Architecture logicielle pour capteurs sans-fil en réseau

Architecture logicielle pour capteurs sans-fil en réseau
Université de Pau et des Pays de l’Adour
UFR Sciences et Techniques
Département informatique
Master Technologies de l’Internet
2ème année
Rapport de stage recherche
Architecture logicielle
pour capteurs sans-fil en réseau
Par :
Séverine Sentilles
Encadrants : Nicolas Belloir
CongDuc Pham
Janvier - juin 2006
Table des matières
I. Introduction-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 1 II. Etat de l’art ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 3 II.1) Les réseaux de capteurs--------------------------------------------------------------------------------------- - 3 II.1.1) Les capteurs « traditionnels » ------------------------------------------------------------------------------ - 3 II.1.2) Les capteurs dans les Wireless Sensor Networks-------------------------------------------------------- - 4 II.1.3) La mise en réseau-------------------------------------------------------------------------------------------- - 7 II.1.4) Les différentes utilisations des réseaux WSNs ---------------------------------------------------------- - 8 II.1.5) Les caractéristiques des réseaux de capteurs sans-fil --------------------------------------------------- - 8 II.1.6) Les challenges/Les besoins-------------------------------------------------------------------------------- - 10 II.2) TinyOS et sa distribution ------------------------------------------------------------------------------------ - 11 II.2.1) Les notions principales ------------------------------------------------------------------------------------ - 11 II.2.2) NesC --------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 14 II.2.3) La compilation ---------------------------------------------------------------------------------------------- - 17 II.3) Etat de l’art sur la CBSE ------------------------------------------------------------------------------------ - 17 II.3.1) Les concepts fondamentaux de la CBSE ---------------------------------------------------------------- - 17 II.3.2) Le modèle initial de Think -------------------------------------------------------------------------------- - 19 II.3.3) Fractal-------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 23 II.3.4) Le modèle Think-Fractal ---------------------------------------------------------------------------------- - 26 III. Vers une architecture logicielle pour les réseaux de capteurs ---------------------------------------------- - 27 III.1) Les limites de TinyOS --------------------------------------------------------------------------------------- - 27 III.2) Vers un système d’exploitation basé composants-------------------------------------------------------- - 28 IV. Etude de la reconfiguration dynamique------------------------------------------------------------------------- - 35 IV.1) Présentation de la solution proposée par Juraj Polakovic --------------------------------------------- - 35 IV.2) Les améliorations du modèle ------------------------------------------------------------------------------- - 37 V. Les limites de Think pour implémenter le modèle proposé--------------------------------------------------- - 41 VI. Conclusion ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ - 42 Bibliographie -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 43 Table des figures---------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 46 Annexes--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 47 Annexe A : Les composants systèmes fournis pour PowerPC dans la bibliothèque Kortex -------------- - 48 Annexe B : Manuel d’installation de Think-v2 pour Ubuntu ------------------------------------------------- - 49 Annexe C : Manuel d’installation de Think-v3 pour Ubuntu-------------------------------------------------- - 52 Annexe D : Manuel d’installation et d’utilisation de l’émulateur ARM SkyEye-v1 (pour Ubuntu) ----- - 55 Annexe E : Développement d’une application de test---------------------------------------------------------- - 56 Annexe F : Manuel de l’IDL-------------------------------------------------------------------------------------- - 60 -
I. Introduction
Les avancées technologiques récentes confortent la présence de l’informatique et de
l’électronique au coeur du monde réel. De plus en plus d’objets se voient ainsi équiper de
processeurs et de moyens de communication mobiles leur permettant de traiter des
informations mais également de les transmettre. Cette évolution s’inscrit dans le cadre de
l’informatique pervasive, plus connue sous le nom d’ubiquitous computing [Wei96]. Un des
objectifs de ce domaine est de combler le fossé entre les mondes réel et virtuel en rendant les
objets « intelligents ». Pour cela, ceux-ci doivent être capables de détecter un changement
dans leur environnement et d’y réagir en fonction notamment des besoins de l’utilisateur.
Les réseaux de capteurs sans-fil entrent dans ce cadre. En effet, ceux-ci sont constitués
d’un ensemble de petits appareils, ou capteurs, possédant des ressources particulièrement
limitées mais qui leur permettent néanmoins d’acquérir des données sur leur environnement
immédiat, de les traiter et de les communiquer. Toute une gamme de nouvelles applications
peut dès lors être envisagée.
Cependant, l’intégration de ces capteurs dans le monde physique n’est pas une tâche
aisée. En effet, de nouveaux problèmes apparaissent engendrés entre autre par la sévérité des
contraintes inhérentes aux ressources limitées. Citons notamment la conservation de l’espace
mémoire ou encore la gestion limitée de l’énergie. Afin de répondre à ces exigences, TinyOS,
le système d’exploitation de référence, occupe très peu de mémoire grâce aux nombreuses
optimisations élaborées à partir de l’utilisation d’une architecture basée composant.
D’un autre côté, l’ingénierie logicielle basée composant1 [SGM02] est une approche
maintenant reconnue permettant le développement d’applications et de systèmes modulables,
flexibles et bien architecturés, répondant notamment à des besoins de reconfiguration et
d’administration. Or même si TinyOS présente des concepts similaires à ceux présents dans
l’ingénierie logicielle basée composant, tous ne sont pas repris. En particulier, aucun support
n’est proposé pour la gestion des aspects dynamiques dont une application pourrait avoir
besoin. Par exemple, il est impossible de reconfigurer dynamiquement une application. Or
différents travaux notamment sur l’autonomic computing [KC03] ont identifié cette
fonctionnalité comme primordiale. L’utilisation de modèles réellement basés composant
semble donc être une approche à approfondir. Dans ce cadre, il existe un modèle permettant
de créer n’importe quel type de système d’exploitation. Il s’agit du modèle Think [Th06], une
implémentation de Fractal [BCS04], qui cible les systèmes fortement contraints notamment
les systèmes embarqués.
C’est dans ce contexte que s’inscrivent une partie des recherches du projet
« Architectures Logicielles, Composant et protocoL (ALCooL) » du LIUPPA2 au sein duquel
ce stage a été réalisé. Notre objectif est d’expliquer l’apport de l’ingénierie logicielle basée
composant dans le domaine des réseaux de capteurs sans-fil. Plus particulièrement, nous
avons étudié la possibilité d’utiliser une plate-forme à composant telle que Think dans les
réseaux de capteurs et de proposer une architecture logicielle qui permette des services
avancés telle que la reconfiguration dynamique. Pour répondre à cette problématique, la
démarche suivante a été suivie :
1
2
En anglais Component-Based Software Engineering (CBSE)
Laboratoire Informatique de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour
-1-
•
•
•
Etudier le système d’exploitation TinyOS afin d’en comprendre le
fonctionnement et d’en établir les limites ;
Explorer le modèle Think dans l’optique de proposer les bases d’un modèle
pour un nouveau système d’exploitation mariant les fonctionnalités éprouvées
de TinyOS et celles de l’ingénierie logicielle basée composant ;
Proposer un modèle de mécanisme de reconfiguration dynamique adapté au
domaine des réseaux de capteurs.
Dans ce but, nous allons dans un premier temps présenter à la section II les
connaissances nécessaires au cadre de ce travail en décrivant les réseaux de capteurs, TinyOS,
l’ingénierie logicielle basée composant et Think . Dans un deuxième temps, nous détaillerons
à la section III les fondements de la création d’un nouveau système d’exploitation basé
composant pour les réseaux de capteurs. Puis dans un troisième temps, nous exposerons à la
section IV un mécanisme de reconfiguration dynamique s’appuyant sur le système
d’exploitation précédemment défini. Pour terminer, nous établirons les limitations pratiques
de notre travail dans la section IIV.
-2-
II. Etat de l’art
Cette section présente les notions fondamentales servant de socle à cette étude. Ainsi,
nous détaillerons d’abord le domaine des réseaux de capteurs, puis TinyOS le système
d’exploitation de référence utilisé. Et nous terminerons par une description de l’ingénierie
logicielle basée composant ainsi qu’une présentation des modèles Think et Fractal.
II.1) Les réseaux de capteurs
Les réseaux de capteurs sans-fil, plus connus sous le nom de Wireless Sensor
Networks (WSNs) sont une technologie émergente issue des progrès de différents domaines.
Ils ont en effet profité de la miniaturisation des composants électroniques, de l’augmentation
de leur capacité (puissance de calculs, énergie, etc…), de la diminution des coûts de
fabrication mais également des avancées dans les réseaux de communication sans-fil à travers
l’essor des téléphones mobiles, des PDAs, etc.
Cette section s’articule de la manière suivante. Nous présentons d’abord les capteurs
« traditionnels » autrement dit les « ancêtres » de ceux présents dans les WSNs puis les
nouveautés apportées par les motes, c’est-à-dire les capteurs utilisés dans les réseaux de
capteurs sans-fil. Ensuite, nous décrivons l’aspect général d’un tel réseau en montrant les
relations entre les différents éléments le constituant avant d’enchaîner avec les différentes
utilisations possibles. Enfin, nous présentons les caractéristiques de tels réseaux avant de
terminer avec les besoins et les challenges de ce domaine.
II.1.1) Les capteurs « traditionnels »
Les réseaux de capteurs sans-fil visent à étendre les domaines d’application des
capteurs. En effet, des capteurs sont déjà utilisés pour la création de systèmes d’acquisition de
données car ils sont capables de détecter des phénomènes dans un environnement proche, de
les quantifier et de transmettre les données ainsi obtenues à d’autres éléments du système en
vue de leur traitement. Les éléments mesurés sont des grandeurs physiques telles que la
pression, l’humidité, les vibrations, etc. [Hub00]
Pour réaliser de telles mesures, ces capteurs sont constitués de différents éléments
hardwares. Afin de les mettre en évidence, considérons par exemple, un système d’acquisition
de données permettant de relever la température ambiante d’un milieu. Ce système est
constitué d’un thermomètre électronique, lui-même composé d’un capteur et d’un afficheur
digital. Une fois la température établie, la mesure est transformée en signal analogique grâce à
l’élément de détection. Pour qu’elle puisse être affichée, il est nécessaire que ce dernier soit
digitalisé. On utilise pour cela un convertisseur. De plus, la présence du dispositif
électronique précédemment cité impose une source d’énergie qui peut être soit le secteur, soit
des batteries, etc. Enfin, si le destinataire des données (dans notre exemple, l’afficheur) est
éloigné du capteur, il faut que ce dernier puisse transmettre la donnée numérisée, il peut donc
y avoir également un module de communication comme un réseau câblé par exemple.
-3-
Si l’on ne considère que les éléments impliqués dans l’exemple précédent alors le
capteur ainsi schématisé serait incomplet. En effet, deux autres composants peuvent être
intégrés dans un tel instrument : il s’agit du conditionneur de signaux et d’un processeur de
signal numérique3. Le conditionneur de signaux intervient afin d’améliorer la qualité des
mesures. En effet, sous certaines conditions, notamment environnementales, celles-ci peuvent
être faussées c’est-à-dire que le signal émis peut présenter du bruit, que son amplitude peutêtre trop faible, qu’il peut être biaisé ou dépendre de paramètre secondaire. Le processeur de
signal numérique permet quant à lui de traiter le signal c’est-à-dire d’en extraire des données,
de le modifier ou de l’adapter en vue de la transmission ou du stockage. De plus, l’élément de
détection n’est pas toujours capable de mesurer la quantité intéressante mais une quantité
reliée. Le conditionneur de signaux et le processeur de signal numérique permettent de
résoudre ces problèmes respectivement par l’utilisation de filtre passe-bas, de mécanisme de
compensation, d’amplificateur opérationnel, etc. [Lew04] et par des mécanismes de traitement
du signal. La Figure 1 ci-dessous est une modélisation de ces différents éléments inspirés à la
fois par [Hub00] et la représentation des capteurs proposée à la Figure 2.
Sens de parcours des mesures/signaux entre les éléments
Acquisition
Traitement du signal
Elément de
détection/mesure
Conditionneur de
signaux
Convertisseur
Communication
DSP
Emetteur
Alimentation électrique
Alimentation
Légende :
Alimente
Eléments obligatoires
Eléments optionnels
Figure 1 : Schématisation d'un capteur "traditionnel"
Après cette brève description des capteurs « traditionnels », nous en arrivons
maintenant à la présentation des motes i.e. les capteurs utilisés dans les WSNs.
II.1.2) Les capteurs dans les Wireless Sensor Networks
Les capteurs présents dans les Wireless Sensor Networks se différencient de ceux
précédemment décrits par plusieurs points. Le premier élément de distinction est révélé par le
terme sans-fil. En effet, les motes ne sont plus câblés mais communiquent avec les autres
éléments via un module de communication sans-fil.
3
en anglais Digital Signal Processing (DSP)
-4-
De plus, alors que les capteurs précédents se contentaient d’envoyer des données à des
éléments capables de les traiter, les motes peuvent également en recevoir. En effet, ils ont été
conçus afin de fonctionner en réseau et afin de servir de relais pour que les données collectées
et les autres informations essentielles au maintien du réseau puissent être propagées à travers
celui-ci. Cette transmission est rendue possible grâce à un émetteur-récepteur4. Celui-ci
communique selon trois modes : grâce à des lasers, des infrarouges ou des radiofréquences.
Un des facteurs limitant dans l’utilisation du transceiver est la portée. En effet, il est à noter
que la distance maximale de transmission entre deux nœuds du réseau est limitée à quelques
dizaines de mètres. Un autre facteur limitatif est la consommation d’énergie du transceiver qui
est relativement importante dans le cas d’une émission de données.
La seconde distinction est due non seulement à une diminution des coûts de
production mais également à une miniaturisation de la taille des composants. Bien que ces
progrès s’appliquent également aux capteurs décrits précédemment, il s’agit dans le cas des
réseaux de capteurs d’une condition sine qua non. En effet, les capteurs ne sont désormais pas
plus grands qu’une pièce de deux euros. Tous ces facteurs permettent d’envisager le
déploiement d’un nombre beaucoup plus conséquent de senseurs5 à savoir des centaines voire
des milliers. Cela permet de créer un réseau beaucoup plus dense où la fiabilité de chaque
nœud n’est plus primordiale. En effet, en imaginant un déploiement aléatoire, plusieurs nœuds
pourraient se retrouver au même endroit et couvrir la même région. Ce qui permettrait à un
nœud défaillant d’être remplacé par un autre.
La troisième différenciation se produit au niveau de la source d’énergie. En effet, dans
le cas des motes, il s’agit d’une alimentation embarquée contrairement aux précédents où la
source d’énergie pouvait être fournie par une source extérieure. Cela représente une contrainte
importante pour la durée de vie des capteurs car la capacité des batteries est limitée et que, de
plus, il n’est pas toujours possible de les remplacer lorsqu’elles sont déchargées. Cela se
conçoit facilement si l’on envisage un très grand nombre de capteurs et/ou un environnement
« hostile » de déploiement. Enfin, toute opération effectuée par les motes consomme de
l’énergie entraînant ainsi une décharge plus ou moins importante des batteries. Parmi les
opérations nécessitant énormément d’énergie, nous pouvons citer toutes celles impliquant
l’émetteur-récepteur afin d’émettre des données [CES04]. Bien qu’il existe des batteries
rechargeables par énergie solaire, par vibrations, etc., et des politiques de gestion de l’énergie,
celles-ci ne suffisent pas, à elles seules, à permettre une utilisation prolongée des senseurs.
L’économie d’énergie reste, par conséquent, un des points cruciaux dont il faut tenir compte
lorsqu’on parle de WSN.
La dernière différence se situe entre la phase d’acquisition des données et la phase de
communication. En effet, le principal avantage d’un mote est de disposer en plus d’une unité
de traitement permettant non seulement de rapprocher le traitement des données de leur lieu
de détection mais également de les agréger. Cela s’intègre dans le cadre des politiques
d’économie d’énergie essentielles aux WSNs. En effet, cela permet de diminuer la taille des
messages à transmettre aux autres éléments du réseau et ainsi de diminuer le temps
d’utilisation de l’émetteur-récepteur qui, pour rappel, est l’élément consommant le plus
d’énergie dans les motes. Pour pouvoir réaliser cette tâche, le capteur doit donc disposer
également d’une unité de stockage nécessaire à l’implantation et à l’exécution d’un
programme logiciel. Celle-ci est généralement de moins de 10ko de RAM et de moins de
4
5
En anglais transceiver
Autre terme pour désigner un capteur
-5-
100ko de ROM [CES04] et est donc de très faible capacité par rapport à ce que nous pouvons
trouver sur les ordinateurs personnels actuels. Afin d’augmenter la taille de la mémoire
disponible, il est également possible d’utiliser des mémoires additionnelles de type Flash ou
Eprom par exemple. Un autre type de mémoire supplémentaire pourrait bientôt être envisagé :
il s’agit de la Magnetoresistive Random Access Memory ou MRAM. En effet, celle-ci est en
cours de développement mais ses atouts pour une utilisation dans les réseaux de capteurs
pourraient être multiples car elle est très rapide à l'écriture et à la lecture, non volatile, elle
consomme peu d'énergie, peut être effacée et réécrite un nombre de fois illimité (ce qui lui
donne une espérance de vie aussi longue que celle de l'appareil qu'elle équipe), son coût de
fabrication est faible et elle ne subit pas les influences des radiations [Mai06].
