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  1. 1. République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Amar Telidji Laghouat Faculté des Sciences Département de Mathématiques Informatique Mémoire de Master Filiére: Informatique Option: Réseaux, systémes et applications réparties (ReSar) Théme: Le routage de données dans les Smart Grids Présenté par: Mebarka Boussebci Soutenu devant le jury composé de: Mme F.Z. Bousbaa M.A.A UATLaghouat (Présidente) Mr B. Brik M.A.B UATLaghouat (Examinateur) Mr A. Lakhdari M.A.B UATLaghouat (Examinateur) Mr. N. Lagraa M.C.A UATLaghouat (Rapporteur) Année 2015
  2. 2. À la mémoire de ma grand mére Mebarka Belmechri ii
  3. 3. Remerciements Je remercie tout d’abord ALLAH , le tout puissant de m’avoir donné la force et la patience et de m’avoir rapprocher des personnes qui m’ont soutenu et aidé pour accomplir ce travail. Mes remerciements s’adressent également à tous les personnes qui ont contribué de près ou de loin avec leurs conseils ou avec leurs encouragements à l’accomplissement de ce travail. Je tiens à exprimer ma sincère reconnaissance et remerciements à Mr. LAGRAA NAS- REDDINE, professeur à l’université de Laghouat d’avoir accepté d’encadrer et de diriger mes travaux. Enfin, j’exprime mes vifs remerciements à toute ma famille et amis spécialement à mes deux soeurs FATIMA ZOHRA GUELLOUMA et SAYAH LEILA CHOUROUK. iii
  4. 4. Résumé Dans les systèmes électriques actuels, plusieurs défis sont affrontés tels que la planifica- tion, la gestion et la fiabilité. Les Smart Grids représentent une solution prometteuse aux problèmes des réseaux de distribution d’électricité. Cette solution se base essentielle- ment sur l’échange des messages entre les différents acteurs de ce réseau. Dans ce mémoire, on s’intéresse au problème d’acheminement de données dans les smart grids et plus particulièrement le problème de routage (couche réseau). Ainsi, plu- sieurs protocoles ont été présentés mais, une étude profonde du protocole RPL (Routing Protocol for Low power and lossy networks) est effectuée. Ce protocole, par ses caracté- ristiques, est considéré comme l’un des protocoles de routage de données les plus utilisés. Les résultats de simulation nous ont permis d’évaluer les performances de ce protocole, et d’en tirer des conclusions qui permettent de l’améliorer dans des travaux futurs. Mots clés :Smart Grid, Routage, réseau électrique intelligent. Abstract In the current electricity systems, several challenges are confronted such as planning, management, and reliability. Smart Grids represent a promising solution to the problems of electricity distribution networks. This solution is essentially based on the exchange of messages between the different actors of this network. In this thesis, we focus on the problem of delivering data in smart grids and more particularly the routing process (network layer). Thus, several protocols have been studied with a particular analysis to RPL protocol (Routing Protocol for Low power and lossy networks). This protocol, by its characteristics, is considered as one of the most used routing protocols. Simulation results allowed us to evaluate the performance of this protocol, and draw conclusions that can improve it in future work. key words :Smart Grids, Routing, RPL , Simulation. iv
  5. 5. ? ? ? ? v
  6. 6. Table des matières Table des matières vi Liste des figures viii Liste des tableaux ix Introduction générale 1 1 Généralités sur les Smart Grids 3 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Définitions du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Objectifs des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Caractéristiques des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Architecture et Systèmes des SG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.1 Système de gestion intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.2 Système d’infrastructure intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.2.1 Sous-système d’énergie intelligent . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.2.2 Sous-système d’informations intelligent . . . . . . . . . . . . 10 1.5.2.3 Sous-système de communication Intelligent . . . . . . . . . . 11 1.5.3 Système de protection intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.6 Smart Grid : scénario de fonctionnement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.7 Projets et thèmes de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Smart Grids -partie communications 15 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Les réseaux de communication du Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Types des réseaux de communication dans les SG . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 HAN (Home Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 NAN (Neighborhood Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 BAN (Building Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.4 IAN (Industry Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.5 WAN (Wide Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4 Technologies et standards de communications . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.1 Technologies pour les réseaux HAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.2 Technologies pour les NAN et les WAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.3 Standards des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5 Protocoles de routage pour le réseau de communications des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.5.1 RPL (Routing Protocole for Low power and lossy networs -LLNS-) . . . . . 22 2.5.1.1 Messages du protocole RPL : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 vi
  7. 7. 2.5.1.2 Fonctionnement du protocole RPL : . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5.1.3 Limites du protocole RPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2 DADR : Distributed Autonomous Depth-first Routing . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2.1 Fonctionnement du DADR : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2.2 Limites du protocole DADR : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.3 Hydro (Hybrid Routing Protocol for LLNs) : . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.3.1 Les informations stockées dans les tables de routages sont : 26 2.5.3.2 Limites du protocole HYDRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4 N-gateway : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4.1 Acteurs : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4.2 Les informations stockées au niveau de chaque noeud(MSAP) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4.3 Fonctionnement du protocole : . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4.4 Limites du protocole N-gateway : . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 Performances du protocole RPL 29 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Outils de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Contiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1.1 Architecture : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1.2 Connectivité : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1.3 La simulation : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 Simulation du RPL et résultats : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.0.4 Paramètres et environnement de simulation : . . . . . . . . . 33 3.3.1 Caractéristiques de la machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.2 Métriques de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3 Résultats de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.3.1 L’impact de la variation du nombre de noeuds sur le nombre de messages de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.3.2 L’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur le nombre de messages de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.3.3 L’impact de la variation du nombre de noeuds sur l’overhead 35 3.3.3.4 L’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur l’overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.3.5 l’impact de la variation du nombre de noeuds sur le PDR . . 36 3.3.3.6 l’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur le PDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.3.7 L’occupation de la bande passante en fonction du temps . . 37 Conclusion et Perspectives 39 Bibliographie 41 A Annexe : Outil de la simulation (COOJA) 45 A.1 Installation de contiki : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 A.1.1 COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 A.2 Étapes de la simulation : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 vii
