tool (SDK)
Star
topology
• Code memory : 10K bytes < Size < 24K bytes
Remote
monitoring
and
management
Tree
topology
• RAM memory : 512 bytes < Size < 2K bytes
No volatile memory : depends on application
• No volatile memory : depends on application
• Processor speed : minimum 2 Mips
PCs & servers
Network
installation
and
configuration
Mesh
topology
• The Wavenis stack is running on several low cost low consumption MCU (Texas Instrument, Microchip, Atmel Renesas)
Atmel, Renesas) Wavenis protocol roadmap
• SDP (service discovery protocol ) • SoC (System on Chip) – To reduce cost – To facilitate Wavenis design implementation
• Normalisation
– Wavenis Open Source Alliance
– Through the Bluetooth SIG work group Merci pour votre Merci
pour votre
attention
Questions / Réponses