La Figure 2 présente les différents changements qui ont été apportés aux capteurs
utilisés traditionnellement et que nous venons de décrire. Celle-ci est à mettre en parallèle
avec la Figure 1 précédente.
Sens de parcours des mesures/signaux entre les éléments
Acquisition
Elément de
détection/mesure
Traitement des
données
Traitement du signal
Conditionneur
de signaux
Convertisseur
DSP
Processeur
Mémoire
Communication
Émetteurrécepteur
Alimentation électrique autonome
Légende :
Alimentation
Alimente
Eléments obligatoires
Figure 2 : Schéma d'un composant d'un réseau de capteurs, inspiré de [KDM05]
En outre, ces appareils peuvent être également appelés « capteurs intelligents » tel que
la norme présentée dans [IEEE-1451 Expo2001] les définis. En effet, celle-ci standardise
leurs caractéristiques à savoir la définition des interfaces pour qu’ils puissent se connecter à
des réseaux divers, les fonctionnalités additionnelles qu’ils doivent posséder en plus de celles
nécessaires à une représentation correcte du phénomène quantifié, etc. Parmi ces fonctions,
nous pouvons citer : la facilité d’installation, l’auto-identification, l’auto-diagnostic, la
fiabilité, le temps d’éveil pour la coordination avec d’autres nœuds, quelques fonctions
logicielles, le traitement du signal, des protocoles de contrôles standards et des interfaces
réseaux [IEEE-1451 Expo2001]. De plus, les motes tout comme cette norme visent les mêmes
objectifs à savoir rapprocher l’intelligence du point de mesure et minimiser leur coût
d’intégration ou de maintenance dans des réseaux distribués [Lew04].
-6-
Enfin cette norme définit également le terme de « capteur virtuel » car sa principale
caractéristique est d’être indépendant du réseau dans lequel il se trouve. Pour réaliser cette
condition, le capteur n’est en réalité constitué que par l’élément de détection/mesure, le
conditionneur de signaux, le convertiseur analogique-numérique et le processeur du signal
numérique que l’on peut schématiser comme à la Figure 3 qui est une modification du schéma
présent dans [Lew04].
Elément de
détection/mesure
Conditionneur de
signaux
Convertisseur
DSP
Capteur virtuel
Figure 3 : Modèle de capteur virtuel, inspiré de [Lew04]
II.1.3) La mise en réseau
Les types de capteurs que nous venons de décrire servent de pierre angulaire à
l’édification de réseaux dits de capteurs sans-fil. D’autres éléments viennent compléter ce
réseau. Il s’agit des stations de base et des collecteurs. Les collecteurs sont un autre type de
noeud du réseau qui permet de rassembler des données provenant de plusieurs motes et qui
possède également des fonctions de passerelle, reliant ainsi les capteurs avec un réseau
externe – Internet par exemple. Ces derniers possèdent beaucoup plus de capacités que les
motes tant au niveau de la mémoire que de la vitesse de traitement ou des réserves en énergie.
La station de base, quant à elle, est l’élément recueillant les données et/ou les analyses du
réseau et servant également à son administration. Un réseau de capteurs sans-fil peut alors
ressembler au schéma de la Figure 4 :
Figure 4 : Schématisation d’un réseau de capteurs sans-fil
-7-
Ainsi les données détectées vont parcourir le réseau de capteurs en capteurs jusqu’à la
station de base par exemple. En retour, celle-ci peut demander l’exécution d’une tâche
particulière à un capteur donné.
Ces réseaux sont utilisés dans des domaines divers nécessitant l’acquisition
d’informations concernant l’environnement. Le paragraphe suivant décrit les différentes
utilisations possibles d’un WSN.
II.1.4) Les différentes utilisations des réseaux WSNs
Comme beaucoup de technologie, le développement des WSNs a été suscité par des
besoins militaires. En effet, les armées souhaitent être en mesure d’espionner discrètement
leurs ennemis. L’absence de câbles entre les noeuds, leur faible taille, le nombre élevé de
motes déployables – pour couvrir une zone étendue - répondent à ces critères. Ainsi plusieurs
applications ont été réalisées dont le SOund SUrveillance System ou le Distributed Sensor
Network [KDM05].
Puis, la diminution des coûts fabrication des capteurs ainsi que la réduction de leur
taille a entraîné une utilisation dans des applications civiles. Ils peuvent par exemple être
utilisés à des fins de surveillance environnementale. En effet, des capteurs peuvent être placés
dans des régions glaciaires ou tropicales afin de suivre de manière précise les effets du
réchauffement de la planète, les changements climatiques ou l’augmentation de la pollution
[KDM05]. Ils peuvent également être employés pour une surveillance de l’habitat car leur
déploiement, par exemple en montagne, pourrait permettre de recenser les animaux
fréquentant un territoire donné. Des applications industrielles peuvent également les adopter.
Une idée d’utilisation pourrait être de placer ces instruments à des points spécifiques, par
exemple aux points d’usure des machines ce qui permettrait d’émettre des alertes lorsque leur
état général se dégrade [CES04]. Enfin, certains envisagent d’implanter des senseurs dans le
corps humain. Ce qui permettrait de contrôler l’état de santé de patients et ainsi d’adapter leur
traitement, de prévenir de la dégradation de leur état de santé et par conséquent d’être capable
d’anticiper une hospitalisation en urgence [LM&all04]. Mais ceci n’est pour l’instant qu’une
utilisation future qui dépend encore grandement des progrès à venir de cette technologie.
II.1.5) Les caractéristiques des réseaux de capteurs sans-fil
Les réseaux de capteur sans fil forment un domaine de recherche éclectique
nécessitant la mise en commun de connaissances provenant de nombreuses disciplines
différentes telles que l’électronique, la physique, les réseaux, la programmation, etc.
Premièrement, l’électronique fournit des innovations au niveau du matériel. En effet et
conformément à la seconde loi de Moore qui dit que « the number of transistors on integrated
circuits doubles every 18 months », on constate que les composants électroniques disponibles
sont régulièrement améliorés. Il existe donc une grande hétérogénéité du matériel disponible.
Le Tableau 1 résume les améliorations dont les motes ont bénéficié en quelques années au
niveau de la cadence de leur processeur (la vitesse à laquelle les opérations peuvent être
effectuées), de la mémoire Flash disponible pour les applications ou de la mémoire utilisable
pour les calculs (RAM).
-8-
Mote
WeC
rene
dot
mica
mica2
iMote
btNode
Date
1999
2000
2001
2002
2003
2003
2003
7
12
7
Processeur (MHz)
Flash (code, ko)
RAM (ko)
4
8
8
16
128
128
512
128
0,5
0,5
1
4
4
64
4
Tableau 1: Evolution des capacités matérielles des motes [LMGPSWBC04]
En ce qui concerne les réseaux, les différentes techniques existantes ne peuvent pas
être appliquées directement. Celles-ci doivent être adaptées afin de prendre en compte les
fortes contraintes, notamment celles concernant l’énergie disponible. Par exemple, pour les
communications, l’utilisation d’acquittement doit être utilisée avec parcimonie [YB05]. En
effet, même si l’utilisation d’une telle technique permet d’augmenter la fiabilité des échanges
entre les nœuds, cela engendre des communications supplémentaires et par conséquent une
surconsommation d’énergie.
De même, le déploiement d’un tel réseau génère de nouveaux problèmes. Il existe, en
effet, plusieurs moyens de déployer un WSN sur une zone à surveiller. Cette dissémination
des capteurs peut être réalisée aléatoirement, par exemple, en « parachutant » des motes
depuis un avion ou un bateau. Dans ce cas, il devient alors impossible de déterminer une
configuration a priori du réseau. En effet, certains pourraient atterrir à l’envers ce qui les
empêcheraient non seulement de faire leur travail de détection mais également de
communiquer avec les autres éléments du réseau. Pour remédier à ce problème, une autoorganisation de ce dernier s’avère nécessaire c’est-à-dire que les motes doivent savoir
localiser les nœuds voisins et établir les routes pour que l’information puisse circuler à travers
le réseau. Un deuxième type de déploiement consiste à placer « à la main » des capteurs dans
des endroits stratégiques mais cette solution devient impensable dès que l’on considère un très
grand nombre de capteurs. Enfin, un mélange de ces deux techniques peut être envisagé.
De nouvelles techniques de routages doivent également être mises en place. En effet,
dans les réseaux dits « classiques » comme les LANs, Internet, etc, les paquets sont routés via
l’adresse IP du destinataire. Or dans un réseau WSN, il peut arriver qu’on s’intéresse moins à
l’auteur d’une donnée qu’à la donnée elle-même. Par exemple si on reprend l’exemple du
thermomètre, cela revient à se demander : « Y a-t-il des endroits où il fait plus de 20°C ?» et
non « Où fait-il plus de 20°C ? ». Cette technique particulière est appelée « basé-attribut ».
De plus, on peut envisager qu’un utilisateur traverse le « champ » de motes afin de
collecter des informations ou de reconfigurer le réseau. Il convient alors de fournir à cet
utilisateur des moyens d’administrer aussi bien un simple mote que le réseau dans son
ensemble. C’est dans ce cadre que s’inscrivent les recherches actuelles sur la possibilité de
définir un middleware pour les WSNs. Elles sont présentées dans la section suivante.
-9-
II.1.6) Les challenges/Les besoins
L’utilisation d’un middleware apparaît comme un besoin fondamental pour faciliter
l’évolution des réseaux de capteurs. En effet, la description non exhaustive précédente (II.1.4)
des différentes utilisations possibles d’un tel réseau démontre la diversité des caractéristiques
des applications. En effet, les applications des WSNs sont fortement dépendantes du domaine
et des objectifs envisagés. A chaque application correspond une architecture du réseau et une
implémentation. Certaines, par exemple, peuvent nécessiter une transmission des données
fiables [KDM05] alors que d’autres peuvent se permettrent de perdre des données en cours de
routage mais nécessitent une grande précision dans les données collectées. Or les techniques
actuelles nécessitent souvent de redévelopper, soit dans le meilleur des cas une partie, soit
dans le pire des cas toute l’application. Un middleware peut alors apporter une solution à ce
problème en s’adaptant facilement à l’hétérogénéité des applications développables sur de tels
réseaux. En effet, dans les systèmes traditionnels, un middleware est utilisé pour masquer
l’hétérogénéité des systèmes mis en réseau et faciliter le développement d’applications
distribuées. De plus, il est défini comme une couche logicielle servant d’intermédiaire entre le
système d’exploitation et une application distribuée.
Cependant la conception d’un middleware pour les réseaux de capteurs n’est pas une
démarche triviale. En effet, le nombre et la sévérité des contraintes existantes constituent un
premier obstacle à son élaboration. De plus, les réseaux de capteurs étant une technologie
particulièrement récente, il n’existe pas encore de consensus concernant la définition des
interfaces du système d’exploitation. Celles-ci font toujours l’objet de recherche. En outre, de
nombreuses applications exécutent des opérations matérielles directement sans passer par un
composant système [YB05].
Malgré tout, certaines fonctionnalités récurrentes dans les applications actuelles
(agrégation de données, contrôle et gestion du réseau) permettent d’établir des premiers
éléments dans la définition d’un tel middleware. Dans ce cadre, des principes de conception
ont néanmoins été proposés dans [BHRT04] et [YKP04]. Un middleware doit donc être entre
autre :
• Evolutif pour s’adapter aux contraintes ;
• Générique pour s’appliquer à différentes applications possédant des interfaces
communes ;
• Adaptatif pour reconfigurer sa structure ;
• Réflectif pour changer de comportement en fonction de l’environnement et des
circonstances ;
• Léger.
De plus, des mécanismes configurables en fonction des besoins de l’application
devront être proposés. Il devra également exister des mécanismes autorisant l’accès aux
données détectées à partir d’application extérieures au réseau ainsi que des communications
basées évènement et centrées sur les données.
Nous avons présenté ici le contexte général, les spécificités et les contraintes du
domaine dans lequel s’inscrit ce travail, nous allons, dans la section suivante, nous intéresser
aux caractéristiques de TinyOS, le système d’exploitation de référence installé sur les
capteurs.
- 10 -
II.2) TinyOS et sa distribution
TinyOS [TOS04] est un système d’exploitation open-source spécialement conçu pour
les applications embarquées fonctionnant en réseaux et, en particulier, pour les réseaux de
capteurs sans-fil. Initialement développé au sein de l’université de Berkeley en Californie,
TinyOS est devenu le standard de facto. En effet, celui-ci est installé sur tous les motes
disponibles actuellement et de nombreux groupes de recherche ainsi que des industriels s’en
servent afin de développer et tester des protocoles, différents algorithmes, des scénarios de
déploiement [TOS04].
Cette popularité est liée au fait que TinyOS fournit non seulement des outils de
développement et de simulation aux développeurs mais également une solution permettant de
développer rapidement des applications répondant à la diversité des caractéristiques existantes
d’un réseau à l’autre telles que le besoin de fiabilité dans les informations récoltées, la qualité
de service du réseau ou encore aux capteurs mis en jeu. En outre, le domaine de l’embarqué
impose de sévères contraintes notamment en ce qui concerne l’espace de stockage et l’espace
mémoire alloués au système d’exploitation et aux applications tournant dessus. TinyOS
répond à ce problème en générant une très petite empreinte mémoire [GLBWBC03], celle-ci
correspondant à la fusion du système d’exploitation et de l’application exécutée. Enfin, en ce
qui concerne plus particulièrement le domaine des réseaux de capteurs, les capteurs sont
souvent à l’origine de la détection d’un phénomène et informe le réseau de son existence.
TinyOS propose ainsi un modèle de programmation orienté évènement.
Cette section décrit TinyOS en commençant dans un premier temps par la description
de son modèle et des principales notions associées à celui-ci. Ensuite, nous détaillerons le
langage NesC utilisé pour l’implémentation de TinyOS. Celui-ci est un langage orienté
composant s’inspirant du C classique.
II.2.1) Les notions principales
Afin de fournir les spécificités décrites précédemment, TinyOS est construit autour des
différents concepts décrits ci-dessous. Le premier repose sur l’utilisation de composants.
Ceux-ci sont constitués d’une frame, de tâches et d’interfaces. La frame contient l’état interne
du composant. Il s’agit d’un espace mémoire réservé de taille fixe permettant au composant
de stocker les variables globales et les données qu’il utilise pour réaliser ses fonctionnalités. Il
n’en existe qu’une seule par composant et celle-ci est allouée statiquement à la compilation.
Les tâches quant à elles contiennent l’implémentation des fonctions métiers, décomposées en
deux catégories : les commandes et les évènements. Enfin, les interfaces représentent le
descriptif de ces fonctions. Un composant TinyOS peut donc être modélisé tel que sur la
Figure 5 où les triangles représentent les gestionnaires d’évènements, les triangles inversés le
point d’accès des commandes, les flèches pointillées les évènements signalés et les flèches
pleines les commandes transmises.
- 11 -
Figure 5 : Schématisation d'un composant TinyOS [HSWHCP00b]
Ces composants s’inscrivent dans le cadre de l’utilisation d’une architecture basée
composant qui se révèle spécifique par l’implémentation proposée par nesC. Grâce à celle-ci,
il est possible de créer une application par assemblage des seuls éléments strictement
nécessaires tant au niveau système qu’au niveau applicatif. A cette fin, TinyOS fournit une
réserve de composants systèmes utilisables au besoin. Parmi les plus fréquents, nous pouvons
citer ceux concernant les entrée/sorties, les timers, les protocoles communications, etc. Ceuxci couvrent aussi bien les parties hardware que software d’un capteur. Il ne reste alors au
concepteur qu’à créer ses propres composants c’est-à-dire ceux répondant aux fonctionnalités
métiers de l’application cible et à les lier avec ceux fournis par TinyOS. Cet assemblage est
réalisé indépendamment de l’implémentation.
TinyOS utilise pour cela un Langage de Description d’Architecture ou ADL6 afin de
définir quels sont les composants impliqués dans la création de l’application ainsi que la
manière dont ils sont reliés. Cette liaison entre composants repose sur la notion d’interface.
Une interface contient le descriptif des tâches que le composant est capable de rendre ou
celles dont il a besoin pour fonctionner correctement. On parle alors respectivement
d’interfaces de services fournis et d’interfaces de services requis. Un ADL permet ainsi de
schématiser une vue globale de l’application de la même manière qu’un plan d’architecte
modélise une maison en décrivant les différentes pièces de celle-ci et la manière dont elles
sont disposées et « communiquent » entre elles (portes, couloirs, etc.). En continuant
l’analogie, les pièces représentent les composants et les « voies de communication » les
liaisons.
Dans TinyOS, ce plan est appelé « graphe de composants ». Il favorise la réutilisabilité
des composants et se représente comme dans la Figure 6 [HSWHCP00a]. Les rectangles
représentent les composants, les flèches blanches les « interfaces de services fournis », les
flèches noires les « interfaces de services requis ». Les traits partant d’un composant vers un
triangle noir ou blanc modélisent une liaison.