  8. 8. Liste des figures 1.1 Classification des systèmes des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Structure de l’infrastructure électrique du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Production mondiale de l’électricité classée par source -2012-[ The shift Pro- ject data portal ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4 Domaine de production électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Domaine de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6 Domaine de distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.7 Domaine des consommateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.8 Compteurs intelligents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.9 Schéma synoptique d’un compteur intelligent [STM] . . . . . . . . . . . . . . 11 1.10 Infrastructure de communications du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.11 Exemple de fonctionnement du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1 Architecture hiérarchique du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Home Area network (HAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3 Architecture hiérarchique du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Fonctionnement du DADR [IYY+10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Réseau avec N-gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1 Architecture du système d’exploitation Contiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Pile protocolaire de Contiki(Contiki.org) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Topologie du réseau avec 80 noeuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4 Nombre de messages de contrôle (scénario 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.5 Nombre de messages de contrôle (scénario 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6 l’entête additionnelle dans RPL(scenario 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.7 l’entête additionnelle dans RPL(scenario 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.8 taux de délivrance de données (scénario 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.9 taux de délivrance de données (scénario 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.10 Taux d’occupation de la bande passante par rapport au temps . . . . . . . . . 37 A.1 Téléchargement de Contiki Os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 A.2 Interface du simulateur COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 A.3 Création d’une simulation dans COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 A.4 Création des noeuds dans COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 A.5 Attacher un agent à un noeud -simulateur COOJA- . . . . . . . . . . . . . . . 48 A.6 Choisir le nombre et la disposition des noeuds - simulateur COOJA - . . . . 49 A.7 Simulation avec COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 A.8 Récupération des données de la simulation - Simulateur COOJA - . . . . . . 50 A.9 Pile protocolaire de COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 viii
  9. 9. Liste des tableaux 1.1 Réseaux classiques VS Réseaux intelligents [FMXY12]) . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Projets de recherche des SG dans le monde [SGI15] . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1 Standards et technologies de communication des Smart Grids [MJR15] . . . . 20 2.2 Standards des Smart Grids [è15b] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1 Métriques de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2 Caractéristiques de la machine de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 ix
  10. 10. x
  11. 11. Introduction générale De nos jours l’usage de l’électricité est devenu indispensable aux individus comme pour les usines. A cause du développement technologique cet usage est de plus en plus croissant. Cette source d’énergie est produite à la demande, lorsque cette demande dépasse les capacités des centrales de production tout le système se bloque. Les Smart Grids sont apparus afin de régler plusieurs problèmes des réseaux classique tel que l’intégration des énergies de production par sources renouvelables , ou bien l’automatisation des tâches pour réduire l’interaction de l’être humain avec le réseau. De plus, les Smart Grids apportent tout un nouveau système de communication qui fonctionne à côté de l’ancienne infrastructure pour l’optimiser. Ce système de communi- cation est composé de plusieurs technologies, qui échangent différents types de données dans l’objectif de rendre le réseau électrique entièrement pilotable. Comme tout système reposant sur les communications, plusieurs types de messages sont échangés à travers ce réseau. L’acheminement de l’information dans un tel réseau ne peut être assuré que grâce à un protocole de routage. Dans ce cadre, plusieurs groupes de recherche ont développé ou adapté des protocoles de routage pour les Smart Grids. La majorité des protocoles adaptés sont développés ini- tialement pour les réseaux de capteurs. Leurs performances sont différentes et dépendent essentiellement des approches utilisées. Ce mémoire représente une introduction aux protocoles de routage dans les réseaux électriques intelligents appelés Smart Grids. Il est structuré de la maniéré suivante : Le 1er chapitre représente une description du smart grid, ses objectifs ainsi que les architectures du smart grid. En outre, le chapitre recense plusieurs projets de recherche lancés à travers le monde. Le chapitre 2 contient deux parties : la première se porte sur l’infrastructure et les tech- nologies de communication utilisées, et la deuxième partie une présentation de plusieurs protocoles de routage de smart grids. Le dernier chapitre représente une évaluation de l’un des protocoles adaptés au contexte du smart grid qui RPL (Routing Protocol for Low power and lossy networks). Les résultats obtenus sont discutés suivant les scénarios et la topologie choisis. 1
  12. 12. Introduction générale 2
  13. 13. 1Généralités sur les Smart Grids Dans ce chapitre nous allons essayer de présenter les Smart Grids, en commençant par définir ce nouveau type de réseaux et ses objectifs, puis nous allons décrire l’archi- tecture du Smart Grid et les systèmes qui le composent ainsi que les projets de recherche actifs dans ce domaine. 3
  14. 14. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids 1.1 Introduction En 2007 l’organisation NIST (National Institute of Standards and Technology) propose de créer une nouvelle branche de recherche « Framework » pour les réseaux d’électricité intelligents ; ainsi fut la naissance du Smart Grid. [FMXY12]. Ce nouveau type de réseau est une evolution des systèmes de transfert de données de consommation (AMI- Advanced Metering Infrastructure) qui représente l’Ensemble de compteurs intelligents permettant de communiquer des données de consommation et de prix en temps réel. 1.2 Définitions du Smart Grid Smart Grid est composée de deux termes : (i) grid désignant le réseau de distribution d’électricité (power grid), et (ii) smart met l’accent sur « l’intelligence » apportée par l’informatique au réseau de distribution d’électricité. D’autres expressions sont aussi employées en anglais comme smart electric grid, smart power grid, intelligent grid, IntelliGrid, future grid ou SuperSmart Grid. La diversité des expressions permet de conclure qu’il y a aussi une diversité dans les définitions. Voici quelques définitions du Smart Grid : – Définition 1 : Les Smart Grids font référence aux réseaux de distribution d’électricité ayant recours à des solutions informatiques complexes pour optimiser les interactions entre l’offre et la demande d’électricité» [è15a] – Définition 2 : «Les Smart Grids associent les technologies de l’information et de la communication (TIC) aux réseaux de distribution. Les systèmes communiquant, l’intégration des énergies renouvelables ainsi que l’intelligence embarquée doivent permettre un meilleur ajustement entre production et consommation d’électricité » [Monereau, 2011] – Définition 3 : « Le Smart Grid est une des dénominations d’un réseau de distribution d’électricité « intelligent » qui utilise des technologies informatiques de manière à optimiser la production, la distribution, la consommation, et qui a pour objectif d’op- timiser l’ensemble des mailles du réseau d’électricité qui va de tous les producteurs à tous les consommateurs afin d’améliorer l’efficacité énergétique de l’ensemble.» En français, Il n’existe pas vraiment une traduction officielle et unique de l’expression anglaise Smart Grid. Le Grand Dictionnaire Terminologique (GDT) propose la traduction « réseau de distribution d’électricité intelligent », Certains utilisent plus simplement « réseau électrique intelligent », c’est en particulier cette expression qui a été retenue dans le vocabulaire de l’énergie. 4
