Protocoles réseau sans fil IoT

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Dans l’Internet des objets (IoT), l’échange de données entre les capteurs, les appareils, les passerelles, les serveurs et les applications utilisateur est activé par des protocoles réseau tels que le Wi-Fi, le Bluetooth, le ZigBee, entre autres. Les exigences de l’application finale en termes de portée, de données, de sécurité, d’alimentation et d’autonomie de la batterie dictent le choix du protocole réseau. Cet article explore certaines de ces technologies et certains de ces protocoles de communication.

Écosystème IoT

Un écosystème IoT se compose généralement de nœuds, de données, de connectivité et d’une couche d’application. La couche de nœud est une coalition d’appareils intelligents tels que des microcontrôleurs, des microprocesseurs, des capteurs, des actionneurs, une connectivité et des passerelles interagissant avec un réseau.

La couche de données concerne les données collectées, traitées, envoyées, stockées, analysées, présentées et utilisées dans des contextes commerciaux. L’application ou la couche utilisateur est le composant qui permet aux humains d’interagir avec les appareils IoT. Nous discuterons de la couche de connectivité qui comprend les protocoles de communication et IoT. Pour en savoir plus sur les produits IoT, cliquez ici.

Figure 1 : Réseau de protocoles dans un écosystème IoT

Types de protocoles IoT

La nature adaptable et fiable inhérente du protocole Internet (IP) en fait un support acceptable pour la transmission de procédures entre les modules IoT. L’architecture du système (à travers laquelle les données doivent voyager) détermine le type de protocole IoT. Le modèle Open Systems Interconnection (OSI) fournit une carte des différentes couches qui distribuent et acceptent les données. Chaque protocole de l’architecture du système IoT permet une communication appareil à appareil, appareil à passerelle, passerelle à centre de données, passerelle à cloud et communication entre les centres de données. La figure 2 montre la pile de protocoles IoT.

Figure 2 : Pile de protocoles IoT

Veuillez trouver ci-dessous quelques protocoles IoT clés utilisés dans les différentes couches du réseau IoT :

Advanced Message Queuing Protocol (AMQP – Protocole avancé de mise en file d’attente des messages)

AMQP est un protocole de couche d’application (logiciel) qui offre le routage et la mise en file d’attente pour un environnement middleware orienté message. Il est utilisé pour des connexions point à point fiables et prend en charge l’échange transparent et sécurisé de données entre les appareils et le cloud. AMQP a trois composants distincts, à savoir Exchange, Message Queue et Binding. Ces trois éléments garantissent un échange et un stockage des messages fiables et réussis. Ils désignent également la relation entre deux messages. Pour en savoir plus sur le protocole AMQP, cliquez ici.

Constrained Application Protocol (CoAP – Protocole d’application contraint)

CoAP est un protocole de bande passante et de réseau contraint pour les gadgets limités. Ce protocole permet au client d’envoyer une requête au serveur, et le serveur renvoie une réponse en HTTP au client. Il utilise le protocole UDP (User Datagram Protocol) pour une implémentation légère et minimise l’utilisation de l’espace. Le protocole utilise le format de données binaire EXL. Le protocole CoAP est principalement utilisé dans l’automatisation, les microcontrôleurs et les mobiles. Le protocole envoie une demande au point de terminaison de l’application du domicile et renvoie la réponse de l’application aux services et aux ressources. Pour en savoir plus sur le protocole CoAP, cliquez ici.

Data Distribution Service (DDS – Service de distribution de données)

DDS est un protocole de communication peer-to-peer flexible. Il fait tout, de l’exécution de petits appareils à la connexion de réseaux hautes performances. DDS rationalise le déploiement, augmente la fiabilité et minimise la complexité.

Message Queue Telemetry Transport (MQTT – Transport de télémétrie de file d’attente de messages)

MQTT, également connu sous le nom de protocole d’abonnement/publication, est un protocole de messagerie léger, ainsi que celui préféré pour les appareils IoT. Il collecte les données de divers appareils et supervise les appareils distants. Il fonctionne avec le protocole TCP (Transmission Control Protocol) et prend en charge l’échange de messages événementiel via des réseaux sans fil. MQTT est principalement utilisé dans les appareils qui nécessitent moins de mémoire d’alimentation, par exemple, les capteurs embarqués et les montres intelligentes. Pour en savoir plus sur MQTT, veuillez cliquer ici.