6
ADL : Architecture Description Language
- 12 -
Figure 6 : Graphe de composants d'une application visant au routage des relevés des capteurs
[HSWHCP00a]
Le deuxième concept important fixe un modèle mémoire. En effet, une des
particularités de TinyOS est d’interdire les allocations dynamiques ainsi que celles se
produisant à l’exécution. Pour cela, TinyOS s’appuie sur le graphe de composant
précédemment décrit afin de déterminer la taille de chaque composant et ainsi établir
statiquement leurs liaisons à la compilation. En outre, afin de conserver l’espace mémoire, les
pointeurs de fonctions sont également interdits. En effet, leur utilisation nécessiterait de
stocker non seulement la (ou les) fonction(s) mais également le pointeur vers celle(s)-ci. De
même, les variables globales permettent d’économiser de la mémoire. En effet, de façon
intuitive, il est moins coûteux de ne posséder qu’un seul exemplaire de données plutôt que
plusieurs. Ainsi dans TinyOS lorsque plusieurs composants utilisent des données similaires,
celles-ci sont déclarées en tant que variables globales et sont stockées dans un espace
mémoire réservé à leur effet – ce qui correspond au cadre « Global » de la Figure 7. Les
composants requérant leur utilisation y accèdent au moyen d’un pointeur. Enfin, un dernier
espace mémoire est réservé pour les variables locales. Il s’agit de l’espace « Stack » présent
sur la Figure 7. Celui-ci fonctionne à la manière d’une pile permettant l’empilement et le
dépilement de ces variables temporaires. L’empilement faisant diminuer l’espace « Free » et
le dépilement l’augmentant. L’utilisation de la RAM d’un mote peut donc être modélisée de
la manière suivante :
Figure 7 : Modélisation de l'utilisation de la mémoire d'un mote [TOS05]
- 13 -
Le dernier concept fondateur concerne la concurrence. Dans TinyOS, celle-ci peut tout
d’abord être générée par des mécanismes calculatoires différés : les tâches. Il s’agit de sortes
d’appels de fonctions réalisés par les composants. Cela consiste à placer « la fonction » à
exécuter selon sa priorité dans l’ordonnanceur de TinyOS, une file FIFO bornée nonpréemptive, et à se terminer immédiatement. Lorsque la file est pleine, la tâche ayant la
priorité la plus faible est enlevée pour permettre à la nouvelle tâche dont la priorité est plus
élevée d’y entrer. Leur tour venu, les tâches alors s’exécutent jusqu’à complétion sauf si elles
sont préemptées par un évènement. Il est à noter que les tâches ne peuvent pas se préempter
entre elles et qu’elles doivent être courtes. S’il s’agit d’une tâche longue, celle-ci se déroulera
sur plusieurs tâches. La deuxième source de concurrence provient des évènements, c’est-à-dire
d’un phénomène détecté par le capteur, d’un évènement matériel comme une interruption par
exemple ou de l’annonce de la terminaison d’une opération split-phase, i.e. une tâche de
longue durée. Les évènements semblablement aux tâches s’exécutent jusqu’à complétion mais
peuvent cependant se préempter entre eux [GLBWBC03], appeler des commandes, poster de
tâches ou signaler d’autres évènements. Enfin, les commandes sont des opérations similaires
aux évènements mais constituent uniquement des points d’entrée pour le composant c’est-àdire qu’elles ne peuvent seulement appeler que des commandes de plus bas niveau ou poster
des tâches. Ce qui peut se résumer comme sur le graphe temporel de la Figure 8 où un
évènement est déclenché par une interruption provenant d’un composant matériel.
Figure 8 : Modélisation de l'ordonnanceur TinyOS [Liu05]
Pour pouvoir implémenter le modèle TinyOS, un nouveau langage de programmation
a été développé en s’appuyant sur le langage C mais en le modifiant afin de prendre en
compte les spécificités de ce modèle et les fortes contraintes du domaine. Il s’agit de nesC. Ce
langage décrit à la section suivante.
II.2.2) NesC
NesC est un langage de programmation conçu pour la réalisation de systèmes
embarqués distribués. Il cible en particulier l’implémentation d’applications pour les réseaux
de capteurs. Il offre donc une réactivité importante vis-à-vis de l’environnement, une gestion
de la concurrence même intensive et un support de communication. De plus afin de tenir
compte des fortes contraintes du domaine visé, de nombreuses optimisations sont proposées
pour diminuer l’occupation de l’espace mémoire. En outre, afin de permettre un
développement simple, robuste et rapide des applications, nesC s’appuie sur des concepts
généraux proposés dans l’ingénierie logicielle basée composant (cf. II.3.1). Il permet
notamment la décomposition d’une application en « modules » réutilisables.
- 14 -
Pour obtenir ces différents éléments, nesC fournit d’abord trois abstractions de
programmation à savoir les interfaces, les modules et les configurations. Dans les différents
exemples de code suivant, les mots-clés du langage sont mis en évidence en gras.
Premièrement, les interfaces spécifient un ensemble de fonctions, appelées
commandes, qui doivent être implémentées par le fournisseur de l’interface et un ensemble de
fonctions, appelées évènements, qui doivent être implémentées par l’utilisateur de l’interface
[GLCB03]. Afin de distinguer les fonctions concernant un évènement de celles concernant
une commande, les en-têtes des fonctions sont précédés des mots-clés respectifs event ou
command. Voici un exemple simple d’interface :
Interface Timer {
command result_t start(char type, uint32_t interval);
command result_t stop();
event result_t fired();
}
De plus, comme il a été mentionné précédemment, le modèle mémoire fixé par
TinyOS n’autorise pas les pointeurs de fonctions. Afin de néanmoins proposer un mécanisme
alternatif, nesC utilise des interfaces paramétrées. Celles-ci permettent à l’utilisateur de créer
un ensemble d’interfaces identiques et d’en sélectionner une seule à appeler grâce à un
identifiant.
interface SendMsg[uint8 t id]
Ainsi, une instance d’interface paramétrée correspond à de multiples interfaces vers ce
composant, une pour chaque tuple distinct de valeurs de paramètres. L’interface SendMsg
déclare donc 256 interfaces de type SendMsg [GLCB03].
Les modules sont eux les éléments de base de la programmation. Ils permettent en
effet d’implémenter les composants et sont stockés dans un fichier possédant la structure
suivante :
module NomModuleM {
provides {
//liste des interfaces fournies, ex :
interface NomInterfaceFournie1 ;
}
uses {
//liste des interfaces requises, ex :
interface NomInterfaceRequise1 ;
}
}
implementation {
//déclarations des variables, ex :
int state ;
//implementations des fonctions decrites par les
//interfaces fournies ;
}
- 15 -
Il est à noter que tous les composants TinyOS doivent posséder l’interface StdControl
car celle-ci est utilisée pour initialiser, démarrer et arrêter les composants.
Enfin, les configurations, quant à elles, permettent de décrire les composants
composites c’est-à-dire des composants composés d’autres composants c’est-à-dire de
granularité supérieure. Une configuration permet donc de décrire l’architecture. Une
configuration est donc constituée de modules et/ou d’interfaces ainsi que de la description des
liaisons entre ces composants.
configuration NomModule {
}
implementation {
//liste des modules et configurations utilises, ex :
components Main,Module1,…,ModuleN,Config1,…,ConfigM ;
//descriptifs des liaisons
//Interface fournie <- Interface requise ou
//Interface requise -> interface fournie, ex :
Main.StdControl -> Module1.StdControl ;
}
Détaillons ici, quelques caractéristiques concernant les configurations. La première
d’entre elles concerne une simplification. Lors du descriptif des liaisons, il est en effet
possible de ne pas préciser l’interface fournie par un module. Dans ce cas, elle possédera le
même nom que celle requise. L’autre caractéristique concerne le composant Main. En effet, il
est à noter que ce composant est obligatoirement présent dans la configuration décrivant
l’ensemble de l’application car son rôle est de démarrer l’exécution de l’application.
En outre, le modèle d’exécution proposé par nesC repose sur les tâches et les
gestionnaires d’interruption. Les tâches comme mentionné précédemment, s’exécutent
jusqu’à complétion sauf si elles sont préemptées par un évènement et les interruptions sont
déclenchées de manière asynchrone par le matériel. Or cela peut conduire à des accès
concurrents7 causés par la présence des variables globales. Pour éviter que des « races » ne se
produisent, l’accès aux variables globales ne doit se faire qu’à l’intérieur de tâches ou qu’à
l’intérieur d’instruction atomique. Ainsi, il existe deux types de codes permettant la gestion de
la concurrence : le code synchrone et le code asynchrone. Le code synchrone est la portion de
code d’une fonction (commandes, évènements ou tâches) accessible seulement par des tâches.
Le code asynchrone est lui accessible par au moins un gestionnaire d’interruption. Enfin, afin
d’assurer qu’aucune situation de compétition ne se produise, nesC impose un « Race-Free
invariant » : Any update to shared state is either Synchronous Code-only or occurs in an
atomic statement [GLCB03]. L’atomicité est implémentée en désactivant ou réactivant les
interruptions. Enfin, le système permet également au programmeur de signifier qu’une
situation probable de compétition ne se produira pas, cela est réalisé en spécifiant le code
correspondant comme norace.
7
en anglais, race conditions
- 16 -
II.2.3) La compilation
La première étape de ce processus consiste à compiler les fichiers nécessaires à
l’application et au système d’exploitation. Celle-ci est réalisée via le compilateur nesC fourni
par TinyOS. Son rôle est premièrement de transformer les fichiers nesC en fichier C et
deuxièmement d’y intégrer les fichiers du noyau de TinyOS. Ce qui permet d’obtenir un
fichier source C unique. Une fois cette étape accomplie, il ne reste alors qu’à utiliser un
compilateur C traditionnel qui va utiliser le fichier précédemment créé afin de générer une
application exécutable. Celle-ci sera donc constituée par la « fusion » système d’exploitation
et du code applicatif. Ces différentes phases peuvent être synthétisées comme présenté à la
Figure 9 :
Figure 9 : Les étapes de la compilation d'une application TinyOS[Mau]
L’intégration du système d’exploitation TinyOS, dont le cœur n’occupe que 386
octets, dans l’application est une première optimisation proposée lors de la compilation par
nesC afin de préserver l’espace mémoire. En poursuivant le même but, des opérations
d’inlining sont réalisées. Il s’agit d’un processus consistant à insérer le code d’une fonction à
l’endroit où celle-ci est appelée. Dans nesC, l’inlining n’est pas seulement réalisée à
l’intérieur d’un module mais aussi entre des modules différents. De même, les dead codes,
c’est-à-dire les morceaux de codes inutiles telle qu’une fonction qui n’est jamais appelée, sont
supprimés.
Après avoir présenté le domaine des réseaux de capteurs sans-fil nous allons nous
intéresser à la CBSE dans la section suivante. Il s’agit d’une approche visant à pallier les
limites de la technologie orientée objet pour le développement d’applications pouvant
s’adapter rapidement et à un moindre coût aux nécessaires évolutions du marché.
II.3) Etat de l’art sur la CBSE
Nous allons dans cette section dresser un rapide aperçu de l’ingénierie logicielle basée
composant plus connue sous le nom de Component-Based Software Engineering (ou CBSE).
II.3.1) Les concepts fondamentaux de la CBSE
La CBSE repose sur une série de concepts maintenant clairement établis. Nous les
présentons ici.
- 17 -
II.3.1.1) Les composants
Bien que la notion de composants soit au cœur de la CBSE, il n’en existe pas pour
autant de définition universelle. Cependant, celle la plus souvent retenue est celle proposée
par Szyperski [SGM02] : « A software component is a unit of composition with contractually
specified interfaces and context dependencies only. A software component can be deployed
independently and is subject to composition by third parties ». Autrement dit, un composant
possède trois caractéristiques fondamentales. La première d’entre elle est qu’un composant est
semblable à une boîte noire c’est-à-dire qu’il masque totalement les détails de son
implémentation et ne communique que par le biais de ses interfaces. La deuxième spécificité
est la prédisposition des composants leur permettant d’être assemblés dans le but de
développer d’autres composants ou de construire des applications toutes entières. La dernière
propriété a trait au déploiement. En effet, un composant peut non seulement être déployé par
une personne qui ne l’a pas conçu mais également indépendamment de tout autre élément. On
peut alors parlé d’entité autonome.
Afin de simplifier, nous allons réaliser une analogie avec un puzzle, un composant
étant ainsi équivalent à une pièce de ce puzzle. Chacune possède un fragment de l’image
finale ainsi qu’un contour qui est lui propre mais pouvant s’adapter au contour d’une autre
pièce. Si deux pièces possèdent un contour opposé, un assemblage est possible. Dans le cadre
de l’ingénierie logicielle basée composant, on parle de composition. Les bords
« représentent » les interfaces contractuelles et le fragment d’image correspond à
l’implémentation de ce composant. Enfin, une pièce peut demeurer seule sur le plateau c’est
l’autonomie et être finalement installé par un autre amateur de puzzle.
composant
interface
contractuelle
Figure 10 : Illustration de la notion de composant
Enfin, un composant ne possède pas une taille fixe. Il peut représenter un objet
classique comme un composant contenant d’autres composants contenant eux-mêmes d’autres
composants et ainsi de suite. On parle alors de granularité arbitraire du composant.
II.3.1.2) Les interfaces
Afin que deux composants puissent collaborer, i.e. s’échanger des données ou se
demander mutuellement l’exécution d’une tâche, il est nécessaire de les relier. Pour cela, on
utilise les points d’accès aux composants : les interfaces. Une interface se présente sous la
forme d’une collection de déclarations d’en-tête de fonctions. Elles décrivent donc de manière
exhaustive l’ensemble des services que le composant est capable de rendre ou l’ensemble de
ceux qu’il requiert pour fonctionner correctement. Cette distinction est représentée en UML
par la notation suivante :
- 18 -
Figure 11 : Représentation UML des 2 types d'interfaces existantes
La connexion d’une interface de service requis d’un composant avec une interface de
services fournis par un autre composant forme alors un canal de communication entre ces
deux composants. Mais une telle liaison n’est établie qu’à condition que l’interface de
services fournis offre effectivement toutes les opérations pouvant être appelées par l’interface
de services requis. On peut également parler de connexion par analogie avec le
modèle/serveur. Cela est modélisé en UML de la manière suivante :
liaison
Figure 12 : Schéma UML 2.0 d'une liaison
Ces assemblages peuvent être réalisés au moyen d’un ADL (cf. II.2.1).
La section suivante décrit un modèle reprenant les concepts établis par cette approche.
II.3.2) Le modèle initial de Think
Le modèle Think a été développé par Jean-Philippe Fassino au cours de sa thèse
[Fas01]. Celle-ci, soutenue en 2001, propose un modèle permettant de représenter la diversité
des architectures des systèmes flexibles. Il est en effet possible, grâce à Think, de modéliser
aussi bien un système d’exploitation, réparti ou non, qu’un intergiciel. Afin de couvrir cet
espace de conception, Think ne fait pas de choix d’implémentation et laisse aux concepteurs
de systèmes le choix des compromis satisfaisants les contraintes des applications cibles. Il
vise ainsi à la modélisation uniforme des systèmes d’exploitation et des infrastructures
réparties [Fas01].
Ce modèle a été conçu pour répondre aux besoins de maintenance et d’évolutivité de
ces systèmes. Considérons, par exemple, l’utilisation de noyaux monolithiques pour les
systèmes d’exploitation. Cette politique est souvent peu adaptée aux applications s’exécutant
dessus car dans ce cas tous les appels systèmes potentiellement requis par un ensemble
d’applications cibles sont proposés. Pourtant, si on se place dans un domaine spécifique ou si
on sait qu’un seul type d’application sera exécuté, alors seulement une partie de ces appels
système sera effectivement utilisée. Ainsi, Think permet au concepteur de systèmes de ne
sélectionner que les aspects essentiels pour les applications cibles. Cette approche est
particulièrement intéressante pour le monde des systèmes embarqués, et par extension pour
celui des réseaux de capteurs, où l’élimination du superflu est un objectif capital afin de
minimiser l’utilisation des ressources.
- 19 -
Cette section fournit une description non exhaustive du modèle Think en commençant
premièrement par une présentation des concepts distinctifs de ceux présentés dans la section
II.3.1) sur l’ingénierie basée composant (composants, interfaces, liaisons). Puis nous
présentons la notion de domaine ainsi que la bibliothèque de composants, i.e. Kortex. Nous
terminons cette section en expliquant les différentes étapes conduisant à la génération d’une
image exécutable.
II.3.2.1) Les notions principales
L’architecture proposée dans [Fas01] repose notamment sur l’utilisation de
composants, de liaisons et de domaines. Les paragraphes suivants explicitent ces différentes
notions.
II.3.2.1.1) Les composants
Le modèle Think repose sur la notion de composant telle que définie précédemment
c’est-à-dire qu’il réalise les tâches pour lesquelles il a été construit et qu’il les propose à
d’autres via le biais d’interfaces.
Think vise à limiter les contraintes imposées au concepteur de système ainsi la
granularité des composants n’est pas imposée et de même, le modèle Think ne fait pas de
supposition concernant le langage utilisé pour programmer ces éléments. Un langage de bas
niveau tel que l’assembleur ou le C peut-être employé aussi bien qu’un langage de haut
niveau comme le C++ ou Java. Il est à noter qu’à l’heure actuelle, seuls l’assembleur et le C
sont utilisés et que le C++ est en cours de développement.
Enfin, dans Think, la notion de composant est utilisé jusqu’au plus bas niveau.
Autrement dit, même les éléments matériels sont définis sous forme de composants.