  15. 15. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids 1.3 Objectifs des Smart Grids Les principaux objectifs de la mise en oeuvre des Smart Grids sont : – Renforcer la sûreté du réseau de transport et de distribution électrique par l’inté- gration des mécanismes permettant d’éviter ou de modérer les conséquences des incidents sur le réseau électrique. – Assurer une meilleure distribution de l’électricité. – Avoir une connaissance en temps réel sur l’état du réseau (surtension, panne, sous- tension, etc.). – Optimiser le rapport demande/prix de l’électricité, et ainsi éviter les pics de consom- mation d’électricité, très coûteux et très polluants – Décentralisation de la production électrique, Faciliter l’installation de sources de pro- duction d’électricité décentralisées chez le client final (photovoltaïque, éolien, batterie du véhicule électrique) par la pose de compteurs d’électricité intelligents enregistrant les flux d’électricité dans les deux sens. – Stocker l’énergie dans le réseau. – Contrôle à distance. – Automatisation de différentes tâches (collecte de données, réparation de pannes, maintenance, etc.). – Intégration des sources de production par énergies renouvelables intermittentes (éo- lien, photovoltaïque). – Diminuer les pertes sur le réseau de transport et de distribution d’électricité en opti- misant les flux d’électricité – Réduire l’effet de serre, en diminuant la consommation des énergies polluantes (pé- trole, gaz naturel, nucléaire) dans la production de l’électricité. 1.4 Caractéristiques des Smart Grids – Circulation bidirectionnel de l’électricité. – Production décentralisée de l’électricité. – Réseau hybride, à cause de la diversité des sous-réseaux qui lui composent (WSN, WPAN, etc.). – Capable de stocker de l’énergie électrique En connaissant les objectifs et les caractéristiques du SG, on peut faire une comparaison entre ces deux réseaux. Le tableau 1.1 en résume les principales différences. Réseau classique Smart Grid Production centralisée Production distribuée Peu de capteurs Beaucoup de capteurs Surveillance assistée Auto- surveillance Dépannage manuel Auto-dépannage Gestion de l’équilibre du système électrique par le taux offre / pro- duction Gestion de l’équilibre du système électrique par la demande/consommation Communicant sur une partie du ré- seau Communicant sur l’ensemble du réseau Contrôle limité Plus de contrôle Table 1.1 – Réseaux classiques VS Réseaux intelligents [FMXY12]) 5
  16. 16. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids 1.5 Architecture et Systèmes des SG Le Smart Grid est composé essentiellement de trois systèmes intelligents : le système de gestion, le système d’infrastructure et le système de protection [Voir figure 1.1]. Figure 1.1 – Classification des systèmes des Smart Grids 1.5.1 Système de gestion intelligent Ce système a plusieurs objectifs à savoir : – L’optimisation de la production d’électricité tout en assurant un excellent rapport demande/production. [BBM+10] – - Optimisation des coûts.[SMRS+10] – Stabilisation des prix.[RDM10] – Contrôle d’émissions. [BBM+10] – Minimisation de la perte d’énergie dans le réseau de transport. Pour atteindre ces objectifs, pratiquement toutes les techniques d’optimisation sont uti- lisées tel que la programmation convexe [SHMV11], la programmation dynamique [KS10], la programmation stochastique [Liu10], la programmation robuste [CMB10], L’optimisa- tion par essaims particulaires [HVC08], la théorie des jeux (game theory), et les méthodes d’apprentissage [FYX11]. 1.5.2 Système d’infrastructure intelligent Ce système s’intéresse aux différentes technologies de production, de distribution, de transport et communication et aux mécanismes de gestion de l’information des réseaux intelligents. Il est essentiellement composé de trois sous-systèmes : 1.5.2.1 Sous-système d’énergie intelligent C’est l’ensemble d’infrastructures énergétiques (centrales de production, lignes élec- triques, postes transformateurs, compteurs, etc ), assurant l’acheminement bidirectionnel de l’électricité à partir des centrales de production vers les consommateurs, et entre les consommateurs du même quartier [DGBB14]. 6
  17. 17. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids L’infrastructure électrique du SG contient quatre composants. La figure suivante représente la structure de l’infrastructure électrique du SG [Voir Figure 1.2]. Figure 1.2 – Structure de l’infrastructure électrique du Smart Grid 1. Production : La phase de production représente la première étape dans le processus de l’alimentation en électricité. c’est le processus de production d’énergie électrique à partir de différentes sources (combustion chimique, fission nucléaire, l’eau, le vent, le soleil et géothermique) (voir figure 1.3). Figure 1.3 – Production mondiale de l’électricité classée par source -2012-[ The shift Project data portal ] En plus la communication de données avec les différents domaines, le domaine de production maintient une liaison électrique avec celui de la transmission (voir figure 1.4) 7
  18. 18. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids Figure 1.4 – Domaine de production électrique 2. Transport et Distribution : Cette phase consiste à acheminer l’électricité vers le consommateur. Un réseau de transport achemine l’énergie électrique en Haute ten- sion (HT) aux transformateurs aériens desservant les clients. Un réseau de distribu- tion achemine l’énergie électrique en Moyenne tension (MT) vers les usines et les grands ateliers, et en basse tension (BT) pour la consommation domestique . 3. Transmission :C’est l’ensemble de stations électriques, lignes électriques, et points de stockage. Il est responsable du transfert de l’énergie électrique en moyenne tension depuis les points de production vers le domaine de distribution [voir Figure1.5]. Figure 1.5 – Domaine de transmission 8
  19. 19. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids 4. Distribution :Ce domaine est responsable d’une part du transfert de l’électricité en base et moyenne tension depuis le domaine de transmission vers les consommateurs, d’autre part du transfert des données sur la qualité des liens et des données de consommation entre les autres domaines [voir Figure1.6]. Figure 1.6 – Domaine de distribution 5. Consommation :L’énergie électrique est utilisée dans la consommation domestique comme dans la consommation industrielle pour trois usages principaux [DGBB14] : – Energie thermique (chauffage) – Energie Lumineuse (éclairage) – Energie mécanique (moteurs)[DGBB14] La figure suivante représente l’infrastructure électrique du SG . Figure 1.7 – Domaine des consommateurs 9
  20. 20. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids Les clients peuvent appartenir à plusieurs types de sous réseaux tels que le (HAN : home area network, BAN : building area network, IAN : industry area network, VA- NET : vehicular ad hoc network), Ces sous réseaux sont interconnectés via des techno- logies de communication différentes. Les acteurs de chaque sous-réseau sont capables d’acquérir ou de réinjecter à tout moment de l’énergie électrique dans le réseau [voir Figure 1.7]. 1.5.2.2 Sous-système d’informations intelligent Ce sous-système a pour but : la collecte, l’analyse, l’intégration, l’optimisation, et la modélisation des données de consommation envoyées par les compteurs intelligents, ou des données sur l’état du réseau envoyées par les capteurs. L’élément clé de sous-système et du Smart Grid est le compteur intelligent. Pour cela, on a choisi de le présenter ici de façon détaillée : – Le compteur intelligent : Le compteur intelligent ou compteur communicant [Voir Figure 1.8] est le dispositif le plus important dans le Smart Grid. Il permet d’assurer plusieurs tâches telles que : – Le contrôle à distance. – L’envoi des diagnostics périodiques et les messages d’alerte au fournisseur d’élec- tricité en cas de défaillance. – L’analyse des données (consommation, offres d’électricité proposés, etc.). – Communication entre les dispositifs à l’intérieur de la maison intelligente. [YQST13]. Figure 1.8 – Compteurs intelligents – Architecture d’un compteur intelligent Un compteur intelligent est composé essen- tiellement de plusieurs modules (unité de contrôle, interfaces de communication, une batterie etc.). La figure 1.9 représente l’architecture générale d’un compteur intelligent [STM] 10
  21. 21. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids Figure 1.9 – Schéma synoptique d’un compteur intelligent [STM] 1.5.2.3 Sous-système de communication Intelligent C’est l’ensemble de dispositifs filaires (Fibre optique, PLC) et sans fils (wifi, zigbee, wimax, etc.), assurant la communication ainsi que transmission des informations entre les utilisateurs du réseau d’une part, et entre les utilisateurs et le centre de pilotage d’autre part (voir figure 1.10). Figure 1.10 – Infrastructure de communications du Smart Grid Les données transmises à travers ce sous-système varient selon leur nature et leur temps d’envoi, exemples : – Consommation horaire d’électricité et factures. – Prix (tarif) d’électricité. 11