Protocole de communication Machine-to-Machine (M2M)

Il fait référence à un protocole industriel ouvert. Le M2M est créé pour gérer les appareils IoT à distance. Ces protocoles économiques utilisent des réseaux publics. Le M2M crée un environnement dans lequel deux machines communiquent et échangent des données. Un tel protocole renforce l’autosurveillance des machines et permet aux systèmes de s’adapter en fonction de l’environnement variable. Il est principalement utilisé pour la domotique, les véhicules intelligents et les guichets automatiques. Pour en savoir plus sur la communication M2M, cliquez ici.

Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP – Protocole de messagerie et de présence extensible)

Le XMPP possède une conception unique. Il a été développé en utilisant XML ouvert (Extensible Markup Language). Il utilise un mécanisme push pour échanger des messages synchrones. Le XMPP flexible peut s’intégrer de manière transparente à tout changement. Le XMPP fonctionne comme un indicateur de présence. Il affiche l’état de disponibilité des serveurs.

Outre WhatsApp, Google Talk et d’autres applications de messagerie instantanée, le XMPP est également utile dans les jeux en ligne, le VoIP (Voice over Internet Protocol) et les sites Web d’actualités. Pour en savoir plus sur XMPP, veuillez cliquer ici.

Bluetooth

Le Bluetooth est largement utilisé pour les communications à courte portée. C’est un protocole IoT standard pour la transmission de données sans fil. Sa version basse énergie est Bluetooth Low Energy (BLE). La dernière version, BLE 5.0, prend en charge les applications à faible débit de données avec une portée étendue allant jusqu’à 150 mètres. Des fonctionnalités telles que les services de balisage et de localisation ont aidé à le déployer dans un large éventail d’applications de fitness et automobiles. Il peut prendre en charge la topologie en étoile. Les dernières versions prennent en charge la topologie maillée, étendant le réseau à l’aide d’un réseau de périphériques many-to-many adapté aux applications domotiques.

Zigbee

ZigBee utilise la couche physique et de liaison standard IEEE 802.15.4, fonctionnant sur la bande ISM 2,4 GHz et offrant une portée allant jusqu’à 300 pieds. Il prend en charge la topologie de maillage. Par conséquent, le réseau peut être étendu sur une plus longue distance en utilisant des opérations multi-sauts. Le protocole est vraiment interopérable et comprend des bibliothèques standard de modèles de données, de sécurité et de procédures de gestion de réseau. ZigBee possède les caractéristiques suivantes : faible consommation d’énergie, découverte de nœuds, détection de paquets dupliqués, découverte d’itinéraires, mode veille et fiabilité. Il est principalement utilisé dans les applications d’automatisation domestique ou de bâtiments.

Z-Wave

Z-Wave est une technologie sans fil à faible consommation conçue pour les applications domotiques IoT. Il offre une communication fiable et à faible latence de petits paquets de données avec des débits allant jusqu’à 100 kbit/s. Il prend en charge la topologie maillée avec un maximum de 232 nœuds dans un seul réseau. Il fonctionne à 868 MHz dans la région européenne et à 915 MHz en Amérique du Nord et en Australie, offrant un débit de données de 100 Kbps. Pour en savoir plus sur le protocole Z-Wave, cliquez ici.

6LowPAN

Le réseau Low-power Wireless Personal Area Network Ipv6 (6LowPAN) est une technologie basée sur le protocole Internet. Il s’agit d’un protocole réseau qui définit les mécanismes d’encapsulation et de compression de header. Il a la liberté de bande de fréquence et de couche physique, et peut également être utilisé sur plusieurs plateformes de communication, notamment Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 et ISM sub-1GHz. Il est conçu pour envoyer des paquets Ipv6 sur les réseaux basés sur IEEE802.15.4 et implémenter de nombreuses normes IP ouvertes, notamment TCP, sockets Web, UDP, HTTP, COAP et MQTT. La norme fournit des nœuds adressables de bout en bout, permettant à un routeur de relier le réseau à un IP. Le 6LowPAN est un réseau maillé robuste, évolutif et autoréparateur.