Cependant, ceux-ci ne fournissent que les fonctionnalités proposées par le hardware afin de
rester conforme avec la philosophie de Think qui est de n’imposer aucune abstraction
système. Ces composants étant fortement liés au matériel sous-jacent, les systèmes les
utilisant ne seront donc portables que sur des machines strictement similaires.
II.3.2.1.2) Les interfaces
Le mécanisme utilisé pour définir des interfaces conformes aux concepts proposés par
l’ingénierie logicielle basée composant repose sur l’utilisation de descripteurs. Ceux-ci
permettent de séparer la description de l’implémentation. Ainsi le descripteur d’interface,
nommé meth, contient un pointeur vers une table contenant des structures correspondant aux
méthodes. Le premier élément de cette structure correspond à l’en-tête de l’opération et le
deuxième à un pointeur vers son implémentation. La Figure 13 schématise donc cette
description.
- 20 -
Figure 13 : Représentation d'une interface à l’exécution [FSLM02]
Cependant, cette représentation correspond à une première optimisation et n’est
permise que lorsqu’il n’existe qu’un seul composant possédant cette interface. En effet, selon
la nature du composant cible, des améliorations sont envisagées afin de minimiser par
exemple la consommation de mémoire et/ou les coûts engendrés par l’allocation.
Premièrement lorsqu’un composant possède exactement une seule interface, celle-ci pouvant
servir de points d’accès à plusieurs composants, alors les données sont stockées directement
dans le descripteur. On obtient alors la Figure 14 suivante :
Figure 14 : Représentation de l'interface unique d'un composant [FSLM02]
Enfin dans tous les autres cas, le descripteur devient une table de description dont la
deuxième ligne, nommée data, contient un pointeur vers les données comme cela est présenté
sur la Figure 15 :
Figure 15 : Représentation d’une interface dans le cas général [FSLM02]
II.3.2.1.3) Les liaisons
Le modèle Think s’appuie sur la notion de liaison flexible qui permet de modéliser de
façon uniforme l’ensemble des interactions entre les différents composants du système
[Fas01]. Derrière ce concept, différents types de liaison peuvent ainsi être envisagés et créés
dynamiquement comme par exemple la sérialisation qui permet l’échange d’objets binaires ou
l’interposition qui correspond à un « détournement » de liaison permettant entre autre de
comptabiliser les appels émis via cette liaison. La création des liaisons est réalisée grâce à un
composant usine particulier appelé usines à liaisons.
- 21 -
Cependant les liaisons ne relient pas forcément des composants présents physiquement
sur une même machine. Ils peuvent en effet être distants. Les appels de services sont alors
transmis par des RPC8 à travers un réseau tel que Ethernet par exemple. Il s’agit ici d’un point
sur lequel il convient de s’attarder. En effet, une des caractéristiques des réseaux de capteurs
sans-fil est de ne justement pas posséder de réseaux câblés. Ainsi tous les appels distants
passent par l’émetteur-récepteur. Or les opérations utilisant cet élément, en particulier pour
des émissions de données, consomment énormément d’énergie. Malheureusement, il s’agit là
d’une des ressources critiques du système. Il convient donc de n’utiliser ces appels distants
qu’à bon escient ou de trouver un nouveau moyen d’implémenter ces appels distants par
exemple en modifiant la forme du paquet réseau.
II.3.2.1.4) Les domaines
Le concept de domaine, quant à lui, permet de modéliser l’organisation hiérarchique
d’un système [Fas01] c’est-à-dire qu’un domaine peut-être constitué d’autres domaines
s’exécutant en parallèle. Un domaine est ainsi constitué de composants formant le contenu et
d’un composant particulier, le conteneur.
Le domaine propose en outre des aspects non-fonctionnels qui servent à
l’administration et à la manipulation des composants du contenu. Ce dernier est par exemple
en charge de l’exécution, de la configuration, de la maintenance des composants ainsi que de
la surveillance de la sémantique du domaine à la manière d’un contrôleur dans le modèle de
composant Fractal (cf. II.3.3.1).
Figure 16 : Système à base de composants, de liaisons et de domaines [Fas01]
Il existe trois classes de domaine : le domaine matériel, le domaine superviseur et les
domaines applicatifs [Fas01]. Le domaine matériel recouvre l’ensemble des ressources
matérielles d’une machine (processeur, mémoire, périphériques, etc.). Le domaine superviseur
permet l’accès à ces ressources et il peut être vu comme le noyau d’un système d’exploitation
d’un système classique. Enfin les domaines applicatifs correspondent aux composants
n’accédant pas directement aux ressources.
II.3.2.2) Kortex
Pareillement à TinyOS, Think fournit un ensemble de composants systèmes
fréquemment utilisés au travers d’une bibliothèque nommée Kortex. Ces composants
fournissent leurs services indépendamment de l’implémentation d’autres composants. Cela
permet de substituer un composant par un autre sans avoir à se soucier des dépendances, la
condition sine qua non étant que ce dernier possède exactement les mêmes interfaces. Parmi
8
abbreviation en anglais de Remote Procedure Call signifiant appel de procédure distante
- 22 -
les services proposés, nous pouvons citer entre autre l’ordonnancement, la gestion de la
mémoire (plate ou paginée), la gestion réseau ou encore le chargement dynamique de
composants. Enfin il est à noter que Kortex ne dispose actuellement que de composants pour
PowerPC, Arm ou Unix et qu’une liste des composants fournis pour PowerPC est consultable
dans l’Annexe A.
II.3.2.3) La compilation
Afin de construire et assembler les différents éléments nécessaires au système
d’exploitation et à l’application tournant dessus, Think utilise la chaîne de construction
présentée à la Figure 17. Celle-ci autorise une séparation entre l’aspect architecturel et
fonctionnel. Ainsi les langages de description d’architecture et d’interface (respectivement les
cadres .adl et .idl de la Figure 17) sont utilisés pour déterminer les composants en présence.
Ces descriptions sont ensuite converties en fichiers C et utilisées en complément des
implémentations respectives de chacun des composants pour obtenir les fichiers binaires (.o)
grâce au compilateur C. Puis l’éditeur de liens, i.e. l’élément linker de la Figure 17, génère à
partir de ces fichiers une image correspondant au noyau du système d’exploitation et à
l’application tournant dessus (l’élément kernel de la Figure 17) et ce dernier sera chargé sur la
machine grâce au boot loader. Enfin les composants, ou une nouvelle application, sera
chargée via le dynamic loader.
Figure 17 : La chaîne de construction de Think [Lob]
D’autre part, il existe le modèle Fractal qui est modèle de composants générique,
modulable et extensible pouvant être utilisé avec différents langage de programmation pour
concevoir, implémenter, déployer et reconfigurer différents systèmes [BCS04]. Les concepts
clés de ce modèle sont brièvement présentés dans la section suivante. Cependant des
informations complémentaires peuvent être consultées dans [BCS04] et [SH05].
II.3.3) Fractal
Fractal est un modèle de composant issu d’une collaboration entre l’INRIA et France
Télécom R&D et développé depuis 2002 au sein du consortium ObjectWeb9. Il s’agit d’une
norme définissant non seulement les divers éléments abstraits constituant le modèle mais
également la manière dont ils peuvent être assemblés et interagiront entre eux. Il vise
notamment à la création de systèmes et de middleware en s’appuyant sur les concepts de
l’ingénierie logicielle basée composant notamment les composants, les interfaces, les liaisons,
etc.
9
http://www.objectweb.org
- 23 -
Ce modèle est aussi fortement orienté vers la modularité et l’adaptabilité aux besoins
spécifiques qui peuvent apparaître dans le développement d’applications orientées composant.
En effet, il n’impose aucun langage de programmation particulier pour créer, déployer et
maintenir des applications. Ce modèle peut également être facilement étendu et s’adapter pour
intégrer d’autres modèles de composant tels qu’EJB, CCM, OSGI.
De plus, le modèle de composant Fractal s’appuie sur le principe de la séparation des
aspects10. La séparation des aspects consiste à dissocier les différentes fonctionnalités (ou
aspects) d’une application en différents petits programmes indépendants les uns des autres. En
particulier, le modèle de composant Fractal utilise trois aspects :
• la séparation de la conception et de l’implémentation ;
• la programmation orientée composant ;
• l’inversion du contrôle c’est-à-dire que les composants Fractal utilisent une
entité externe et séparée afin d’assurer la configuration et le déploiement des composants.
[BCS04]. Dans le modèle de composant Fractal, cette fonctionnalité est gérée à l’aide du
contrôleur. Ceux-ci sont expliqués dans la section II.3.3.1) suivante.
II.3.3.1) Les composants Fractal
Un composant Fractal est décomposable en deux parties distinctes : une partie nonfonctionnelle et une partie fonctionnelle. Cela correspond respectivement au contrôleur et au
contenu [BCS04]. Ainsi, un composant Fractal peut être modélisé tel que sur la Figure 18.
Contrôle
Contenu
Figure 18 : Vue interne d'un composant
Le contrôleur sert au contrôle et à l’administration des composants. Ainsi différents
types de contrôleur sont fournis :
• Le Component : Utiliser pour permettre l’introspection d’un composant.
• Le ContentController : Servant à l’ajout (respectivement le retrait) de souscomposants dans un composant. Ce dernier est alors nommé composant
composite.
• Le BindingController : Permettant d’établir ou de supprimer des liaisons entre
des interfaces clientes et des interfaces serveurs.
• L’AttributesController : Offrant un moyen d’obtenir et de modifier les
« attributs » du composant. Un attribut est une propriété configurable du
composant [BCS04] comme le prix d’une boisson pour un distributeur de
boisson ou la couleur d’un bouton pour une interface graphique.
• Le LifeCycleController : Utiliser pour démarrer et arrêter proprement un
composant, ceci afin d’éviter par exemple la perte de données ou que l’état de
l’application ne soit plus valable.
10
en anglais : « separation of concerns »
- 24 -
Le contenu contient l’implémentation et les structures nécessaires à la réalisation des
requêtes sur les interfaces du composant. En résumé, il contient les divers éléments qui
permettent aux composants d’exécuter les tâches pour lesquelles il a été conçu.
Parmi les éléments constituant le contenu, nous pouvons retrouver un ou plusieurs
composants, appelés sous-composants. Eux-mêmes pouvant être également composés de
sous-composants. Le niveau d’imbrication des composants n’est pas précisé par le modèle : il
est arbitraire.
II.3.3.2) Les interfaces Fractal
Comme nous l'avons dit précédemment une interface est un point d'accès au
composant. Afin de pouvoir identifier ce point d'accès et ce qu'il permet de faire, une interface
possède un nom unique, un ensemble d’opérations pouvant être réalisées via cette interface et
un rôle (client, serveur ou contrôle).
Cependant certains concepts présentés dans l’ingénierie logicielle basée composant
(cf. II.3.1) correspondent à une appellation différente dans le modèle Fractal. Ainsi le concept
d’interface de service requis (respectivement fournis) est nommé interface cliente (resp.
serveur). Quant aux interfaces de contrôle, celles-ci sont utilisées pour décrire les
fonctionnalités proposées par un contrôleur.
Enfin, la modélisation de ces éléments possède une convention particulière. Les
interfaces clientes sont en effet placées à droite, les interfaces serveurs à gauche et les
interfaces de contrôle en haut sur la représentation d’un composant comme le montre la
Figure 19.
Figure 19 : Vue externe d'un composant [Bru03]
Enfin il est à noter qu’afin de distinguer les différentes interfaces et savoir ce qu’elles
sont capables de faire, toutes les interfaces d’un composant doivent posséder un nom unique.
La section suivante résume les éléments résultant de l’union des deux modèles
précédemment décrits à savoir Think et Fractal. Afin de lever toutes ambiguïtés, nous avons
choisi de baptiser ce modèle Think-Fractal. Dans les sections III, IV et I, les références au
modèle Think renvoient en réalité au modèle Think-Fractal.
- 25 -
II.3.4) Le modèle Think-Fractal
Le modèle Think, présenté en 2001, précède de quelques mois le lancement par
l’INRIA et France Télécom R&D du projet Fractal qui débute, lui, en janvier 2002. Au
départ, les deux modèles sont développés en parallèle mais rapidement Think est intégré au
sein de Fractal afin de fournir à ce dernier une branche orientée vers le domaine de
l’embarqué et vers le monde des systèmes d’exploitation. Cela est rendu possible grâce à la
nature du modèle Fractal qui se veut ouvert et extensible et qui est composé d’une hiérarchie
de modèle.
Le premier point qu’il convient de mentionner est que tous les autres éléments du
modèle initial Think sont conservés à l’exception de la notion de domaine et de la
modélisation. En effet, le domaine disparaît au profit du concept de contrôleur et la
modélisation adoptée pour les différentes notions est celle utilisée dans Fractal. En outre, tous
les contrôleurs présents dans Fractal, i.e. le LifeCycleController, le BindingController, le
ContentController, le Component et l’AttributeController, ont été insérés dans Think-Fractal.
Les chargeurs dynamiques et de boot sont toutefois conservés mais sous forme de contrôleurs.
En résumé, nous avons, dans cette section, dévoilé les caractéristiques des réseaux de
capteurs sans-fil en insistant notamment sur les contraintes des capteurs ainsi que sur les
concepts inhérents à TinyOS le système d’exploitation de référence. Nous avons également
détaillé le modèle basé composant de Think et par conséquent présenté le domaine de
l’ingénierie logicielle basée composant ainsi que le modèle Fractal qui a intégré Think en tant
qu’implémentation pour les systèmes embarqués. Cela nous as permis de dégager les concepts
fondamentaux sur lesquels reposera l’étude formulée dans la section suivante. Celle-ci nous
permettra de mettre en évidence les éléments nécessaires à la conception d’une architecture
logicielle pour les réseaux de capteurs. Nous regarderons en particulier si Think-Fractal peut
servir d’alternative afin de pallier les lacunes du modèle proposé par TinyOS notamment ce
qui concerne les aspects dynamiques.
- 26 -
III. Vers une architecture logicielle pour les réseaux de
capteurs
Le cadre d’étude ayant été établi dans la section précédente, nous allons présenter ici
les principes de conception que nous envisageons pour un nouveau modèle de système
d’exploitation. Celui-ci permettra de corriger une des limites de TinyOS à savoir l’absence de
reconfiguration dynamique. En premier lieu, nous expliquons donc les limites du modèle
TinyOS.
III.1) Les limites de TinyOS
Dans le but de réduire la taille des systèmes générés, TinyOS effectue des
optimisations et impose des restrictions. Premièrement, toutes les allocations mémoire sont
établies statiquement dès la phase de compilation. Deuxièmement, le modèle
d’implémentation fournit via NesC ne dispose pas de pointeurs de fonctions. En conséquence,
aucune allocation dynamique n’est possible.
Cela représente donc une des limites de TinyOS. En effet, une des caractéristiques
pouvant être requise par un réseau de capteur est l’adaptativité aussi bien au niveau du réseau
en lui-même qu’au niveau d’un de ses nœuds. La reconfiguration dynamique entre dans ce
cadre. Une étude [KNEKLM04] a d’ailleurs mis en évidence les difficultés inhérentes à la
mise-en-place de cette propriété sur des motes équipées avec TinyOS. Même si une solution a
été proposée, celle-ci s’est révélée lourde à cause des mécanismes employés afin de pallier la
nature statique du système et plus particulièrement l’utilisation des composants intermédiaires
pour gérer les réaffectations des liaisons. Cette étude propose notamment d’utiliser un
système d’exploitation moins contraignant et permettant l’allocation dynamique.
D’autre part, lors de la génération de l’image système, la notion de composant
disparaît. Ainsi, si on considère toujours la propriété de reconfiguration et si on admet sa
faisabilité alors cela implique que si l’on ne souhaite modifier l’implémentation que d’un seul
composant, le protocole de communication par exemple, il est alors impossible de ne
remplacer que ce composant. C’est l’image entière du système présente sur le capteur qui doit
être réinstallée.
Cela met en évidence un autre problème du modèle. En effet, dans les réseaux de
capteurs, les motes servent de nœuds relais pour la propagation des données. Or il est évident
qu’une image entière du système possède une taille supérieure à celle d’une partie. Ainsi si on
admet encore l’existence d’un mécanisme de reconfiguration pour un mote fonctionnant sous
TinyOS, cela implique de découper cette image du système en de nombreux paquets pour la
transmettre au capteur ciblé. Cela engendre premièrement une augmentation du trafic sur le
réseau et deuxièmement une utilisation accrue du module de communication de chacun des
nœuds relais qui vont transmettre l’image d’un mote à l’autre jusqu’au capteur de destination.
Par conséquent, chacun des nœuds impliqués dans ce processus de transfert consomme
davantage d’énergie. Or il s’agit là d’une ressource limitée.
- 27 -
Par ailleurs, TinyOS ne fournit aucun mécanisme de protection mémoire. Cela
implique que le système est particulièrement vulnérable aux crashs et corruptions de la
mémoire.
En conclusion, le modèle TinyOS tel que proposé actuellement ne permet pas de
répondre aux besoins futurs des applications utilisant les réseaux de capteurs. En effet, les
besoins de services avancés tels que la reconfiguration dynamique ou le déploiement de
nouveaux services sont désormais reconnus comme un besoin important dans les applications
du futur. Les nombreux travaux portant sur l’autonomic computing [KC03] en sont la preuve.