  22. 22. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids – Données collectées par les capteurs sur l’état du réseau (périodiques). – Messages d’alertes. – Instructions pour le contrôle à distance. [SGt] 1.5.3 Système de protection intelligent L’utilisation des technologies de l’information modernes expose potentiellement les réseaux électriques intelligents aux menaces modernes ciblant les systèmes d’information. Les systèmes d’information des autres secteurs d’activité ont déjà pu faire l’objet de cas de vols de données personnelles, de perturbation des systèmes, d’attaques de types dénis de services, etc. De nombreux systèmes industriels n’étaient pas préparés à faire face à ces menaces. L’exemple de la cyber-attaque Stuxnet en 2010, ayant mené à la prise du contrôle des automates industriels dans le but de modifier les paramètres de fonctionnement des ins- tallations industrielles en accélérant leur vitesse de rotation ; cette attaque est encore dans la mémoire des industriels. Les Smart Grids deviennent ainsi potentiellement la cible de ces menaces. Si les réseaux électriques ont recours depuis longtemps à des systèmes d’information et de communication électroniques pour transmettre les données nécessaires à la gestion de la production, du transport et de la distribution d’énergie, les systèmes d’information dédiés aux réseaux électriques utilisent des systèmes spécifiques à ces réseaux industriels et sont encore pour la majorité, dédiés et fermés : l’intégration des réseaux intelligents de communication et d’échanges de données, qui s’appuient sur des technologies telles qu’Internet Protocol (IP) ou le « Cloud Computing », augmente le niveau de risque. [Lac15] Ainsi le système de protection intelligent du Smart Grid intervient pour sécuriser les données (de consommations et de contrôle) d’une part, et de protéger l’infrastructure en développant des mécanismes de détection, d’identification et d’autoréparation des pannes, et les solutions pour la restauration des données en cas de perte d’autre part. 1.6 Smart Grid : scénario de fonctionnement : Le scénario suivant permet d’illustrer et de mieux comprendre toutes les phases néces- saires pour qu’un client consomme à la demande de l’électricité (voir figure 1.11). 1. Le consommateur se connecte au marché de l’électricité à travers une interface (web, application androïde, SMS, etc.) proposé par le prestataire de services. 2. Une phase d’authentification de l’utilisateur est obligatoire. 3. L’application vérifie l’existence du client dans la base de données. 4. Des offres d’électricité s’affichent chez le consommateur pour qu’il puisse effectuer un choix. 5. Dans le cas où le consommateur décide d’acheter de l’électricité de chez son pres- tataire de services, la demande sera instantanément envoyée vers les centrales de production. 12
  23. 23. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids 6. Dans le cas où le consommateur décide d’acheter de l’électricité de chez l’un de ces voisins vendeurs, la demande sera envoyée vers le réseau de distribution, indiquant la quantité à acheter et l’heure de l’achat. [PD11] Figure 1.11 – Exemple de fonctionnement du Smart Grid 1.7 Projets et thèmes de recherche Pour voir l’intérêt apporté par la communauté de recherche, par les industriels par les états, nous avons choisi de présenter quelques projets de recherche dans le cadre des Smart Grids à travers le monde. 13
  24. 24. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids N Nom du projet Organisation Pays Date Thèmes de recherches 1 AEP Ohio (grid- SMARTSM Demonstration Project) AEP Ohio USA 2011- 2014 -Optimisation de la consom- mation d’électricité -Optimisation de la distribu- tion d’électricité 2 44 Tech Inc. Smart Grid Storage Demons- tration Project 44 Tech Inc USA Depuis 2010 -Stockage de l’électricité 3 B.R.I.S.T.O.L Université de BRIS- TOL UK 2011- 2015 - Intégration des DRE - Agrégation des données 4 C-DAX C-DAX BE, CH, DE, FR, NL, SE, UK 2012- 2015 -Système de gestion intelli- gent - Intégration des DRE 5 CHPCOM CHPCOM DK 2013- 2016 - Système de gestion intelli- gent - Intégration des DRE - Agrégation des données - Autres 6 Black Hills Po- wer, Inc. Smart Grid Project Black Hills Power, Inc USA Depuis 2010 -Compteurs intelligents -Système de communication AMI 7 DISCERN DISCERN DE, ES, NL, SE, UK 2013- 2016 - Intégration of large scale RES - Système de gestion in- telligent - Agrégation des données - Maison intelligente -Consommation intelligente 8 PEGASE PEGASE BA, BE, DE, ES, FR, HR, LT, LV, NL, PT, RO, RU, TR, UK 2008- 2012 - Système de gestion intelli- gent 9 Smart Power Sys- tem .. NL 2006- 2007 - Agrégation des données 10 Smart Grid / Université de Georgia Université de Georgia USA 2010- 2015 -(integrating software emula- tor with hardware testbed). Table 1.2 – Projets de recherche des SG dans le monde [SGI15] 1.8 Conclusion Nous avons présenté dans le chapitre précèdent les concepts générales des Smart Grids, nous avons vu que le réseau traditionnelles doit être équipé de technologies de commu- nications pour être intelligent. Dans le chapitre suivant nous allons mettre l’accent sur la partie communications du réseau intelligent. 14
  25. 25. 2Smart Grids -partie communications Sommaire 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Définitions du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Objectifs des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Caractéristiques des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Architecture et Systèmes des SG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.1 Système de gestion intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.2 Système d’infrastructure intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.2.1 Sous-système d’énergie intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.2.2 Sous-système d’informations intelligent . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5.2.3 Sous-système de communication Intelligent . . . . . . . . . . . . . 11 1.5.3 Système de protection intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.6 Smart Grid : scénario de fonctionnement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.7 Projets et thèmes de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Le but de ce chapitre est de présenter d’une manière détaillée le réseau de communi- cations du Smart Grid, ainsi que les standards et les technologies de communications utilisés. Par la suite, nous étudions quelques protocoles de routage de données utilisés dans les SG. 15
  26. 26. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications 2.1 Introduction Pour communiquer, échanger des données ou envoyer des commandes, les équipe- ments et les appareils technologiques, qui compose le réseau Smart Grid, plusieurs types technologies de communication (filaires et sans fils) sont utilisés. Grâce à ces technologies de communication, l’achat et la vente de l’électricité, l’équi- librage des charges ainsi que l’acheminement des données de consommation depuis les compteurs des bénéficiaires vers le prestataire de services sont assurés. 2.2 Les réseaux de communication du Smart Grids Le réseau de communications du smart grid peut être décomposé en plusieurs sous- réseaux. Chacun de ces derniers possède des caractéristiques différentes des autres tels que la portée et les technologies de communications utilisées. Ce réseau a des caractéristiques spécifiques : 1. Est un réseau hétérogène du point de vue composant (capteurs, compteur, compteur intelligent,ect ) 2. Est un réseau souvent à l’échelle d’un pays ou d’une ville. 3. Est un réseau hiérarchique (voir figure 2.1) situé au niveau d’une maison, un quartier, une villeetc. Figure 2.1 – Architecture hiérarchique du Smart Grid 16
  27. 27. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications 2.3 Types des réseaux de communication dans les SG 2.3.1 HAN (Home Area Network) C’est le sous réseau à l’intérieur d’une maison dite intelligente[voir figure 2.2], reliant plusieurs dispositifs sur la même interface, cela veut dire qu’il permet une commu- nication entre différents types de sous réseaux (PAN : personale area network , Lan : local area network, Wlan : wirless local area network, réseaux de capteurs, .etc). Chaque maison intelligente est identifiée par son compteur communiquant qui assure l’acheminement des messages et joue le rôle d’une passerelle [HI10] (Huq, 2010, Decembe). Figure 2.2 – Home Area network (HAN) 2.3.2 NAN (Neighborhood Area Network) (sous- réseau au niveau d’un quartier) c’est le sous-réseau le plus important du smart grid, car il assure la communication et le contrôle dans une région de grande surface (P. Chatzimisios et al., 2012). Le NAN utilise différentes technologies de communications tel que (BPLS, WSNs, WMNs,..etc.) [YZG+11] . 2.3.3 BAN (Building Area Network) C’est un sous réseau situé au niveau d’un bâtiment permettant aux différents consommateurs de communiquer entre eux à travers un relai. Le BAN peut être vu comme étant un réseau NAN situé sur une petite zone [MMC14] , (voir figure 2.3). 2.3.4 IAN (Industry Area Network) Sous-réseau du Smart Grid situé au niveau des usines (similaire au BANs). 2.3.5 WAN (Wide Area Network) c’est un réseau couvrant une grande zone géographique à l’échelle d’un pays ou d’un continent. Dans les réseaux électriques intelligents un WAN relie plusieurs NAN et assure l’échange des données avec le centre de contrôle. [MMC14] 17
  28. 28. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications Figure 2.3 – Architecture hiérarchique du Smart Grid 2.4 Technologies et standards de communications Le réseau de communications du smart grid est un réseau maillé, étendu qui comporte une variété de technologies de communications. Ces technologies sont soit déjà existantes ou développées spécialement pour répondre aux besoins du smart grid[MJR15]. Dans chaque sous réseaux, on trouve des technologies différentes : 2.4.1 Technologies pour les réseaux HAN Zigbee :le standard 802.15.4 repesentant le zigbee est conçu principalement pour les ré- seaux PAN (Personal Area Network), c’est une solution efficace à base consommation d’énergie. Cette technologie peut être utilisée pour le contrôle à distance, l’automati- sation et l’envoi des messages dans les maisons et les bâtiments intelligents. WIFI : C’est une technologie sans fil basée sur le standard 802.11 6LoWPAN : est l’acronyme d’IPv6 Low power Wireless Personal Area Networks qui est Conçu pour les périphériques à communication sans fils consommant peu d’énergie électrique telle que les capteurs, et offre la possibilité de faire fonctionner le zigbee avec l’IPV6.[MJR15] Z-Wave : Ce standard est utilisé de manière exclusive pour le contrôle à distance. Il est utilisé dans les réseaux maillés ce qui offre la possibilité de transférer les données vers n’importe quel noeud du réseau. 2.4.2 Technologies pour les NAN et les WAN Wimax : Le standard IEEE 802.16 (wimax) est utilisé pour : – Le transfert des données de consommation sans fil WAMR (Wirless Automatic Rea- ding). – RTP (Real Time Pricing), pour le transfert des tarifs en temps réel aux consomma- teurs. – Détection et réparation automatique des pannes. – Surveillance, grâce aux données collectées par les capteurs. 18