Thread

Thread, basé sur diverses normes, notamment IEEE802.15.4, IPv6 et 6LoWPAN, est un nouveau protocole de réseau IPv6 basé sur IP orienté vers l’environnement domotique. Il complète principalement le Wi-Fi et offre une solution IP résiliente pour l’IoT. Thread renforce un réseau maillé utilisant des émetteurs-récepteurs radio IEEE802.15.4. Il gère jusqu’à 250 nœuds avec des niveaux d’authentification et de chiffrement élevés.

Wi-Fi

Le Wi-Fi est un protocole de communication sans fil. Le Wi-Fi utilise la topologie du réseau en étoile et le point d’accès peut être utilisé comme passerelle vers Internet. Chaque point d’accès peut se connecter à un maximum de 250 appareils, et la plupart des solutions disponibles dans le commerce prennent en charge jusqu’à 50 appareils. Le 802.11-b/g/n fonctionne sur 2,4 GHz et fournit un débit de données de 150 à 200 Mbps dans un environnement domestique ou professionnel, généralement à une distance de 50 mètres. La dernière norme 802.11-ac fonctionne sur 5 GHz et fournit un débit de données de 500 Mbps à 1 Gbps.

Cellulaire

De nombreuses applications IoT utilisent des réseaux cellulaires tels que 3G, 4G LTE et 5G pour la communication de données. La 3G utilise 2 100 MHz et offre un débit de données de 384 Kbps-10 Mbps, et la 4G LTE offre un débit de données élevé de 3 Mbps-10 Mbps à 2 700 MHz. Ils ne conviennent pas à la plupart des applications IoT en raison de leur consommation d’énergie élevée et de leurs coûts de mise en œuvre élevés. Cat-M1 et NB-IOT ont été introduits dans le projet de partenariat de 3e génération (3GPP) pour son adoption sur les réseaux 4G LTE existants pour la communication IoT et M2M. La 5G, avec une capacité supérieure à celle de n’importe quel réseau 4G, est en cours de développement pour augmenter le nombre d’utilisateurs de haut débit mobile et pour prendre en charge la communication entre les appareils. Pour ce faire, différentes techniques sont appliquées à la 5G, telles que la communication massive à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la communication en duplex intégral, les réseaux hétérogènes (HetNet), les ondes millimétriques (mmWave) et le découpage en réseau. L’ensemble des services du réseau 5G peut être classé en trois catégories différentes selon l’Union internationale des télécommunications (UIT) : le haut débit mobile amélioré (eMBB), les communications massives de type machine (mMTC) et les communications ultra-fiables et à faible latence (uRLLC).

NFC

La communication en champ proche (NFC) est un protocole de communication radio à ultra-courte portée. Elle utilise la norme ISO/IEC 18000-3 et la bande de fréquence ISM 13,56 MHz. Elle fournit un débit de 100-420 Kbps et une portée allant jusqu’à 20 cm. Certains appareils NFC peuvent lire (conformément à la norme ISO 15693) les balises à hautes fréquences passives RFID, qui fonctionnent également sur 13,56 MHz. La NFC fournit une communication en duplex intégral sur la plage de détection à partir de substrats métalliques et non métalliques. Elle est utilisée pour les applications de paiement sans contact, de synchronisation rapide et d’accès au contenu numérique.

Sigfox

Sigfox est un fournisseur de réseau privé similaire aux fournisseurs de services téléphoniques ou cellulaires, axé sur le service aux clients dans l’IoT. Il utilise des bandes ISM sub-GHz (868 à 869 MHz ou 902 à 928 MHz) et prend en charge une longue portée (jusqu’à 50 km) en utilisant la topologie en étoile. Même si la communication Sigfox est bidirectionnelle, la charge utile de la station de base au nœud est maigre. Il est utilisé pour la télédétection, où de faibles quantités de données doivent être transmises sporadiquement avec des exigences élevées en matière de durée de vie de la batterie. Pour en savoir plus sur Sigfox, cliquez ici.

LoRaWAN

LoRaWAN est un protocole de communication WAN sans fil basse consommation dans la plage de fréquences sub-GHz (433/868/915 MHz). Il a un débit de données typique de 0,3 à 50 Kbps et peut couvrir jusqu’à 15 km de portée. La distance plus élevée est obtenue en abaissant dynamiquement les débits de données. Il est conçu pour fournir une communication à faible consommation, à faible coût, sécurisée et en duplex intégral pour les applications IoT, M2M, de villes intelligentes et industrielles. Pour en savoir plus sur LoRaWan, cliquez ici.