Nous allons donc étudier la possibilité d’utiliser une approche à base de composants
pour le développement des applications utilisant des réseaux de capteurs. La plate-forme
logicielle Think-Fractal proposée par l’INRIA et France Télécom R&D servira de base à cette
étude car premièrement elle a été développée pour répondre aux contraintes des systèmes
embarqués et deuxièment, il a été établi que les modèles EJB, CCM et OSGI étaient trop
lourds pour les WSNs [SGVVRF04]. Nous nous situons ainsi dans le cadre de la proposition
faîte dans [KNEKLM04].
III.2) Vers un système d’exploitation basé composants
Il a été établi dans la section précédente que le modèle proposé par TinyOS est trop
rigide pour fournir des services avancés tels que par exemple la reconfiguration dynamique.
Or malgré une consommation de ressources notamment mémoire un peu excessive,
l’utilisation du modèle proposé par Think11 semble prometteuse plus particulièrement en vue
d’ajouter les aspects dynamiques manquants au modèle TinyOS. L’objectif de cette section
est donc de présenter la conception d’un modèle de système d’exploitation pour capteurs
associant les aspects éprouvés de TinyOS mais également ceux de l’ingénierie logicielle basée
composant au travers de Think.
La première caractéristique de TinyOS qu’il nous semble utile d’intégrer dans Think
est le modèle d’exécution basé évènement. En effet, un tel modèle est fréquemment utilisé
dans les systèmes embarqués car il permet premièrement de générer une petite empreinte
mémoire et deuxièmement de pouvoir contrôler plus facilement l’ordonnancement des
activités. Une telle intégration est possible car une des philosophies de Think est justement de
permettre la réalisation de n’importe quel type de système d’exploitation et par conséquent
celle d’un système d’exploitation basé évènement. Mais cela pose de nombreuses questions à
commencer par la façon de représenter un système d’exploitation sous forme de composants.
Pour y répondre, nous allons tout d’abord présenter les différents éléments matériels
constituant le capteur ainsi que la manière dont ils interagissent entre eux. Comme il a été
décrit dans l’état de l’art, un capteur possède un microprocesseur, des périphériques (réseau,
capteur, Interface série) et de la mémoire. Ces différents éléments sont reliés entre eux tel que
présenté sur la Figure 20 :
11
Think fait dans cette section référence à Think-Fractal mais nous conservons cette appellation afin de
correspondre à la littérature actuelle.
- 28 -
<<hardware comp onent>>
Ram
accède
<<hardware comp onent>>
Controleur de périphériques
contrôle
*
<<hardware comp onent>>
Flash
<<hardware comp onent>>
Mémoire
accède
communique
<<hardware comp onent>>
Périphériques E/S
<<hardware comp onent>>
Processeur
1
<<hardware comp onent>>
Réseau
<<hardware comp onent>>
Bus
1
<<hardware comp onent>>
UC
relie
1
<<hardware comp onent>>
Interface S érie
<<hardware comp onent>>
Capteur
1
<<hardware comp onent>>
UAL
1
<<hardware comp onent>>
Horloge
Figure 20 : "Componentization" d'un capteur
Le processeur est le centre du système. Il s’agit d’une unité capable d’interpréter la
suite des instructions d’un programme puis de les exécuter séquentiellement. Pour cela, il est
constitué d’une Unité Arithmétique et Logique (UAL) pour effectuer des opérations de calcul
élémentaire (+, -) et de comparaison logique (<,>, =), d’une Unité de Contrôle (UC) pour
utiliser les instructions stockées en mémoire, d’une horloge pour le cadencer et d’un bus pour
relier ces différents composants. Les principaux processeurs utilisés dans les capteurs sont
actuellement AVR et ARM. Les processeurs AVR [Wik06a] font partie de la famille des
microprocesseurs RISC fabriqués par Atmel12 et sont également basés sur une architecture
Harvard qui stocke le programme et les données séparément. Les processeurs ARM [Wik06b]
sont également basés sur une architecture RISC et sont largement utilisés dans les systèmes
embarqués comme les PDAs.
En outre, les périphériques d’Entrées-Sorties (Périphériques d’E/S) sont les liens que
possèdent le capteur avec l’environnement, les autres capteurs et éventuellement les
utilisateurs. L’émetteur-récepteur (réseau), la connexion avec la machine de développement
(interface Série) ou le capteur entrent dans cette catégorie. Chaque type de périphériques
d’entrées-sorties possède son propre contrôleur appelé contrôleur de périphériques. Ce
dernier est en charge de ces périphériques et les commande. Cela permet de les rendre
autonomes. Le processeur est informé de la fin d’une opération d’entrée-sortie par
l’interruption générée par le contrôleur.
Enfin, la mémoire, quant à elle, permet de stocker les données et les instructions
nécessaires à l’exécution du programme. Le processeur tout comme les contrôleurs de
périphériques y ont accès.
12
http://www.atmel.com/
- 29 -
Dans Think, tous les éléments matériels sont directement réifiés en composants. Ces
derniers fournissent exactement les mêmes fonctionnalités que le matériel sous-jacent, aucune
abstraction supplémentaire n’est envisagée. Cela revient à remplacer les stéréotypes
<<hardware composant>> de la Figure 20 par <<software composant>>. Ce diagramme
n’est donc pas présenté ici.
Il faut maintenant déterminer la manière dont le système d’exploitation utilise ces
composants pour réaliser les fonctionnalités de l’application. Ainsi, dans un système classique
les différentes fonctionnalités sont représentées par des processus, appelés threads, qui sont
alloués au processeur par un ordonnanceur. Ces threads utilisent des ressources. Cela peut se
modéliser de la manière suivante :
<<hardware component>>
Processeur
1
1
Application
0..1
*
*
Thread
<<software component>>
Ordonnanceur
alloue
CreerProcessus()
EndormirProcessus()
RéveillerProcessus()()
*
*
requiert
*
place
1
utilise
dans
Ressources
1
File
Figure 21 : Liaison entre le système d'exploitation et l'application
Or l’utilisation de threads pour le domaine des réseaux de capteurs semble être une
solution assez coûteuse étant donné que chacun d’entre eux doit stocker dans la mémoire une
copie du contexte d’exécution durant toute la durée de son existence. L’emploi d’un tel
mécanisme consomme donc énormément de ressources mémoire et est par conséquent à
envisager avec parcimonie.
De plus, même si différentes politiques d’ordonnancement peuvent être envisagées
afin d’allouer un processus au processeur, il nous semble raisonnable d’envisager un
ordonnancement via une file FIFO13 comme c’est le cas dans TinyOS. En effet, il s’agit
premièrement d’un algorithme simple à mettre en œuvre, deuxièmement le temps d’activité
d’un mote devant être le plus court possible, les tâches de longue durée seront considérées
comme marginales et troisièmement, comme nous sommes en présence d’un système « monoutilisateur », si une tâche monopolise le processeur, il s’agit d’une situation acceptable. De
plus, l’existence de mécanismes bloquant tel que l’attente de l’arrivée d’un message ne sera
pas permis afin de ne pas empêcher l’exécution des autres processus. Ce choix est modélisé
sur la Figure 21 au travers de l’élément File.
Quant à l’élément Ressources également présent sur cette Figure 21, il permet
d’alléger le modèle car il représente indifféremment plusieurs éléments du modèle de la
Figure 20. En effet, une ressource est un objet logiciel ou matériel pouvant être utilisé par un
programme [Kra85]. La Figure 22 schématise cette définition dans le cadre des capteurs.
13
FIFO abréviation couramment employée pour « First In, First Out » signifiant en français « Premier Arrivé,
Premier Servi ».
- 30 -
Interface
Ressource
1..*
Matérielle
S ystème
*
UAL
Mémoire
Controleur de périphérique
UC
Thread
*
Pilote de périphériques
Bus
Périphérique d'E/S
Figure 22 : Les ressources sur un capteur
Il ne reste maintenant plus qu’à déterminer le type de noyau du système d’exploitation
s’adaptant le mieux à notre domaine d’étude. De façon évidente, un noyau monolithique est
trop volumineux pour pouvoir être utilisé sur des capteurs. Un exonoyau semble bien adapté
car ainsi l’application aura directement accès aux composants matériels dont elle aura besoin.
Nous avons décrit les différents éléments de base constituant notre modèle ainsi que le
type de noyau pouvant correspondre au domaine des réseaux de capteurs. Il ne nous reste plus
qu’à déterminer la manière dont ces différents éléments interagiront entre eux. Un modèle
basé composant repose classiquement sur le modèle client-serveur. En effet, une interface
cliente demande l’exécution d’une requête, i.e. d’une fonction, sur une interface serveur d’un
autre composant mais un modèle de communication par message peut également être utilisé.
Think n’impose rien concernant la nature des communications.
Or la nature des réseaux de capteurs est fortement basée évènement du fait
premièrement des fortes contraintes existantes et deuxièmement du lien très étroit entre le
capteur et son environnement proche. Ce sera en effet souvent le capteur qui sera à l’origine
de la détection d’un phénomène et qui en avertira le système. Ce phénomène peut être mis en
évidence en étudiant les différents états que peut prendre un capteur. Ceux-ci sont au nombre
de quatre : l’état Init, qui lui permet de s’initialiser ; l’état Activité, qui se produit lorsqu’il
réalise une tâche ; l’état Idle, qui lui permet d’économiser de l’énergie en se mettant en
attente d’évènement et l’état Sleep qui permet d’arrêter tous les composants. Dans le
diagramme d’états suivants, l’état Idle correspond aux états AttenteEvt,
AttenteVoisinage et l’état Sleep n’est pas représenté. Comme on peut le constater sur le
schéma Figure 23, un évènement est toujours à l’origine de l’activité du capteur.
- 31 -
Init
DécouverteVoisinage
Activité
Réception Paquet
Entry/VerificationEnergieDispo
Entry/VerificationM emoireDispo
Transfert
AttenteEvt
[nbVoisin=0]
Attente Voisinage
Traitement
Entry/VerificationEnergieDispo
DétectionCapteur[pas en Activité]
Préparation paquet
demandeTraitement[pas en Activité]
Envoie paquet
[nbVoisin=0]
AttenteFin d'activité
[activité]
[Pas d'activité]
Actualisation Voisinage
H
Reconfiguration
Entry/VerificationEnergieDispo
Entry/VerificationM emoireDispo
Réception du composant
Insertion des composants
Suppression de l'ancien composant
M odification des liaisons
<<comment>>
Tous les états sauf reconfiguration
appatiennent à un super-état
marche pour pouvoir faire l'état
suspendu
Figure 23 : Les états d'un capteur
Ce diagramme d’états (Figure 23) met en évidence la coexistence de deux états : Idle
et Activité. En effet, lors de la réalisation d’un traitement, comme l’agrégation des données,
un évènement peut se produire. Par exemple, la batterie peut signaler qu’elle est trop faible
pour continuer à alimenter le capteur. Il convient donc d’avoir un mécanisme permettant de
récupérer ces évènements pour pouvoir les traiter. Cela implique donc deux « threads » afin
de gérer premièrement les attentes d’évènement et deuxièmement les activités en cours dans
le capteur. Cela pose donc un deuxième problème : comment faire coexister l’aspect
évènementiel avec l’aspect fonctionnel des composants (appels de fonctions notamment) ?
Une première approche pourrait être de générer un modèle d’exécution complètement
évènementiel c’est-à-dire que tous les échanges du système se feraient désormais sous forme
d’évènements et non plus d’appel de fonctions. Un inconvénient de cette méthode est qu’il
faut déterminer le « chemin » suivi par les évènements c’est-à-dire qu’il faut déterminer quel
est le composant qui génère un évènement et quels sont ceux qui le traitent. Par conséquent,
une modification du système peut se révéler compliquée.
- 32 -
Une deuxième approche pourrait être d’utiliser le concept des MessageDrivenBean
existant en EJB et de les appliquer aux évènements. Ainsi, tous les composants susceptibles
de signaler un évènement publient un message dans la file d’attente des évènements. Le
composant gérant l’ordonnancement s’inscrit comme abonnés de cette file. Les messages
présents dans la file d’évènements sont prioritaires sur les tâches présentes dans
l’ordonnanceur. Ainsi lorsqu’un évènement se produit, il est placé dans la file d’attente des
évènements, l’ordonnanceur en extrait la fonction associée et la déclenche. Tous les appels de
fonctions concernant cet évènement seront dans la file d’attente de l’ordonnanceur.
<<hardware comp onent>>
Processeur
1
1
<<software comp onent>>
Ordonnanceur
alloue
*
Application
0..1
*
CreerProcessus()
EndormirProcessus()
RéveillerProcessus()()
*
Thread
*
p lace
1
requiert
*
1
utilise
dans
Ressources
1
*
File de Priorité
s'abonne
signale Evènement
Interface
0..1
*
File d'évènement
Figure 24 : Modélisation de l’utilisation d'une file d'évènement
Cela montre la nécessité de définir premièrement un nouvel ordonnanceur qui tienne
compte de la file d’attente des évènements et qui soit capable d’extraire la fonction à appeler
de cet évènement. Il convient donc de déterminer des « patterns » d’évènements afin de
généraliser ce mécanisme. Malheureusement, si une partie de l’application requiert l’arrivée
d’un évènement pour fonctionner, elle n’en sera pas informée. Cette solution ne convient
donc pas car dans ce cas, il conviendrait alors d’avoir une file pour chaque type d’évènement
pouvant être déclenché afin que les composants puissent s’y abonner. Ce mécanisme
engendrerait donc un surcoût mémoire inacceptable pour les capteurs.
Une dernière possibilité consiste donc à ce que chaque composant requérant la
présence d’un évènement pour pouvoir fonctionner possède un « gestionnaire
d’évènement » correspondant à l’évènement dont il a besoin. Et réciproquement, que chaque
composant pouvant signaler un évènement puisse le faire. Cela implique d’avoir une nouvelle
structure de composant. Celle-ci est présentée sur la Figure 25 suivante :
<<software component>>
Gestionnaire d'évènement
1..*
fournit
*
*
<<interface>>
Interface
<<software component>>
Composant
*
requiert
*
*
*
signale *
Figure 25 : Modèle de composant basé évènement
- 33 -
* gère
Evenement
L’implémentation du « gestionnaire d’évènements » en tant que sous-composant
pourrait faciliter les modifications ultérieures à apporter au système. Ainsi si de nouveaux
évènements doivent être pris en compte ou s’il est nécessaire de modifier des évènements
existants, seul le gestionnaire devra être modifié et éventuellement les liens entre les
évènements écoutés et le gestionnaire.
Finalement, notre système d’exploitation repose sur un modèle basé évènement
fonctionnant de la manière suivante : les composants de plus bas niveau signalent des
évènements aux composants de niveau supérieurs qui sont capables de les traiter et les
composants de niveaux supérieurs peuvent demander l’exécution de tâches à des composants
de niveaux inférieurs via des appels de fonction. De même, des composants d’un même
niveau communiquent également par des appels de fonctions. La Figure 26 schématise se
mécanisme.
Application
<<commande>>
<<signale>>
<<software comp onent>>
S ystème
<<commande>>
<<signale>>
<<software comp onent>>
Représentation Matériel
<<signale>>
<<commande>>
<<hardware comp onent>>
Hardware
Figure 26 : Fonctionnement du système
L’ordonnanceur est en charge du mécanisme de la répartition du processeur entre les
différents éléments. Or, le processus d’ordonnancement choisi précédemment, une file FIFO,
impose que toutes les tâches soient traitées dans l’ordre d’arrivée. Ainsi, l’arrivée d’un
évènement n’implique pas forcément la prise en compte immédiate de celui-ci. Une solution à
ce problème réside dans l’utilisation d’une « file de priorité » dans laquelle les
évènements auront une priorité supérieure aux appels de fonctions. Dans ce cas, lors d’une
arrivée d’un évènement, l’ordonnanceur placera ce dernier en tête de la file, ou s’il existe
d’autres tâches ayant la même priorité à la suite de ces dernières. Une fois, le traitement en
cours terminé, l’évènement sera pris en compte et l’ordonnanceur le signalera à tous les
composants possédant le « gestionnaire d’évènement » adéquat qui est capable de le traiter.
Dans cette section, nous avons présenté les limites du modèle TinyOS pour des
applications envisageables dans un futur proche. Ainsi le besoin de reconfiguration
dynamique et par extension l’adaptativité ne sont actuellement pas des fonctionnalités
envisagées pour les applications basées sur les réseaux de capteurs.
Nous avons donc proposé des concepts permettant de définir un système d’exploitation les
prenant en compte. Pour cela, nous avons tenté de marier les aspects éprouvés de TinyOS
notamment le modèle basé évènement avec les possibilités du modèle Think et en particulier
les aspects dynamiques offerts. Dans la section suivante, nous allons concevoir un mécanisme
de reconfiguration dynamique applicable aux réseaux de capteurs et au système d’exploitation
que nous venons de définir.
- 34 -
IV. Etude de la reconfiguration dynamique
La reconfiguration dynamique est une opération permettant de remplacer un
composant par un autre dans une application en cours d’exécution. Plusieurs causes peuvent
être à l’origine d’une telle action. Il peut par exemple être nécessaire de substituer un
composant mal implémenté, c’est-à-dire ne réalisant les fonctionnalités prévues ou les
réalisant de manière incorrecte, ou encore d’ajouter à ce composant de nouvelles
fonctionnalités. Un tel processus ne peut être réalisé qu’à la seule condition que le composant
soit dans un état stable, i.e. qu’il ne soit plus utilisé. Dans le cas contraire, la reconfiguration
pourrait conduire à un crash irrémédiable du système.