  29. 29. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications Réseaux cellulaires : Les réseaux cellulaires peuvent être utilisés dans les smart grids pour les raisons suivantes : – Offre une couverture pour les grandes zones WAN pour le transfert des données des applications telles que l’ADR ( Automated Demand Response ) et l’AMI (Ad- vanced Metering Infrastructure) . – Assurer la communication entre les utilisateurs et le centre de pilotage. – Assurer la supervision en utilisant le service SMS en cas de mal fonctionnement.[MJR15] PLC : PowerLine Communications est une technologie de communication filaire utili- sée dans les Smart Grids pour transférer des données numériques à travers les câbles d’électricité. C’est la seule technologie qui ne nécessite aucune installation car les câbles électriques existent déjà, ce qui rend cette solution la plus économique. [FMXY12] . Le [Tableau 2.1] représente les différentes technologies utilisées dans les réseaux électriques intelligents. 19
  30. 30. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications TechnologieZigbeeWIFI6LoWPANZ-WaveWimax2GGSM 2.5G GPRS UMTS CDMA EDGE 4G LTE PLCEthernet Standard IEEE 802.11.4 IEEE 802.11 IETFRFC 4944 Privé IEEE 802.16 ParETSI Par ETSI ParETSI Par ETSI IEC 61131 IEEE802.3 Distance max 10-75m 100 m Plusde 200m 30-100 m 50Km10Km10Km10Km10Km—— Type SF:sans filF:filaire SFSFSFSFSFSFSFSFSFFF Taillemax dedonnées 40-250 kbps 11 Mbps 54 Mbps 600 Mbps 1,3 Gbps (20/40/250) Kbps 40Kbps72Mbps14Kbps 171 Kbps Plusde 2Mbps 300 Mbps -3.3 Gbps —— RégionsHANHANHANHANNANNANNANNANWAN HAN NAN WAN HAN NAN WAN Table2.1–StandardsettechnologiesdecommunicationdesSmartGrids[MJR15] 20
  31. 31. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications 2.4.3 Standards des Smart Grids le [Tableau 2.2] représente les standards développés pour les réseaux de distri- bution d’électricité intelligent et leur domaine d’application. Standard Application AMI-SEC system Security require- ments Sécurité du Système de collecte de données de consommation AMI (Advanced Metering infrastruc- ture) ANSI C12.19 / MC1219 Modèle de gestion d’informations de consommation BACnet ANSI ASHRAE 135-2008 / ISO 16484-5 Automatisation des bâtiments IEC 60870-6 / TASE.2 Communications entre les centres de pilotage IEC 61850 Automatisation de la production électrique IEC 61968 / 61970 Interfaces de gestion (couche appli- cation) IEC 62351 parts 1-8 Sécurité du réseau électrique IEEE C37.118 Communications PMU (Phasor Measurement Unit) IEEE 1547 - Production distribuée de l’électri- cité - Interconnexions physiques et électriques IEEE 1686-2007 Sécurité des dispositifs électro- niques intelligents (IEDs). NERC CIP 002-009 Sécurité pour les systèmes de pro- duction d’électricité contre les at- taques informatiques NIST Special publication (SP) 800- 53, NIST SP 800 - 82 Sécurité des systèmes d’informa- tions du réseau intelligent Open automated demand response (Open ADR) Gestion des prix, des offres et des demandes OPEN-Han Communication et contrôle des dispositifs des maisons intelli- gentes Table 2.2 – Standards des Smart Grids [è15b] 21
  32. 32. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications Le Routage de doonées dans les Smart Grids Le routage de données dans les réseaux de distribution d’électricité intelligents consiste à assurer l’échange de données entre les différents domaines du réseau en choisis- sant les chenins optimaux. 2.5 Protocoles de routage pour le réseau de communications des Smart Grids Il existe plusieurs types de protocoles développés spécialement pour le réseau de communications des smart grids. La majorité des protocoles de routage sont de type proactif, ils font une découverte de route avant de transférer les données. Ces protocoles utilisent souvent des adresses IPV6. Dans la section suivante, nous avons choisi de présen- ter quelques protocoles de routage conçus ou adaptés pour les smart grids. 2.5.1 RPL (Routing Protocole for Low power and lossy networs -LLNS-) C’est un protocole de routage développé par le groupe IETF (Internet Engeneering Task Force). L’idée principale de ce protocole est d’avoir une connaissance instantanée sur l’état du réseau grâce aux graphes DODAG (Destination Oriented Dynamic Acyclic Graph [ABC13] [WTZA10]). Le DODAG est un graphe possédant une seule destination qui est le noeud racine du réseau. Le graphe est construit en utilisant une fonction objective qui aide à optimiser la métrique utilisée dans le choix des routes. A la construction de ce graphe, des mécanismes d’évitement de boucle sont utilisés afin de produire un graphe orienté sans cycle. Pour le même réseau, on pourrait avoir plusieurs DODAG de sorte que chaque DODAG possède sa propre fonction objective, à condition que tous les noeuds du même réseau exécutent la même fonction objective. Par exemple, pour le même réseau, le DODAG N°1 exécute la fonction F1 qui prend comme métrique l’énergie de chaque noeud, tant que le DODAG N°2 exécute la fonction F2 qui choisit les routes selon la qualité des liens entre les noeuds. Pour le bon fonctionnement du protocole RPL, chaque noeud contient la base des in- formations suivantes : – Un ID du noeud : cet id est unique, on peut utiliser l’adresse IP du noeud par exemple. – Un rang (R) : le rang est une valeur calculée à l’aide d’une fonction OCP ( Objective Code Point ), R(i)=R(p(i)) .X (i,p(i))+1.0 , où le R(i) est le rang du noeud i, le p (i ) est le père par défaut de i , le X( i , j ) est la valeur ETX sur la qualité du lien entre le noeud i et le noeud j. . (L’ETX est une valeur concernant la qualité des liens entre les noeuds. Elle est calculée à l’aide des rapports périodiques envoyés depuis la couche mac vers la couche réseau sur le nombre des messages envoyés par rapport au nombre d’ACKs reçus) – Liste des prédécesseurs (ID noeud père, Rang du noeud père , ETX ). – Père par défaut . – Liste des destinataires (ID noeud père, ID Saut précèdent, ETX ) 2.5.1.1 Messages du protocole RPL : Le protocole RPL comporte quatre types de messages de contrôle utilisés dans la phase de découverte de route. Ces messages sont : 22
  33. 33. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications 1. DIO : DODAG Information Object (DODAGID, IDRoot, Rang du root, infos sur OCF) : envoyé de manière périodique depuis le noeud racine vers tous ces noeuds voisins. 2. DAO : Destination Advertisment Object (ID, Rang, IDs route infos), Le DAO est un message envoyé par les noeuds esclaves (compteurs intelligents ou capteurs) au noeud racine afin de repondre au message DIO. 3. DIS : DODAG Information Sollicitation, c’est un message de sollicitation envoyé par les noeuds non voisins du noeud racine qui n’ont reçu aucun message DIO vers l’un des voisins du noeud racine. Le noeud voisin se charge du transfert des messages DIO et DAO du et vers le noeud racine. 4. DAO-ACK.Est un acquittement du message DIO envoyé par les récepteurs. 2.5.1.2 Fonctionnement du protocole RPL : Dans la phase de découverte de route, le noeud racine initie la communication en dif- fusant un message DIO vers tous les noeuds dans son voisinage [ABC13] [WTZA10] . Par la suite, et pour se mettre à jour en connaissant les changements, le noeud racine envoie périodiquement des messages DIO. A la réception du message DIO par un noeud x : Si c’est la première réception : – Mettre à jour la liste des parents. – Mettre à jour le père par défaut. – Calculer son rang. – Envoyer un message DAO (Destination advertisment) au noeud racine. – Transférer le message DIO à ses voisins. Sinon – Comparer la valeur du rang du noeud père par défaut avec la valeur déjà enregistrée – Si le noeud reçoit le message d’un noeud diffèrent du noeud père par défaut, il compare la nouvelle valeur du rang avec celle su père par défaut si elle est inférieure il ajouter le noeud à la liste des pères et remplace le père par défaut. Le noeud racine diffuse périodiquement des messages DIO . Algorithme 1 : Diffuser DIO (RPL) while I ≤ DIO − MAX do Diffuser (DIO); I ← I ∗ 2 end 23