Cette section propose ainsi une modélisation d’un mécanisme de reconfiguration
dynamique adapté aux réseaux de capteurs. Nous commençons dans un premier temps par
décrire le mécanisme générique proposé dans [Pol04] car celui-ci repose déjà sur le modèle
Think-Fractal mais n’est pas assez contraint pour être directement adaptable aux réseaux de
capteurs. Nous proposons donc dans un deuxième temps les modifications à apporter à ce
mécanisme pour le rendre applicable pour ce domaine.
IV.1) Présentation de la solution proposée par Juraj
Polakovic
Au cours de son stage de master [Pol04], Juraj Polakovic a proposé un mécanisme de
reconfiguration dynamique pour Think reposant sur la notion de contrôleurs telle que
présentée dans le modèle Fractal. La reconfiguration est ici envisagée au niveau des
composants et les objectifs recherchés pour ce mécanisme sont la généricité et la flexibilité
pour supporter tous les modèles de reconfiguration dynamique, la non-modification de
l’aspect fonctionnel des composants et la minimisation de la surcharge mémoire à l’exécution.
De plus, seuls les composants pouvant nécessiter d’être reconfigurés possèdent ce
mécanisme : il est donc considéré comme optionnel.
Afin de réaliser ces objectifs, la reconfiguration repose dans ce modèle sur une
description de la reconfiguration dynamique constituée premièrement par l’architecture du
système et deuxièmement par un ensemble de règles. Celles-ci définissent si la
reconfiguration est réalisable ou non ainsi que la succession des étapes à suivre pour la
substitution d’un composant par un autre. Ces deux fonctionnalités sont implémentées via un
outil qui contiendra donc une représentation de l’architecture ainsi que la marche à suivre
pour la reconfiguration. Il s’agit en réalité d’un nouveau contrôleur, appelé ReconfEngine,
qui est relié aux contrôleurs Fractal déjà existant. La Figure 27 présente les liens entre le
ReconfEngine et les autres contrôleurs du système. Le système à reconfigurer peut ainsi être
soit un composant « primitif », soit un composant « composite » ou soit une application.
- 35 -
Figure 27 : Liaison entre le contrôleur de reconfiguration et le système à reconfigurer [P04]
En conséquence pour implémenter ce nouveau contrôleur, une nouvelle interface a été
définie. Celle-ci décrit trois méthodes : une méthode request() permettant à l’initiateur de la
reconfiguration de soumettre une nouvelle description de la configuration du système ; une
méthode resume() pour éviter de rester bloquer lors de l’attente d’un état stable et une
methode cancel() pour annuler une reconfiguration et revenir dans la configuration initiale.
Cela implique donc que le contrôleur de reconfiguration stocke la configuration courante du
système. On obtient alors la description d’interface suivante :
interface Reconfiguration {
int request(string description) ;
void resume() ;
int cancel() ;
}
En outre, le contrôleur LifeCycleController de Fractal a été étendu avec deux
nouvelles méthodes : une première méthode suspend() dont l’objectif est de placer le
composant dans un état stable et si besoin est ses sous-composants. La deuxième méthode
resume() qui consiste à annuler la reconfiguration en cours et à relancer l’activité normale du
composant et éventuellement de ses sous-composants.
Ainsi, le mécanisme proposé fonctionne de la manière suivante :
1. Un initiateur demande une reconfiguration en appelant la fonction request()
du ReconfEngine en passant la nouvelle configuration comme argument
2. Le ReconfEngine vérifie ensuite si la reconfiguration peut être réalisée. Dans le
cas contraire, il la rejette et s’arrête. A cette étape, les composants et les liaisons
devant être reconfigurés sont connus.
3. Le ReconfEngine se lie alors aux interfaces de contrôle des composants à
reconfigurer c’est-à-dire le LifeCycleController, le ContentController,
BindingController, ...
4. Puis pour chaque composant à reconfigurer, le RequestEngine demande
l’obtention d’un état stable en appelant la méthode suspend() de l’extension
LifeCycleController.
5. Quand l’état stable est atteint, le LifeCycleController réactive le
ReconfEngine en utilisant la fonction resume()
6. Le ReconfEngine met finalement en place la nouvelle configuration :
a. Les nouveaux composants sont chargés en mémoire
- 36 -
b. Et/ou
les
liaisons sont reconfigurées (BindingController,
ContentController)
c. Les états sont transférés entre les composants (AttributeController)
d. Les composants qui ne sont plus utilisés sont déchargés de la mémoire
7. La reconfiguration est ainsi terminée et la nouvelle configuration est
sauvegardée.
Enfin dans [Pol04], deux solutions ont été proposées pour déterminer l’état stable d’un
composant. La première reproduit un mécanisme utilisé dans Julia pour effectuer cette tâche.
Il s’agit du mécanisme d’interception. Celui-ci consiste à interposer des proxis entre les
interfaces externes et internes d’un composant afin de comptabiliser à l’aide d’un compteur
les appels entrants et sortants de ce composant. Lorsque le compteur est à zéro, il n’y a plus
de fonction en cours dans le composant, il n’y a donc plus d’activité. Le composant est dans
un état stable. Cette approche pose des problèmes de performance. En effet, chaque proxi
occupe de l’espace mémoire supplémentaire. Il empêche également l’utilisation des
techniques de by-pass qui permettent d’appeler directement une interface d’un souscomposant grâce à une référence vers cette dernière. Sans cette optimisation, l’appel d’une
méthode d’un sous-composant requiert l’utilisation de trois indirections.
Figure 28 : Implémentation des proxis d'un composant [Pol04]
La deuxième solution, basée sur le mécanisme K42, ne sera pas détaillée ici car elle
n’est pas adaptée au contexte des réseaux de capteurs. En effet, celle-ci repose sur l’utilisation
d’un composant de gestion de génération de threads et suppose également que ces threads se
terminent toujours dans un temps limité et sont non-bloquants. Or il s’agit là d’un mécanisme
trop gourmand en ressource mémoire pour être utilisé dans le cadre de notre étude car chaque
thread possède une copie locale du contexte d’exécution.
IV.2) Les améliorations du modèle
Le modèle de mécanisme de reconfiguration dynamique proposé pour Think [Pol04]
est trop générique pour satisfaire les contraintes inhérentes au domaine des réseaux de
capteurs. Une modification de cette proposition est donc nécessaire.
- 37 -
Premièrement, nous n’utilisons pas un modèle « classique » de système d’exploitation
mais le modèle d’exécution basé évènement que nous avons décrit précédemment. En effet, ce
modèle reprend non seulement une grande partie des caractéristiques qui ont fait le succès de
TinyOS mais autorise de plus les allocations dynamiques de composants permettant ainsi
d’envisager des mécanismes avancés telle que notamment la reconfiguration dynamique. Pour
mémoire, le système fonctionne de la manière telle que modélisée sur la Figure 29 :
1. Initialisation du système.
2. Attente d’évènement.
3. L’arrivée d’un évènement provoque une activité. Le système se maintient néanmoins
en attente d’évènement.
4. Le système peut être arrêté par une intervention de l’utilisateur et si l’utilisateur le
réactive, il reprend dans l’état où il s’était arrêté.
En M arche
Init
Attente
EvenementReçu
FinActivité
InterruptionUtilisateur
Arrêté
H
RepriseUtilisateur
Activité
Figure 29 : Les états du système
En nous appuyant sur ce modèle évènementiel, on s’aperçoit rapidement que la
recherche d’un état stable est une opération inutile voire coûteuse. En effet, dans notre
système à un instant donné, une seule tâche est en cours d’exécution. Cela implique que
lorsque cette dernière se termine, le système est stable et après soit il exécute la prochaine
tâche présente dans l’ordonnanceur, soit il se remet en attente d’évènement. De plus, si on
considère la reconfiguration comme un évènement, il est possible de lui attribuer une priorité
élevée par rapport aux autres tâches et ainsi permettre que la prochaine tâche sélectionnée par
l’ordonnanceur soit la reconfiguration. La suppression de l’état stable est en outre rendue
possible par le mode de fonctionnement des capteurs. En effet, il est préconisé que le capteur
exécute sa tâche le plus rapidement possible et se remette en attente afin d’économiser la
consommation des ressources. Ainsi, un capteur doit passer le plus clair de son temps en
attente. En outre, une contrainte de notre modèle est d’interdire les fonctions bloquantes. On
peut donc considérer que si l’évènement reconfiguration survient pendant l’exécution d’une
tâche, celle-ci mettra un temps relativement court pour se terminer et la reconfiguration
pourra avoir lieu.
Le coût de l’attente de fin d’activité devra faire l’objet d’une étude où il devra être
comparé au coût de la recherche d’un état stable pour chaque composant. Des éléments
peuvent néanmoins être apportés pour prouver l’intérêt de cette solution. Premièrement, les
techniques de by-pass, qui constituent une des optimisations utilisées par Think, peuvent être
conservées. Deuxièmement, il n’est plus nécessaire d’interposer des proxis pour comptabiliser
les appels entrants et sortants d’un composant et l’extension du LifeCycleController peut
également être supprimée. Cela permet ainsi d’économiser de l’espace mémoire par rapport à
la solution envisagée par Polakovic.
- 38 -
La deuxième modification que nous pouvons envisager concerne les tests déterminant
si la reconfiguration peut être réalisée. Compte tenu du faible espace mémoire disponible, il
ne nous parait pas indiqué de conserver ce mécanisme en l’état sur le capteur car il nécessite
de stocker non seulement la description de l’architecture mais également les règles autorisant
la transformation de cette architecture. Il est cependant possible de ne stocker que les règles
permettant les transformations. En effet, grâce au modèle Fractal, des moyens d’introspection
du composant ont été introduits via les contrôleurs notamment le ContentController, le
BindingController et le Component. Ceux-ci permettent d’obtenir la structure globale mais
ce mécanisme augmente l’utilisation du processeur. Le temps d’établissement de
l’architecture sera inévitablement fonction de la complexité architecturelle du capteur comme
lorsque on est par exemple en présence de sous-composants.
Nous préconisons donc une délocalisation de l’ensemble du mécanisme. Un collecteur,
possédant des contraintes moins sévères, ou une station de base pourraient réaliser cette
fonctionnalité. Ainsi dans le cadre d’une reconfiguration, la station de base par exemple
fonctionnerait de la manière suivante :
1. Localement, elle possède la description de l’architecture du capteur ainsi que les règles
de reconfiguration applicable pour celui-ci. Ce qui lui permet :
a. premièrement de tester si la reconfiguration est faisable
b. et deuxièmement d’établir la procédure à suivre pour modifier le capteur.
2. Une fois, la procédure de reconfiguration établie (quelle(s) liaison(s) modifiée(s),
quel(s) composant(s) à enlever, quel(s) composant(s) à ajouter, etc.), la station de base
vérifie si le ou les composant(s) à ajouter sont déjà présents sur le capteur.
a. Si c’est le cas, elle transmet seulement au ReconfEngine la demande de
reconfiguration avec la marche à suivre.
b. Sinon, elle transmet en plus le nouveau composant ou bien, si un capteur plus
proche le possède, la localisation de celui-ci afin d’en obtenir une copie.
Il existe néanmoins deux inconvénients majeurs à cette proposition. Le premier
concerne l’augmentation des messages échangés sur le réseau. En effet, si l’initiateur de la
reconfiguration est par exemple un capteur, la demande de reconfiguration doit être transmise
à la station de base pour être traitée, puis la reconfiguration est transmise de la station de base
au capteur concerné et une fois, celle-ci réalisée le capteur doit informer la station de base que
l’opération s’est correctement déroulée. Cet exemple met en évidence l’augmentation des
messages échangés sur le réseau. Il faut au minimum trois messages alors que la solution de
Polakovic n’en nécessite qu’un : l’initialisation de la reconfiguration.
Le deuxième inconvénient concerne l’aspect centralisé du mécanisme. En effet,
intuitivement si la station de base tombe en panne, il n’est plus possible de reconfigurer le
système. Mais il ne s’agit pas là de l’exemple le plus handicapant. Un problème beaucoup
plus gênant apparaît si par exemple, un message de validation de reconfiguration se perd. La
station de base peut alors considérer que la reconfiguration a échoué et alors soit elle
considère le capteur comme détruit, soit elle considère qu’il est revenu dans sa configuration
initiale alors que ce dernier a bien été modifié. Ce cas peut effectivement se produire car la
fiabilité des échanges n’est pas une condition imposée dans les réseaux de capteurs.
Il conviendra donc d’évaluer cette proposition et le taux de pertes de messages dans
les réseaux de capteurs à trois moments clés : au début de la vie du réseau, en milieu et en fin
de vie. De plus, le mécanisme de test proposé par Polakovic n’ayant pas vraiment été réalisé,
une implémentation de ce mécanisme devra être faîte afin de premièrement déterminer
- 39 -
l’espace mémoire occupé par celui-ci ; deuxièmement, évaluer l’espace mémoire et le taux
d’occupation du processeur si on supprime la description de l’architecture locale et
troisièmement effectuer une comparaison avec le mécanisme délocalisé. Cela permettra ainsi
de déterminer s’il vaut mieux sacrifier de l’espace mémoire ou le trafic dans le réseau.
Pour en terminer avec cette proposition, nous présentons ici le scénario d’utilisation
envisagée lors d’une reconfiguration dynamique. Nous détaillons ici uniquement les étapes
concernant le seul capteur à reconfigurer, les étapes pour l’initiateur ayant été détaillées pour
la station de base.
1. Réception d’un évènement correspondant à une reconfiguration.
2. Traitement de l’évènement par l’ordonnanceur et le (ou les) gestionnaire(s)
correspondant(s) :
a. Suspension de la tâche en cours par l’ordonnanceur
b. Placement de la tâche de reconfiguration en tête de la file de priorité par
l’ordonnanceur
c. Placement des éléments de reconfiguration aux endroits adéquats (composants
dans la mémoire, règles de reconfiguration dans le ReconfEngine)
d. Réactivation de la tâche suspendue
3. Exécution de la reconfiguration
a. Vérification de l’énergie disponible et de l’espace mémoire. Si les ressources
sont insuffisantes, un message d’échec est renvoyé à l’initiateur. Le composant
reste dans sa configuration initiale.
b. Le composant ReconfEngine est lié aux différents contrôleurs.
c. Le composant ReconfEngine réalise alors les traitements suivants :
i. Chargement des nouveaux composants en mémoire permanente
ii. Reconfiguration des liaisons via le BindingController et le
ContentController
iii. Transfert des états entre les composants si besoin est via
l’AttributeController.
iv. Suppression de la mémoire permanente des anciens composants, i.e.
des composants désormais inutilisés.
d. Information du succès de la reconfiguration via l’envoi d’un message à
l’initiateur.
Dans cette section, nous avons établi un nouveau mécanisme de reconfiguration
dynamique adapté aux contraintes inhérentes aux réseaux de capteurs en nous aidant d’une
proposition générique déjà réalisée pour Think et du système d’exploitation défini à la section
III. Cependant cette proposition est incomplète, il manque en effet une implémentation ainsi
que la mise en place de procédures de tests. La section suivante montre les difficultés liées à
l’utilisation de Think dans la phase d’implémentation.
- 40 -
V. Les limites de Think pour implémenter le modèle proposé
L’absence de composants pour AVR dans la bibliothèque Kortex doit être signalée
comme la première limite à l’utilisation de Think dans le domaine des réseaux de capteurs.
Les microprocesseurs AVR sont en effet ceux utilisés sur la plupart des motes fournis avec
TinyOS. Or ces composants devant être en accord avec le matériel sous-jacent, il nécessite
une implémentation particulière ; certains fichiers devant notamment être écrits en
assembleur. Cependant ces composants existent déjà mais leur utilisation, même à des fins de
recherche, est subordonnée à un accord préalable avec France Télécom R&D que nous
n’avons pas obtenu.
Il a néanmoins été possible de tester certaines possibilités de Think mais uniquement
pour les capteurs fournis par Intel c’est-à-dire les « iMotes ». En effet, ces derniers possèdent
un microcontrôleur ARM dont une partie des composants est fourni dans la version 3 de
Think. Malheureusement, il s’agit là d’une version en cours de développement. La
documentation associée à cette version étant très incomplète, nous avons dû nous contenter de
tester les exemples fournis afin de déterminer si Think pouvait s’adapter aux contraintes des
réseaux de capteurs. Hormis un exemple où la taille de l’image binaire générée était
supérieure à la capacité mémoire des iMotes, tous les autres exemples étaient compatibles.
Cela démontre la possibilité d’utiliser un système reposant sur Think pour des capteurs à
condition toutefois de ne pas oublier d’optimiser les codes réalisés. En outre, un émulateur a
été installé afin de tester l’exécution de ces programmes. La procédure d’installation et
d’utilisation de cet émulateur est détaillée en annexes.
D’une manière plus générale, un obstacle fondamental à l’utilisation de Think est un
manque de documentation. Le didacticiel [Pul] en est un exemple flagrant : de nombreuses
rubriques par exemple ne sont pas renseignées. De plus, certaines sections contiennent des
informations erronées ou non valides. Par exemple, l’héritage d’interfaces est indiqué comme
réalisable dans la documentation14 fournie avec la version 3. Or dans la pratique, son
utilisation s’avère impossible sauf à la condition de décrire à nouveau dans l’interface fille
toutes les interfaces présentes dans l’interface mère. Cette non-implémentation a été mise en
évidence via l’application également détaillée dans Annexe E. Cependant, la création récente
d’un espace de documentation présage de la volonté des concepteurs de Think d’améliorer le
contenu de leur documentation.
Enfin, la procédure d’installation est également une limitation à l’utilisation de Think
car il convient en premier lieu de connaître le processeur cible. En effet, l’installation d’un
compilateur croisé est requis et cela se révèle être une tâche particulièrement ardue. En effet,
un compilateur croisé est utilisé lorsqu’on possède une machine de développement et que
l’application développée sur cette machine sera en réalité installée et exécutée sur une autre,
qui ne possède pas forcément les mêmes caractéristiques. Ainsi, dans notre cas, la machine de
développement était une machine i686 sous Ubuntu Breeze et le processeur cible du capteur
un ARM. Le premier compilateur croisé pour ARM que nous avons installé15 ne permettait
pas de gérer les « float ». Or, cela est possible à condition de trouver la version de gcc
compatible non seulement avec la version de Arm supportant les float mais également avec la
bonne version de la librairie libc. Nous avons tenté différentes possibilités mais sans obtenir
de succès. Il est à noter que chaque tentative d’installation de ce compilateur croisé prenait en
moyenne trois heures.
14
15
la partie de la documentation concernant les interfaces est fournit en annexe,
c’est l’installation de ce compilateur croisé qui est détaillé en annexes
- 41 -
VI. Conclusion
Au cours de ce stage, nous avons cherché à déterminer si l’utilisation des principes et
des apports d’une approche basée véritablement sur l’ingénierie logicielle basée composant
pouvait être conciliable avec les réseaux de capteurs. Afin de répondre à cette problématique,
nous avons, dans un premier temps, effectué des recherches sur le domaine des réseaux de
capteurs afin d’identifier les contraintes associées aux capteurs et à leurs mises en réseau. Une
fois, ces principes de base fixés, nous nous sommes, dans un deuxième temps, concentrés sur
l’étude du système d’exploitation de référence à savoir TinyOS. Cela nous a permis de
dégager non seulement des mécanismes éprouvés mais également les limites de ce système.
Une limite fondamentale a notamment été mise en évidence, il s’agit de l’absence de
mécanisme de reconfiguration dynamique. Parallèlement à cette analyse, nous avons
également exploré Think, l’implémentation de Fractal pour les systèmes embarqués. Il s’est
avéré que Think est en réalité un modèle permettant de créer non seulement des systèmes
d’exploitation mais également les applications fonctionnant dessus. En outre, ce modèle
propose les aspects dynamiques manquant à TinyOS. En nous appuyant sur une comparaison
des avantages et des inconvénients de ces deux modèles, nous avons alors dégagé les
éléments fondamentaux nécessaires à la conception d’un système d’exploitation
reconfigurable dynamiquement pour les réseaux de capteurs ainsi qu’un mécanisme de
reconfiguration pour ce système d’exploitation.
La difficulté majeure à laquelle nous avons été confrontés lors de ce travail réside dans
l’installation et la configuration de Think. En effet, l’installation d’un compilateur croisé est
premièrement une opération non triviale et deuxièmement, la création de la chaîne de
construction de Think nécessite de modifier différents fichiers – dont les trois fichiers de
configuration et les outils de construction programmés en Java. Cette modification est
nécessaire afin de rendre cette chaîne de construction fonctionnelle sur la machine de
développement. Une autre difficulté majeure a consisté à devoir travailler sur une version en
cours de développement et donc nécessitant de nombreux débuggages afin de pouvoir
compiler, même, les exemples fournis. La gestion des contraintes propres aux capteurs, la
compréhension du fonctionnement des modèles TinyOS et Think ainsi que le manque de
documentation existante sur Think notamment pour ce qui concerne la partie technique ont
également présenté quelques difficultés.
Une modélisation du système d’exploitation reconfigurable et des mécanismes de
reconfiguration ayant été proposés, une perspective essentielle à ce travail serait de réaliser les
implémentations correspondantes. Une fois celles-ci concrêtisées, des tests d’évaluation
pourraient ainsi être effectués afin d’éprouver le respect des contraintes inhérentes aux
capteurs notamment l’espace mémoire occupé. Cependant, il conviendra d’attendre qu’une
version stable de la version 3 de Think-Fractal soit effectivement développée mais également
que les composants pour AVR soient disponibles afin que ces tests soient aussi appliqués au
processeur le plus répandu sur les motes.
- 42 -
Bibliographie
[BCS02]
Eric Bruneton, Thierry Coupaye and Jean-Bernard Stefani. Recursive
and Dynamic Software Composition with Sharing. In Seventh
International Workshop on Component-Oriented Programming
(WCOP02), Malaga, Spain, June 10-14, 2002.
[BCS04]
Eric Bruneton, Thierry Coupaye and Jean-Bernard Stefani. The Fractal
Component Model Specification, ObjectWeb Consortium, February 5,
2004, Draft, version 2.0-3.
http://fractal.objectweb.org.
[BHRT04]
Jan Blumenthal, Matthias Handy, Frank Reichenbach, Dirk
Timmermann. SeNeTs - Test and Validation Environment for
Applications in Large-Scale Wireless Sensor Networks. In 2nd IEEE
International Conference on Industrial Informatics, 2004.
[Bru03]
Eric Bruneton, Le modèle de composants Fractal, ICAR’03 Ecole d’été
sur les Intergiciels et la Construction d’Application et Reparties, 2003
[CES04]
David Culler, Deborah Estrin and Mani Srivastava. Overview of Sensor
Networks. In IEEE Computer, vol. 37, no. 8, pp 41–49, august 2004.
[Fas01]
Jean-Philippe Fassino. THINK : vers une architecture de systèmes
flexibles. Thèse de doctorat. 11 décembre 2001.
[FSLM02]
Jean-Philippe Fassino, Jean-Bernard Stefani, Julia Lawall, Gilles
Muller. THINK A Software Framework for Component-based Operating
System Kernels. In the USENIX Annual Technical Conference, pages
73--86, Monterey, CA, USA, June 2002.
[GLBWBC03]
David Gay, Philip Levis, Robert von Behren, Matt Welsh, Eric Brewer
and David Culler. The nesC Language: A Holistic Approach to
Networked Embedded Systems. In Proceedings of Programming
Language Design and Implementation (PLDI), June 2003.
[GLCB03]
David Gay, Philip Levis, David Culler and Eric Brewer. nesC 1.1
Language Reference Manual. In TinyOS documentation site, May 2003.
http://nescc.sourceforge.net/papers/nesc-ref.pdf
[HSWHCP00a]
Jason Hill, Robert Szewczyk, Alec Woo, Seth Hollar, David Culler and
Kristofer Pister. System architecture directions for network sensors. In
Proceedings of Ninth International Conference ASPLOS, Cambridge,
MA, USA, November 2000.
[HSWHCP00b]
Jason Hill and Robert Szewczyk and Alec Woo and Seth Hollar and
David Culler and Kristofer Pister. System architecture directions for
network sensors. In ASPLOS, Cambridge, MA, November 2000.
- 43 -
[Hub00]
Michel HUBIN. Traité sur les capteurs et la conception instrumentale.
2000.
http://perso.wanadoo.fr/michel.hubin/capteurs/instru.htm
[IEEE-1451
Expo2001]
A Standard Smart Transducer Interface, Sensors Expo, Philadelphia,
Oct. 2001.
[Kra85]
Sacha Krakowiak Principe des systèmes d’exploitation des ordinateurs.
Dunod Informatique, Paris, 1985
[KC03]
Jeffrey Kephart and David Chess. The vision of Autonomic Computing.
In IEEE Computer. 36(1), pp. 41-50, 2003
[KDM05]
I. Khemapech, I. Duncan and A. Miller. A survey of wireless sensor
networks technology. In PGNET, Proceedings of the 6th Annual
PostGraduate Symposium on the Convergence of Telecommunications,
Networking & Broadcasting, June 2005.
[KNEKLM04]
Sachin Kogekar, Sandeep Neema, Brandon Eames, Xenofon
Kousoukos, Akos Ledeczi and Miklos Maroti. Constraint-Guided
Dynamic Reconfiguration in Sensor Networks. In Proc. of Information
Processing in Sensor Networks, IPSN ’04, Berkeley, California, April
26-27, 2004.
[Lew04]
Franck L. Lewis. Wireless Sensor Networks. In Smart Environments :
Technology, Protocols and Applications, ed. Diane Cook and Sajal Das,
John Willey, New York, 2004.
[Liu05]
Ke Liu. TinyOS/Motes, nesC Tutorial. Présentation. Departement of
Computer Science, SUNY Binghamton. Spring, 2005.
[LM&all04]
Konrad Lorincz, David J. Malan, Thaddeus R.F. Fulford-Jones, Alan
Nawoj, Antony Clavel, Victor Shnayder, Geoffrey Mainland, Matt
Welsh, Steve Moulton, "Sensor Networks for Emergency Response:
Challenges and Opportunities," IEEE Pervasive Computing, vol. 03,
no. 4, pp. 16-23, Oct-Dec, 2004.
[LMGPSWBC04]
P. Levis, S. Madden, D. Gay, J. Polastre, R. Szewczyk, A. Woo, E.
Brewer, and D. Culler, "The emergence of networking abstractions and
techniques in tinyOS," in First Symposium on networked system design
and implementation (NSDI04), San Francisco, California, USA, 2004,
pp. 1--14.
[Lob]
Olivier Lobry. THINK A Software Framework for Component-based
Operating System Kernels. Brochure. January 2006.
http://www.objectweb.org/wws/d_read/marketing/public/projects/Think.
pdf
[Mai06]
Laetitia Mailhes. Une nouvelle génération de mémoires magnétiques.
Dans Les Echos, no. 19611, Innovation, pp. 30, 22 février 2006.
- 44 -
[Mau]
William Maurer. The Scientist and Engineer's Guide to TinyOS
Programming, Chapter 3 : TinyOS Components Based OS.
http://ttdp.org/tpg/html/book/c525.htm
[Pol04]
Juraj Polakovic. Dynamische Rekonfiguration in THINK. Rapport de
master. Universität Karlsruhe (TH), 30 Juni 2004.
[Pul]
Jacques Pulou. THINK Tutorial - Getting Started with Fractal Think.
http://think.objectweb.org/pdf/tutorial_think.pdf
[SGM02]
Clemens Szyperski, Dominik Gruntz and Stephan Murer. Component
Software – Beyond Object-Oriented Programming – Second Edition.
ACM Press. Addison-Wesley, New York, NY, 2002.
[SGVVRF04]
Eduardo Souto, Germano Guimarães, Glauco Vasconcelos, Mardoqueu
Vieira, Nelson Rosa, Carlos Ferraz. A Message-Oriented Middleware
for Sensor Networks. In proceedings of the 2nd Workshop on
Middleware for Pervasive and Ad-hoc Computing, Toronto, Ontario,
Canada, October 18-22, 2004.
[SH05]
Séverine Sentilles, Natacha Hoang. Exploration du modèle de
composant Fractal. Rapport de projet tutoré, Pau, 2005.
[Th06]
Think Home Page. Last modified at 2006-03-31
http://think.objectweb.org/
[TOS04]
TinyOS Mission Statement. UC Berkeley, 2004.
http://www.tinyos.net/special/mission
[TOS05]
TinyOS/nesC Overview. In a Smart Dust Training Seminar CD, San
Jose, February 9-10, 2005.
[YB05]
E. Yoneki and J. Bacon. A Survey of Wireless Sensor Network
Technologies: Research Trends and Middleware's Role. Technical
Report UCAM-CL-TR646, University of Cambridge, 2005.
[YKP04]
Yang Yu, Bhaskar Krishnamachari, and Viktor K. Prasanna. Issues in
designing middleware for wireless sensor networks. In IEEE Network,
Vol. 18, No.1, pp. 15-21, 2004.
[Wei96]
Mark Weiser, Ubiquitous Computing. 03/17/96
http://www.ubiq.com/hypertext/weiser/UbiHome.html
[Wik06a]
Wikipédia – Atmel AVR. 2006.
http://en.wikipedia.org/wiki/Atmel_AVR
[Wik06b]
Wikipédia - ARM architecture. 2006.
http://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture
- 45 -
Table des figures
FIGURE 1 : SCHEMATISATION D'UN CAPTEUR "TRADITIONNEL" ---------------------------------------------------------- 4 FIGURE 2 : SCHEMA D'UN COMPOSANT D'UN RESEAU DE CAPTEURS, INSPIRE DE [KDM05] -------------------------- 6 FIGURE 3 : MODELE DE CAPTEUR VIRTUEL, INSPIRE DE [LEW04]-------------------------------------------------------- 7 FIGURE 4 : SCHEMATISATION D’UN RESEAU DE CAPTEURS SANS-FIL ---------------------------------------------------- 7 FIGURE 5 : SCHEMATISATION D'UN COMPOSANT TINYOS [HSWHCP00B]------------------------------------------ - 12 FIGURE 6 : GRAPHE DE COMPOSANTS D'UNE APPLICATION VISANT AU ROUTAGE DES RELEVES DES CAPTEURS
[HSWHCP00A] ----------------------------------------------------------------------------------------------------- - 13 FIGURE 7 : MODELISATION DE L'UTILISATION DE LA MEMOIRE D'UN MOTE [TOS05] ------------------------------ - 13 FIGURE 8 : MODELISATION DE L'ORDONNANCEUR TINYOS [LIU05] ------------------------------------------------- - 14 FIGURE 9 : LES ETAPES DE LA COMPILATION D'UNE APPLICATION TINYOS[MAU] --------------------------------- - 17 FIGURE 10 : ILLUSTRATION DE LA NOTION DE COMPOSANT ----------------------------------------------------------- - 18 FIGURE 11 : REPRESENTATION UML DES 2 TYPES D'INTERFACES EXISTANTES ------------------------------------- - 19 FIGURE 12 : SCHEMA UML 2.0 D'UNE LIAISON ------------------------------------------------------------------------- - 19 FIGURE 13 : REPRESENTATION D'UNE INTERFACE A L’EXECUTION [FSLM02] -------------------------------------- - 21 FIGURE 14 : REPRESENTATION DE L'INTERFACE UNIQUE D'UN COMPOSANT [FSLM02]---------------------------- - 21 FIGURE 15 : REPRESENTATION D’UNE INTERFACE DANS LE CAS GENERAL [FSLM02] ----------------------------- - 21 FIGURE 16 : SYSTEME A BASE DE COMPOSANTS, DE LIAISONS ET DE DOMAINES [FAS01]-------------------------- - 22 FIGURE 17 : LA CHAINE DE CONSTRUCTION DE THINK [LOB] --------------------------------------------------------- - 23 FIGURE 18 : VUE INTERNE D'UN COMPOSANT --------------------------------------------------------------------------- - 24 FIGURE 19 : VUE EXTERNE D'UN COMPOSANT [BRU03]---------------------------------------------------------------- - 25 FIGURE 20 : "COMPONENTIZATION" D'UN CAPTEUR -------------------------------------------------------------------- - 29 FIGURE 21 : LIAISON ENTRE LE SYSTEME D'EXPLOITATION ET L'APPLICATION -------------------------------------- - 30 FIGURE 22 : LES RESSOURCES SUR UN CAPTEUR ------------------------------------------------------------------------ - 31 FIGURE 23 : LES ETATS D'UN CAPTEUR----------------------------------------------------------------------------------- - 32 FIGURE 24 : MODELISATION DE L’UTILISATION D'UNE FILE D'EVENEMENT ------------------------------------------ - 33 FIGURE 25 : MODELE DE COMPOSANT BASE EVENEMENT -------------------------------------------------------------- - 33 FIGURE 26 : FONCTIONNEMENT DU SYSTEME --------------------------------------------------------------------------- - 34 FIGURE 27 : LIAISON ENTRE LE CONTROLEUR DE RECONFIGURATION ET LE SYSTEME A RECONFIGURER [P04]- - 36 FIGURE 28 : IMPLEMENTATION DES PROXIS D'UN COMPOSANT [POL04]---------------------------------------------- - 37 FIGURE 29 : LES ETATS DU SYSTEME ------------------------------------------------------------------------------------- - 38 -
- 46 -
Annexes
ANNEXE A : LES COMPOSANTS SYSTEMES FOURNIS POUR POWERPC DANS LA BIBLIOTHEQUE KORTEX........... - 48 ANNEXE B : MANUEL D’INSTALLATION DE THINK-V2 POUR UBUNTU .............................................................. - 49 ANNEXE C : MANUEL D’INSTALLATION DE THINK-V3 POUR UBUNTU ............................................................... - 52 ANNEXE D : MANUEL D’INSTALLATION ET D’UTILISATION DE L’EMULATEUR ARM SKYEYE-V1 (POUR UBUNTU)
................................................................................................................................................................. - 55 ANNEXE E : DEVELOPPEMENT D’UNE APPLICATION DE TEST ............................................................................. - 56 ANNEXE F : MANUEL DE L’IDL ........................................................................................................................ - 60 -
- 47 -
Annexe A :
Les composants systèmes fournis pour PowerPC
dans la bibliothèque Kortex
- 48 -
Annexe B :
Manuel d’installation de Think-v2 pour Ubuntu
Pré requis :
• Nécessite d’avoir cvs installé
• Un environnement de développement C (avec gcc, as, ar, ld)
• La librairie libc6-dev (permet d’avoir le fichier crt1.o)
Logiciel à installer :
• Think-v2
• JDK 1.4.2
• Ant 1.6.5
• Un compilateur croisé pour arm
Procédure d’installation :
1. Télécharger les sources Think de la manière suivante :
Taper la commande suivante :
¾ cvs –z3 –d :pserver :[email protected]/cvsroot/think
co .