  34. 34. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications A la réception du message DIO par un noeud x : Algorithme 2 : 1ere réception de DIO (RPL) if 1errceptiondeDIO then EnregistrerDIOsenderdanslalistepre(i) ; Calculerrang(i); Envoyer(DAO)auRacine; di f f user(DIO); MettrejourPERE − PAR − DEFAUT(i); else if DIO(rang) ≤ PERE − PAR − DEFAUT(rang) then MettrejourPERE − PAR − DEFAUT(i); else end end 2.5.1.3 Limites du protocole RPL L’adaptation du protocole RPL au réseau de distribution d’électricité intelligent est bénéfique malgré les problèmes de surcharge du noeud racine du réseau. Donc, le noeud racine est le point névralgique du réseau via lequel tous les paquets passent. 2.5.2 DADR : Distributed Autonomous Depth-first Routing c’est une nouvelle méthode de routage de données basée sur le vecteur à distances. Ce protocole est développé, au premier lieu, pour les réseaux maillés qui utilise les technolo- gies suivantes [IYY+10] : – IEEE 802.11 (WLAN) – IEEE 802.15.4 (Zigbee) – IEEE 802.3 (Ethernet) 2.5.2.1 Fonctionnement du DADR : le noeud désirant envoyer des données doit effectuer tout d’abord une découverte de route. Cette découverte se fait à l’aide d’un message (RA : Route Announcment), contenant l’identificateur de l’expéditeur et celui du récepteur ainsi qu’une valeur unique ID [voir figure 2.4]. Ce message est envoyé par le noeud source vers un et un seul voisin depuis sa table de routage. [IYY+10] A la réception du message, un noeud intermédiaire transfère le message après avoir effectué les tâches suivantes : 1. Vérifier si ce message n’a pas était reçu afin de le transférer vers l’un de ces voisins, cela s’effectue grâce à l’identificateur du message RA. Algorithme 3 : Détection de boucle (DADR) if RA(ID) ∃ dans FID then Poid(i) ← ∞; else end 24
  35. 35. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications 2. Si la valeur des poids de tous les noeuds dans la table de routage d’un noeud égale l’infini, il va falloir faire un retour en arrière (Backtraking) afin de choisir un autre chemin. Algorithme 4 : Retour sur trace -backtracking- (DADR) if ∀Tableroutage(i) = ∞ then Envoyer(RA(pre − FID));; else end 3. Si le message est bien reçu, le récepteur envoie un acquittement en utilisant sa table FID pour suivre le même chemin du message bien reçu. Algorithme 5 : Envoi ACK- (DADR) if ID − destinataire = ID − noeud then Envoyer − ACK(ID − source);; else end Figure 2.4 – Fonctionnement du DADR [IYY+10] 2.5.2.2 Limites du protocole DADR : Malgré les apports positives du DADR relativement au nombre de messages il cause plusieurs problèmes. Le problème majeur est la scalabilité, puisque les requêtes de décou- verte de route vont s’inonder à l’infini si on n’utilise pas un TTL (Time To Live). En plus, plusieurs problèmes de cohérence vont se posés lors de la détection multiple des cycles et cela aussi affecte considérablement le délai. 25
  36. 36. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications 2.5.3 Hydro (Hybrid Routing Protocol for LLNs) : Hybrid Routing Protocol for LLNs : Le principe de ce protocole est très simple car il est basé sur l’envoi des tables de routage avec les messages périodiques (HELLO messages). [DHTC10] 2.5.3.1 Les informations stockées dans les tables de routages sont : – Le voisin par défaut – Le coût – Le nombre de sautes – La qualité du lien entre deux noeuds voisins 2.5.3.2 Limites du protocole HYDRO La taille des listes des voisins ajoutées aux messages périodiques est clairement un pro- blème qui affecte négativement la bande passante, le délai d’attente et l’espace de stockage et par conséquence la scalabilité du réseau. 2.5.4 N-gateway : C’est un protocole hybride développé essentiellement pour les réseaux maillés [Voir Figure 2.5]. Il assure la construction d’arbres au niveau des compteurs communicants (feuilles) afin de choisir les chemins optimaux Hypothèses du protocole N-gateway 2.5.4.1 Acteurs : – SN (Slave Node) noeud esclave : un terminal. – MSAP (Mesh-Station with Access Point) : un compteur intelligent – MRS (Mesh-Relay Station) : un relai – MGS (Mesh-Gateway Station) – DAP (Data Agregation Point) 2.5.4.2 Les informations stockées au niveau de chaque noeud(MSAP) : – Adresses macs des périphériques – ID MSAP – Routes possibles – Route par défaut – Voisin par défaut 2.5.4.3 Fonctionnement du protocole : le MGS initie la communication en envoyant un message RA Route Announce- ment. Ce message contient : – l’ID du noeud racine – des informations sur le chemin du message – des informations sur la qualité des liens entre les noeuds du réseau. À la réception du message RA, chaque noeud MSAP construit un arbre pour le chemin du message et choisit par la suite le chemin qui lui convient (par exemple le chemin le plus court ou bien le chemin le plus fiable) et envoie un message PREQ (Path Request) au MGS 26
  37. 37. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications via ce chemin. Le MGS répond par un message PREP (Path replay) et enregistre le chemin et l’id du noeud. [GH11] 2.5.4.4 Limites du protocole N-gateway : Généralement le choix entre la distance et la qualité d’un lien est très dépendant de l’application et des données échangées. Les auteurs de ce protocole ont laissé ouvert ce problème tout en gardant les informations nécessaires au deux cas. En plus, ce protocole utilise des entêtes de grande taille et un nombre élevé des messages de contrôle Figure 2.5 – Réseau avec N-gateway 27
  38. 38. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications 2.6 Conclusion Ce chapitre représente une description de la partie communication du réseau de distri- bution d’électricité intelligent avec une représentation des technologies de communications et des protocoles de routages utilisés. Nous allons dans le chapitre suivant étudier les per- formances du protocole RPL dans les smart grids. 28
  39. 39. 3Performances du protocole RPL Sommaire 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Les réseaux de communication du Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Types des réseaux de communication dans les SG . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 HAN (Home Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 NAN (Neighborhood Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 BAN (Building Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.4 IAN (Industry Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.5 WAN (Wide Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4 Technologies et standards de communications . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.1 Technologies pour les réseaux HAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.2 Technologies pour les NAN et les WAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.3 Standards des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5 Protocoles de routage pour le réseau de communications des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.5.1 RPL (Routing Protocole for Low power and lossy networs -LLNS-) . . . . . . 22 2.5.1.1 Messages du protocole RPL : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.5.1.2 Fonctionnement du protocole RPL : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5.1.3 Limites du protocole RPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2 DADR : Distributed Autonomous Depth-first Routing . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2.1 Fonctionnement du DADR : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2.2 Limites du protocole DADR : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.3 Hydro (Hybrid Routing Protocol for LLNs) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.3.1 Les informations stockées dans les tables de routages sont : . . . . 26 2.5.3.2 Limites du protocole HYDRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4 N-gateway : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4.1 Acteurs : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4.2 Les informations stockées au niveau de chaque noeud(MSAP) : . 26 2.5.4.3 Fonctionnement du protocole : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.4.4 Limites du protocole N-gateway : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 La partie suivante représente une étude de performance du protocole RPL. Elle a été réalisée grâce au simulateur COOJA [voire annexe]du système d’exploitation CONTIKI [voire annexe]. 29
  40. 40. Chapitre 3. Performances du protocole RPL 3.1 Introduction Le protocole RPL présenté dans le chapitre précèdent est l’un des protocoles standards de communication dans les smart grids. Ce protocole a été largement utilisé dans les réseaux de capteurs WSNs avant d’être adapté aux réseaux de distribution d’électricité intelligents . Cette adaptation implique une modification de quelques métriques pour assurer un meilleur fonctionnement [WTZA10]. 3.2 Outils de la simulation 3.2.1 Contiki C’est un système d’exploitation léger et flexible développés pour les réseaux capteurs. Il est utilisé pour faciliter le développement des applications dédiées à ces capteurs. Contiki a été développé par une équipe du centre suédois de recherche scientifique SICS. Il propose les principales caractéristiques et fonctionnalités d’un système d’exploi- tation tout en favorisant une consommation énergétique et une une utilisation mémoire minimales. Ses principaux atouts sont le support des protocoles IPv6 et 6LoWPAN, sa flexibilité et sa portabilité. Disponible gratuitement sous licence BSD, Contiki peut être utilisé et modifié, même à des fins commerciales. 3.2.1.1 Architecture : Écrit en langage C, Contiki est constitué d’un noyau, de bibliothèques, d’un ordonnanceur et d’un jeu de processus. Comme tout système d’exploitation, son rôle est de gérer les ressources physiques telles que le processeur, la mémoire, les périphériques informatiques (d’entrées/sorties) [voir Figure 3.1]. Il fournit ensuite aux applications informatiques des interfaces permettant d’utiliser ces ressources. Conçu pour les modules de capteurs sans-fil miniatures, il occupe peu d’espace en mémoire et permet une consommation électrique très faible. 30
  41. 41. Chapitre 3. Performances du protocole RPL Figure 3.1 – Architecture du système d’exploitation Contiki 3.2.1.2 Connectivité : Contiki offre deux types de connectivité : – la couche Rime, elle permet un dialogue vers les capteurs voisins ainsi que le routage [Voir figure 3.2]. – la couche uIP, orientée Internet, elle offre les services essentiels du protocole IP mais nécessite plus de ressources que Rime. Contiki gère les standards 6LoWPAN, RPL, CoAP. Le système de fichier Coffee permet des opérations sur des fichiers stockés sur une mémoire flash externe. Contiki offre également des services comme un serveur telnet fournissant un accès similaire à un Shell Unix, un serveur web, une interface graphique fournie par un serveur VNC et d’autres fonctionnalités comme un navigateur web. 3.2.1.3 La simulation : Contiki propose un simulateur de réseau appelé Cooja. Ce simulateur permet l’ému- lation de différents capteurs sur lesquels seront chargés un système d’exploitation et des applications. Cooja permet ensuite de simuler les connexions réseaux et d’interagir avec les capteurs. Cet outil permet aux développeurs de tester les applications à moindre coût. 31
  42. 42. Chapitre 3. Performances du protocole RPL Figure 3.2 – Pile protocolaire de Contiki(Contiki.org) 3.3 Simulation du RPL et résultats : Le tableau 3.1 représente les valeurs des variables du RPL utilisées dans les deux scenarios. Métrique Valeur Nombre de noeuds [20-80] Durée minimum entre deux envois pério- diques de DIOs.(min) 3 Durée maximum entre deux envois pério- diques de DIOs. (min) 16 Portée noeuds (mètres) 25 Nombre de noeuds racines [1-6] Durée de la simulation (min) 5 Bande passante (Mégabit /seconde) 11 Identité du noeud racine 1 Surface (mètres) 200 X 300 Distance max entre deux compteurs intelli- gents (mètres)) 10 Table 3.1 – Métriques de simulation 32
  43. 43. Chapitre 3. Performances du protocole RPL 3.3.0.4 Paramètres et environnement de simulation : La topologie de la région choisie pour faire les simulations est représentée dans la figure 3.3, Les caractéristiques de cette topologie sont représentées dans le tableau 6. Les noeuds de notre réseau sont soit des compteurs intelligents soit des relais ou bien des noeuds racines. Figure 3.3 – Topologie du réseau avec 80 noeuds 3.3.1 Caractéristiques de la machine La machine utilisée dans la simulation du réseau est caractérisée par les para- mètres suivants : Champ Valeur Processeur Pentium(R) dual-core CPU, 2.4GHz RAM 2 Go Disque dur 570 Go Table 3.2 – Caractéristiques de la machine de simulation 3.3.2 Métriques de la simulation Nous avons choisi d’évaluer le protocole RPL en termes de – Overhead : représente la longueur en bit ou en octets des entêtes et des champs ajoutés aux données dans les messages échangés dans un réseau. – Nombre de messages de contrôle (DIO, DAO, DIS, DAO-ACK) – Taux d’occupation de la bande passante par les messages de contrôle. – Taux de réussite (PDR) : représente le rapport entre le nombre de paquets de données livrées à destination et le nombre de paquets envoyés. Dans le Scénario N°1 : On varie le nombre de noeuds. Dans le scénario N°2 : on varie le nombre de noeuds racines dans un réseau composé de 50 compteurs intelligents. PDR = ∑ Messages reu ∑ Messages envoys 33
  44. 44. Chapitre 3. Performances du protocole RPL 3.3.3 Résultats de la simulation 3.3.3.1 L’impact de la variation du nombre de noeuds sur le nombre de messages de contrôle Figure 3.4 – Nombre de messages de contrôle (scénario 1) Résultats : Les résultats de la [figure 3.4] montrent que le nombre de messages de contrôle générés par le RPL augmente à l’augmentation du nombre de noeuds. Il est tout à fait évident que la taille et l’étendue du réseau peuvent accroître le nombre de sauts et par conséquence le nombre de retransmission des messages de contrôle. Donc chaque noeud recevant un message DIO, doit répondre par un message DAO avant de recevoir la confirmation de réception par DAO-ACK. 3.3.3.2 L’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur le nombre de messages de contrôle Figure 3.5 – Nombre de messages de contrôle (scénario 2) Dans un réseau de 50 compteur intelligent on fait varier le nombre de noeuds racines de [1-6], on remarque que le nombre de messages de contrôle est décroissant cela est du au 34
  45. 45. Chapitre 3. Performances du protocole RPL fait que chaque noeud racine s’occupe d’une région du réseau ce qui diminue le nombre de retransmission des messages DIO [Voir Figure 3.5]. 3.3.3.3 L’impact de la variation du nombre de noeuds sur l’overhead Figure 3.6 – l’entête additionnelle dans RPL(scenario 1) La figure 3.6 représente la quantité de l’overhead exprimée en Mbits, par rapport à une quantité de données globale, de xx Mbits, échangée dans le réseau De la courbe de la figure 3.6, on remarque que l’overhead s’augmente avec le nombre de noeuds. Cela s’explique par le fait que le nombre de message croît proportionnellement avec le nombre de noeuds et puisque chaque message contient un entête, alors l’overhead croît relativement à la densité dans le réseau. 3.3.3.4 L’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur l’overhead Figure 3.7 – l’entête additionnelle dans RPL(scenario 2) De la figure 3.7 on remarque que l’overhead se décroît avec le nombre de noeuds ra- cines puisque chacun de ces derniers couvre seulement une région limitée et diminue par 35
  46. 46. Chapitre 3. Performances du protocole RPL conséquence le nombre de sauts, le nombre de diffusion du DIO et tous les messages de contrôle. Ce qui influe négativement sur la quantité de l’overhead 3.3.3.5 l’impact de la variation du nombre de noeuds sur le PDR Figure 3.8 – taux de délivrance de données (scénario 1) D’après la figure 3.8, le PDR diminue à l’augmentation du nombre de noeuds. Cela est dû au nombre de collision qui s’augmente proportionnellement au nombre de noeuds dans le réseau. 3.3.3.6 l’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur le PDR Figure 3.9 – taux de délivrance de données (scénario 2) La figure 3.9 confirme l’analyse précédente puisque dans ce cas, le PDR croît avec qu’on augmente le nombre de noeuds racines. Autrement dit, lorsqu’on augmente le nombre de noeuds racines, le nombre de messages transmis diminue (voir figure 44) et le nombre de collisions diminue. 36
  47. 47. Chapitre 3. Performances du protocole RPL 3.3.3.7 L’occupation de la bande passante en fonction du temps Figure 3.10 – Taux d’occupation de la bande passante par rapport au temps La [figure 3.10] schématise le taux d’occupation de la bande passante par les messages de contrôle tout au long de la simulation. On remarque que ce taux décrémente logique- ment avec le temps parce que la durée qui sépare deux diffusions successives des DAO augmente et le canal se libère de plus en plus. 37
  48. 48. Chapitre 3. Performances du protocole RPL 38
  49. 49. Conclusion et Perspectives Dans ce mémoire, nous avons étudié les performances d’un protocole de routage déve- loppé pour les smart grids, qui est RPL. Pour commencer, nous avons présenté des notions de bases sur les systèmes de distribution d’électricité intelligents, ainsi que la des- cription détaillée de la partie de communication dans ce type de réseaux. De plus, nous détailler quelques protocoles de routage de données dans les Smart Grids. Nous avons choisi de simuler le protocole RPL dans une topologie proche des réseaux électriques. Ces résultats ont été bénéfiques pour analyser le comportement de ce protocole. Ce mémoire nous a permis de : – Comprendre le fonctionnement d’un nouveau type de réseaux. – Comprendre le fonctionnement de plusieurs protocoles de routage. – Améliorer nos connaissances sur les technologies de communications. – Améliorer nos connaissances sur les réseaux électriques. – Se familiariser avec l’outil de simulation COOJA. Comme perspectives de ce travail, nous pensons à améliorer le protocole RPL afin de réduire le nombre de messages de contrôle d’une part, et de le rendre sécurisé pour une utilisation efficace dans un réseau sujette à plusieurs types d’attaques. 39
  50. 50. Conclusion et Perspectives 40
  51. 51. Bibliographie [ABC13] Emilio Ancillotti, Raffaele Bruno, and Marco Conti. The role of the rpl rou- ting protocol for smart grid communications. Communications Magazine, IEEE, 51(1) :75–83, 2013. (Cité pages 22 et 23.) [BBM+10] V Bakker, MGC Bosman, A Molderink, JL Hurink, and GJM Smit. Demand side load management using a three step optimization methodology. In Smart Grid Communications (SmartGridComm), 2010 First IEEE International Conference on, pages 431–436. IEEE, 2010. (Cité page 6.) [CMB10] Antonio J Conejo, Juan M Morales, and Luis Baringo. Real-time demand response model. Smart Grid, IEEE Transactions on, 1(3) :236–242, 2010. (Cité page 6.) [DGBB14] Vincent Debusschere, William Ricardo Lèon Garcia, Kaustav Basu, and Seddik Bacha. Système de management énergétique résidentiel prédictif sous critères technico-économique. In Symposium de Génie Électrique 2014, 2014. (Cité pages 6 et 9.) [DHTC10] Stephen Dawson-Haggerty, Arsalan Tavakoli, and David Culler. Hydro : A hybrid routing protocol for low-power and lossy networks. In Smart Grid Com- munications (SmartGridComm), 2010 First IEEE International Conference on, pages 268–273. IEEE, 2010. (Cité page 26.) [è15a] Fournisseurs èlectricitè. Fournisseurs èlectricitè. http://www. fournisseurs-electricite.com/smart-grids, 2015. [Online ; ac- cessed 26-february-2015]. (Cité page 4.) [è15b] Fournisseurs èlectricitè. Smart grids standards. http://www. renewableenergyworld.com/rea/news/article/2009/05/ commerce-and-energy-secretaries-agree-on-smart-grid-framework, 2015. [Online ; accessed 26-avril-2015]. (Cité pages ix et 21.) [FMXY12] Xi Fang, Satyajayant Misra, Guoliang Xue, and Dejun Yang. Smart gridâthe new and improved power grid : A survey. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, 14(4) :944–980, 2012. (Cité pages ix, 4, 5 et 19.) [FYX11] Xi Fang, Dejun Yang, and Guoliang Xue. Online strategizing distributed re- newable energy resource access in islanded microgrids. In Global Telecommuni- cations Conference (GLOBECOM 2011), 2011 IEEE, pages 1–6. IEEE, 2011. (Cité page 6.) [GH11] Hamid Gharavi and Bin Hu. Multigate mesh routing for smart grid last mile communications. In Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2011 IEEE, pages 275–280. IEEE, 2011. (Cité page 27.) [HI10] Md Zahurul Huq and Syed Islam. Home area network technology assessment for demand response in smart grid environment. In Universities Power Enginee- ring Conference (AUPEC), 2010 20th Australasian, pages 1–6. IEEE, 2010. (Cité page 17.) [HVC08] Chris Hutson, Ganesh Kumar Venayagamoorthy, and Keith A Corzine. Intelli- gent scheduling of hybrid and electric vehicle storage capacity in a parking lot for profit maximization in grid power transactions. In Energy 2030 Conference, 2008. ENERGY 2008. IEEE, pages 1–8. IEEE, 2008. (Cité page 6.) 41
  52. 52. Bibliographie [IYY+10] Tadashige Iwao, Kenji Yamada, Masakazu Yura, Yuuta Nakaya, Alvaro A Cár- denas, Sung Lee, and Ryusuke Masuoka. Dynamic data forwarding in wire- less mesh networks. In Smart Grid Communications (SmartGridComm), 2010 First IEEE International Conference on, pages 385–390. IEEE, 2010. (Cité pages viii, 24 et 25.) [KS10] Shalinee Kishore and Lawrence V Snyder. Control mechanisms for residential electricity demand in smartgrids. In Smart Grid Communications (SmartGrid- Comm), 2010 First IEEE International Conference on, pages 443–448. IEEE, 2010. (Cité page 6.) [Lac15] Guy Lacroix. Les dèfis de la cyber-sècuritè dans les Smart grids. http://www.smartgrids-cre.fr/index.php?p= gestion-donnees-cyber-securite, 2015. [Online ; accessed 27-february- 2015]. (Cité page 12.) [Liu10] Xian Liu. Economic load dispatch constrained by wind power availability : A wait-and-see approach. IEEE Trans. Smart Grid, 1(3) :347–355, 2010. (Cité page 6.) [MJR15] Anzar Mahmood, Nadeem Javaid, and Sohail Razzaq. A review of wire- less communications for smart grid. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 41 :248–260, 2015. (Cité pages ix, 18, 19 et 20.) [MMC14] Weixiao Meng, Ruofei Ma, and Hsiao-Hwa Chen. Smart grid neighborhood area networks : a survey. IEEE Network, 28(1) :24–32, 2014. (Cité page 17.) [PD11] Peter Palensky and Dietmar Dietrich. Demand side management : Demand response, intelligent energy systems, and smart loads. Industrial Informatics, IEEE Transactions on, 7(3) :381–388, 2011. (Cité page 13.) [RDM10] Mardavij Roozbehani, Munther Dahleh, and Sanjoy Mitter. Dynamic pri- cing and stabilization of supply and demand in modern electric power grids. In Smart Grid Communications (SmartGridComm), 2010 First IEEE International Conference on, pages 543–548. IEEE, 2010. (Cité page 6.) [SGI15] SGIC. Smart Grid Information Clearinghouse. http://www. sgiclearinghouse.org/ProjectList, 2015. [Online ; accessed 28- february-2015]. (Cité pages ix et 14.) [SGt] The future of smart grid technology. (Cité page 12.) [SHMV11] Eric Sortomme, Mohammad M Hindi, SD James MacPherson, and SS Venkata. Coordinated charging of plug-in hybrid electric vehicles to minimize distribu- tion system losses. IEEE Trans. Smart Grid, 2(1) :198–205, 2011. (Cité page 6.) [SMRS+10] Pedram Samadi, A-H Mohsenian-Rad, Robert Schober, Vincent WS Wong, and Juri Jatskevich. Optimal real-time pricing algorithm based on utility maximi- zation for smart grid. In Smart Grid Communications (SmartGridComm), 2010 First IEEE International Conference on, pages 415–420. IEEE, 2010. (Cité page 6.) [STM] Smart grid distribution and smart meters. (Cité pages viii, 10 et 11.) [WTZA10] Di Wang, Zhifeng Tao, Jinyun Zhang, and Alhussein A Abouzeid. Rpl based routing for advanced metering infrastructure in smart grid. In Communications Workshops (ICC), 2010 IEEE International Conference on, pages 1–6. IEEE, 2010. (Cité pages 22, 23 et 30.) [YQST13] Ye Yan, Yi Qian, Hamid Sharif, and David Tipper. A survey on smart grid com- munication infrastructures : Motivations, requirements and challenges. Com- munications Surveys & Tutorials, IEEE, 15(1) :5–20, 2013. (Cité page 10.) 42
  53. 53. Bibliographie [YZG+11] Rong Yu, Yan Zhang, Stein Gjessing, Chau Yuen, Shengli Xie, and Mohsen Guizani. Cognitive radio based hierarchical communications infrastructure for smart grid. Network, IEEE, 25(5) :6–14, 2011. (Cité page 17.) 43
  54. 54. Bibliographie 44
  55. 55. AAnnexe : Outil de la simulation (COOJA) 45
  56. 56. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA) A.1 Installation de contiki : Plusieurs versions de contiki existent sur le net, Il est préférable de télécharger et d’utiliser la dernière version celle-ci est la plus performante. La version que nous avons utilisée est Contiki 2.7 téléchargée depuis le site officiel de contiki ou bien comme le montre la figure A.1 . Figure A.1 – Téléchargement de Contiki Os A.1.1 COOJA Le simulateur COOJA offre la possibilité de tester et modifier tous types de protocoles. De plus il est présenté sous forme graphique ce qui rend facile la manipulation des différents modules inclus. L’acces au simulateur se fait à travers le terminal avec la commande suivante : cd contiki/tools/COOJA ant run 1. Network : Dans cette fenêtre s’affiche la représentation graphique du réseau. 2. Simulation control : C’est la fenêtre responsable du contrôle de la simulation (dé- marrage / mise en pause / arrêt). 3. Radio messages : Affiche les messages échangés dans le réseau. 4. Mote output : Affiche ce qui se passe à l’intérieur de chaque noeud. 5. Buffer listener : Affiche les données enregistrées dans chaque buffer. 46
  57. 57. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA) Figure A.2 – Interface du simulateur COOJA A.2 Étapes de la simulation : 1. Création d’une nouvelle simulation : en cliquant sur File / new simulation. [Voir figure 29]. Figure A.3 – Création d’une simulation dans COOJA 47
  58. 58. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA) 2. Insertion des noeuds : choisir mote/create new mote/.. Figure A.4 – Création des noeuds dans COOJA 3. Attacher un agent : cet agent exécute un code écrit en C au niveau de chaque noeud. Une étape de compilation du code est nécessaire avant l’ajout des noeuds Figure A.5 – Attacher un agent à un noeud -simulateur COOJA- 48
  59. 59. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA) 4. Choisir la topologie du réseau : Faire le choix du nombre de noeuds et de leur positionnement. Figure A.6 – Choisir le nombre et la disposition des noeuds - simulateur COOJA - 5. Démarrer la simulation : le démarrage s’effectue par un simple clic sur Start. (Conti- kiOs) Figure A.7 – Simulation avec COOJA 49
  60. 60. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA) 6. Récupération des données de la simulation : COOJA offre la possibilité de récupérer les données de la simulation tel que ( les messages transmis, le contenu des buffers ’.etc.) dans un fichier texte en cliquant sur (file / save to file) Figure A.8 – Récupération des données de la simulation - Simulateur COOJA - Après modifications les fichiers (contiki/exemples/IPV6/rpl-udp/noeud.c) et (contiki/exemples/IPV6/rpl-udp/sink.c) peuvent être utilisés comme protocole de rou- tage attaché aux noeuds du réseau. COOJA utilise une pile protocolaire, cette pile est utilisée durant la simulation [voir figure 40]. Le code du protocole RPL est enregistré dans le dossier (contiki/core/net/rpl). Ce dossier est composé de plusieurs fichiers. Chaque fichier regroupe à son tour un ensemble d’instructions structurées en fonctions : 1. Rpl.c : Fonctions de base du RPL 2. Rpl-dag.c : Fonctions sur la construction des DODAG 3. Rpl-icmp6.c : Fonctions de création des messages de contrôle (DIO,DAO,DIS,DAO- ACK) 4. Rpl-mrhof.c (Fonction objective N°1) : C’est un ensemble de fonctions – calcul du rang en se basant sur l’énergie. – calcul de la liste des noeuds pères – calcul du père par défaut 5. Rpl-of0.c (Fonction objective N°2) : C’est un ensemble de fonctions – calcul du rang en se basant sur la qualité des liens. – calcul de la liste des noeuds pères – calcul du père par défaut 6. Rpl-timers.c : Fonctions définissant les compteurs de temps utilisé dans le protocole (e-timer, s-timer , r-timer) 50
  61. 61. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA) Figure A.9 – Pile protocolaire de COOJA 51

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