(«.» signifie que la version téléchargée sera installée dans le répertoire
courant.)
2. Installer l’environnement de développement
2.1. Installer le JDK 1.4.
Pour des raisons de compatibilités avec un autre logiciel à installer sur notre
machine de développement, nous avons choisi d’installer le JDK fournit par IBM
et non celui fournit par SUN. Normalement, la démarche pour installer celui de
SUN est similaire.
a. Télécharger l’archive IBMJava2-SDK-142.tgz sur le site d’IBM
(Nécessite la création d’un compte)
b. Passer en mode root :
¾ su + password
c. Décompresser l’archive dans le répertoire /opt
¾ tar –zxvf IBMJava2-SDK-142.tgz –C /opt
d. « Suppression » du java prééxistant
(installé par l’Ubuntu par défaut)
¾ mv /usr/bin/java /usr/bin/java_initial
e. Modifier la variable d’environnement PATH et ajout des variables
d’environnement adéquates dans le .bash_profile de l’utilisateur
¾ exit
¾ gedit ~/.bash_profile &
PATH=/opt/IBMJava2-142/bin:/opt/IBMJava2-142/jre/bin :$PATH
JAVA_HOME=/opt/IBMJava2-142
export JAVA_HOME
export PATH
2.2. Installer ant
- 49 -
a. Télécharger l’archive apache-ant-1.6.5.bin.tar.gz sur le site d’apache
b. Passer en mode root :
¾ su + password
c. Décompresser l’archive dans le répertoire /opt
¾ tar –zxvf apache-ant-1.6.5.bin.tar.gz –C /opt
d. Modifier la variable d’environnement PATH et ajout de la variable
d’environnement adéquate dans le .bash_profile de l’utilisateur
¾ exit
¾ gedit ~/.bash_profile &
PATH=/opt/IBMJava2-142/bin:/opt/IBMJava2-142/jre/bin:
/opt/apache-ant-1.6.5/bin :$PATH
ANT_HOME=/opt/apache-ant-1.6.5
export ANT_HOME
2.3. Installer le compilateur croisé pour arm
Ceci est la partie la plus délicate car il faut trouver un compilateur compatible avec
la machine de développement, capable de compiler en C et en assembleur et de
faire des éditions de liens.
En cherchant « cross-3.2 » sur google, nous en avons trouvé un pour hôte :
linux/x86 et pour cible : familiar/arm.
Ce manuel décrit la procédure suivie pour cette installation
a. Décompresser l’archive dans le répertoire /usr/local
¾ tar –zxvf cross-3.2.tar.gz –C /
b. Modifier la variable d’environnement PATH et ajout de la variable
d’environnement adéquate dans le .bash_profile de l’utilisateur
¾ gedit ~/.bash_profile &
CROSS_COMP=/usr/local/arm/bin
PATH=$CROSS_COMP :/opt/IBMJava2-142/bin:/opt/IBMJava2142/jre/bin:/opt/apache-ant-1.6.5/bin :$PATH
¾ source ~/.bash_profile
3. Compiler les outils de Think, puis les bibliothèques nécessaires
¾ cd ~/v2
¾ ant tools
Si la compilation génère une erreur de type MalformedInputException, il est
nécessaire d’exécuter la commande suivante : export LANG=en_US et puis
de relancer la commande ant tools. Cette erreur est apparemment liée à
l’installation de JDK d’IBM. Elle ne semble pas se produire si l’on utilise celui
de Sun.
¾ ant –DOS=Think –DCPU=arm
¾ ant –DOS=Linux –DCPU=arm
¾ ant –DOS=Unix
4. Compiler un des exemples
a. Pour une cible unix :
¾ cd ~/v2/test/helloworld
¾ ant unix
Si le message d’erreur suivant se produit « Unix ${CPU} could not be
determine », deux solutions sont envisageables :
• soit modifier le fichier $THINKPATH/tools/org/objectweb/think/helper/Think.java en
rajoutant :
…
else if(« i386 ».equals(osarch) || « x86 ».equals(osarch) )
- 50 -
CPU = new String(« x86 ») ;
…
puis recompiler les outils et les librairies dans le répertoire $THINKPATH avant de
relancer la commande ant unix
• soit ajouter la ligne suivante dans le fichier : $THINKPATH/test/helloworld/build.xml
<target name=« unix »>
…
<property name=« OS » value=« unix »/>
<property name=« CPU » value=« x86 »/>
…
</target>
et relancer la commande ant unix.
b. Pour une cible arm :
¾ cd ~/v2/example/helloworld
¾ ant arm
Si une erreur se produit au [ld] de type référence indéfinie vers « memcpy_P ».
Il faut copier le fichier $THINKPATH/src/libc/powerpc/memcpy_P.c dans
$THINKPATH/src/libc/ et relancer la compilation.
Il est à noter qu’à l’heure où nous rédigeons ce manuel, la version 2 est la dernière
release.
- 51 -
Annexe C :
Manuel d’installation de Think-v3 pour Ubuntu
Pré requis :
• Nécessite d’avoir svn installé
• Un environnement de développement C (avec gcc, as, ar, ld)
• La librairie libc6-dev (permet d’avoir le fichier crt1.o)
Logiciel à installer :
• Think-v3
• JDK 1.4.2
• Ant 1.6.5
• Un compilateur croisé pour arm
Procédure d’installation :
5. Télécharger les sources Think de la manière suivante :
a. Passer en mode root :
¾ su + password
b. Taper la commande suivante :
¾ svn checkout svn://svn.forge.objectweb.org/svnroot/think v3
(v3 représente le répertoire dans lequel seront téléchargées les sources)
c. Changer les droits d’utilisation :
¾ chown nomUtilisateur v3 –R
d. Ajouter les variables d’environnement THINKOWPATH et THINKPATH dans le
.bash_profile de l’utilisateur
¾ gedit ~/.bash_profile &
THINKPATH = ~/v3/trunk
THINKOWPATH = ~/v3/trunk
export THINKPATH
export THINKOWPATH
6. Installer l’environnement de développement
2.4. Installer le JDK 1.4.
Pour des raisons de compatibilités avec un autre logiciel a installé sur notre
machine de développement, nous avons choisi d’installer le JDK fournit par IBM
et non celui fournit par SUN. Normalement, la démarche pour installer celui de
SUN est similaire.
a. Télécharger l’archive IBMJava2-SDK-142.tgz sur le site d’IBM
(Nécessite la création d’un compte)
b. Passer en mode root :
¾ su + password
c. Décompresser l’archive dans le répertoire /opt
¾ tar –zxvf IBMJava2-SDK-142.tgz –C /opt
d. « Suppression » du java prééxistant
(installé par l’Ubuntu par défaut)
¾ mv /usr/bin/java /usr/bin/java_initial
- 52 -
e. Modifier la variable d’environnement PATH et ajout des variables
d’environnement adéquates dans le .bash_profile de l’utisateur
¾ exit
¾ gedit ~/.bash_profile &
PATH=/opt/IBMJava2-142/bin:/opt/IBMJava2-142/jre/bin :$PATH
JAVA_HOME=/opt/IBMJava2-142
export JAVA_HOME
export PATH
2.5. Installer ant
a. Télécharger l’archive apache-ant-1.6.5.bin.tar.gz sur le site d’apache
b. Passer en mode root :
¾ su + password
c. Décompresser l’archive dans le répertoire /opt
¾ tar –zxvf apache-ant-1.6.5.bin.tar.gz –C /opt
d. Modifier la variable d’environnement PATH et ajout de la variable
d’environnement adéquate dans le .bash_profile de l’utilisateur
¾ exit
¾ gedit ~/.bash_profile &
PATH=/opt/IBMJava2-142/bin:/opt/IBMJava2-142/jre/bin:
/opt/apache-ant-1.6.5/bin :$PATH
ANT_HOME=/opt/apache-ant-1.6.5
export ANT_HOME
2.6. Installer le compilateur croisé pour arm
Ceci est la partie la plus délicate car il faut trouver un compilateur compatible avec
la machine de développement, capable de compiler en C et en assembleur et de
faire des éditions de liens.
En cherchant « cross-3.2 » sur google, nous en avons trouvé un pour hôte :
linux/x86 et pour cible : familiar/arm.
Ce manuel décrit la procédure suivie pour cette installation
a. Décompresser l’archive dans le répertoire /usr/local
¾ tar –zxvf cross-3.2.tar.gz –C /
b. Modifier la variable d’environnement PATH et ajout de la variable
d’environnement adéquate dans le .bash_profile de l’utilisateur
¾ gedit ~/.bash_profile &
CROSS_COMP=/usr/local/arm/bin
PATH=$CROSS_COMP :/opt/IBMJava2-142/bin:/opt/IBMJava2142/jre/bin:/opt/apache-ant-1.6.5/bin :$PATH
¾ source ~/.bash_profile
7. Compiler les outils de Think, puis les bibliothèques nécessaires
¾ cd ~/v3
¾ ant tools
Si la compilation génère une erreur de type MalformedInputException, il est
nécessaire d’exécuter la commande suivante : export LANG=en_US et puis
de relancer la commande ant tools. Cette erreur est apparemment liée à
l’installation de JDK d’IBM. Elle ne semble pas se produire si l’on utilise celui
de Sun.
¾ ant –DOS=Think –DCPU=arm
¾ ant –DOS=Linux –DCPU=arm
¾ ant –DOS=Unix
8. Compiler un des exemples
a. Pour une cible unix :
- 53 -
¾ cd ~/v3/example/helloworld
¾ ant unix
Si le message d’erreur suivant se produit « Unix ${CPU} could not be
determine », deux solutions sont envisageables :
• soit modifier le fichier $THINKPATH/src/helper/Think.java en rajoutant :
…
else if(« i386 ».equals(osarch) || « x86 ».equals(osarch) )
CPU = new String(« x86 ») ;
…
puis recompiler les outils et les librairies dans le répertoire $THINKPATH avant de
relancer la commande ant unix
•
soit ajouter la ligne suivante dans le fichier :
$THINKPATH/example/helloworld/build.xml
<target name=« unix »>
…
<property name=« OS » value=« unix »/>
<property name=« CPU » value=« x86 »/>
…
</target>
et relancer la commande ant unix.
c. Pour une cible arm :
¾ cd ~/v3/example/helloworld
¾ ant arm
Si une erreur se produit au [ld] de type référence indéfinie vers « memcpy_P ».
Il faut copier le fichier $THINKPATH/src/generic/libc/powerpc/memcpy_P.c
dans $THINKPATH/src/generic/libc/ et relancer la compilation.
Il est à noter qu’à l’heure où nous rédigeons ce manuel, la version 3 est en cours de
développement. Elle est donc continuellement sujette à modification et tous les exemples ne
compilent pas. Pour plus d’information, consulter les liens « Bugs » et « Listes de diffusion »
présents à l’adresse suivante : http://forge.objectweb.org/ projects/think/
- 54 -
Annexe D :
Manuel d’installation et d’utilisation de l’émulateur
ARM SkyEye-v1
(pour Ubuntu)
Procédure d’installation :
•
•
•
Vérifier dans Synaptic que les paquets suivants sont bien installés. Dans le cas
contraire les installer.
- libgtk2.0-dev
- pkg-config
- libatk1.2-dev
- libpango1.0-dev
- freetype2.0-dev
- libglib2.0-dev
- libx11-dev
- binutils-dev
créer un lien symbolique du gcc existant vers un gcc-3.3
¾ su
(password)
¾ ln –sf /usr/bin/gcc /usr/bin/gcc-3.3
télécharger
l’archive
skyeye-1.2-RC7-2.tar.bz2
à
l’adresse
http://gro.clinux.org/frs/2group_id=327 et l’extraire dans un répertoire (comme par
exemple ~/ARMEMU)
¾ cd ~/ARMEMU/skyeye-v1
¾ make
l’exécutable se trouve alors dans le répertoire ~/ARMEMU/skyeye-v1/binary
¾ cd binary
¾ ./skyeye –h pour afficher une liste des options disponibles.
Procédure pour tester l’installation et pour comprendre comment configurer
skyeye
•
•
•
Télécharger l’archive testsuite2.1.ter.bz2 et la décompresser dans un répertoire tel que
~/ARMEMU/
Tester les exemples fournis
Ouvrir un des fichiers skyeye.conf. Celui-ci contient un découpage de la mémoire en
section. Au cours de nos tests, nous avons utilisé le fichier skyeye.conf pour sa1100
qui correspond à un processeur ARM.
Commande pour utiliser pour lancer l’émulateur
¾ ./ARMEMU/skyeye-v1/binary/skyeye –e emplacementImageKernel
–c emplacementFichierSkyeye.conf
Il est à noter qu’avec ce fichier de configuration seuls les exemples Think pour les noyaux
ARM 3600, 3800 fonctionnent. Pour les noyaux 2200, 3900 et 5400 une erreur d’écriture en
mémoire se produit : « sa_io_write_byte error ».
- 55 -
Annexe E :
Développement d’une application de test
But :
Comprendre comment créer des composants et des applications Think.
Application envisagée :
1 générateur de température aléatoire. Ce dernier aurait pu en cas de succès du
développement de l’application permettre de simuler un capteur.
Version 1 :
Adaptation de l’exemple helloworld fourni. Voici la modélisation de l’application
envisagée.
Boot
Static
Boot
main = TemperatureSensor
main
<<primitif>>
TemperatureGen
Printf
console
<<primitif>>
Affichage
Des exemples de fichiers ADL :
Nous présentons d’abord le fichier tpkernel.adl qui permet de décrire l’architecture
globale de l’application. Celle-ci est constituée des composants boot, main et printf. Le
composant boot est implémenté par le composant arm.sa1100.boot.lib.boot, le
composant main par temperatureSensor et printf par log.lib.putcprint. Cela est
mis en évidence par le mot-clé contains. De plus, main possède un sous-composant console
qui est réimplémenté par le composant affichage. Cela est mis en évidence par overloads.
Enfin, le contrôleur est indiqué par le mot-clé controller.
composite tpkernel implements RootType {
contains boot = arm.sa1100.boot.lib.boot
contains main = temperatureSensor
overloads main/console = affichage
//overloads main/console = ipaq.h3600.video.lib.screen
/* this must be remove when printf will be manage well*/
contains printf = log.lib.putcprint
controller org.objectweb.think.controller.Boot
}
- 56 -
Voici le fichier d’un composant composite : temperatureSensor.adl. Comme on
peut le constater sur cette description grâce aux mots-clés binds et to, l’interface main
requise par ce composant est liée à l’interface fournie par le composant tp.
composite temperatureSensor implements RootType {
contains console : ServerType
contains tp = temperatureGen
binds this.main to tp.main
binds tp.console to console.console
controller org.objectweb.think.controller.Static
}
Enfin voici la description d’un composant primitif : temperatureGen.adl. Celui-ci
fournit et requiert les interfaces mentionnées dans le fichier ClientType.adl. De plus, le
composant est généré automatiquement par les outils Think en se basant sur le code
fonctionnel contenu dans temperatureGen.c. Enfin, tous les composants temperatureGen
créés seront strictement identiques (interfaces fournies et requises, attributs utilisés, etc.). Cela
est mentionné via le mot-clé template.
primitive temperatureGen implements ClientType {
skeleton temperatureGen nolifecycle
template
}
Un exemple de fichier contenant le code fonctionnel d’un composant primitif :
#include <activity/api/Main.idl.h>
#include <video/api/Console.idl.h>
struct temperatureGendata {
// Imported interfaces
Rvideo_api_Console
*console;
};
#if ! defined(ONLYDEFINITION)
#include <kortex.h>
/*
* Template interface
*/
int randomize_temperature(jint max) {
return (max-1);
}
static void mainentry(void* _this, jint argc, char** argv) {
DECLARE_SELF(struct temperatureGendata);
if (self->console)
{
CALL3(self->console, putxycs, 15, 15, "TEST");
int cpt=0;
int temp=19;
- 57 -
while(cpt<10)
{
temp= randomize_temperature(temp);
printf("temperature = '%d'\n", temp);
cpt++;
}
}
}
/*while(1);*/
struct Mactivity_api_Main temperatureGen_mainmeth = {
main: mainentry,
};
#endif
Conclusion :
• Le composant Printf s’avère nécessaire pour les affichages sur la machine de cible
car la fonction printf() pour arm ne fonctionne pas correctement
• Boot et Static sont les deux contrôleurs de la version initiale. Cependant la présence
de Boot est indispensable pour charger l’exécutable
• Pour que la compilation s’exécute correctement, nous avons récupéré le fichier le
fichier hw_sa.lds présent dans le répertoire example/helloworld/arm. Celui-ci définit
les sections mémoires utilisées lors de l’édition de liens. Voici comment il se
présente :
SECTIONS
{
. = 0xC0008000;
_stext = .;
.text : { *(.start) *(.text*) *(.gnu.linkonce.t.*)}
.rodata : { *(.rodata*) *(.gnu.linkonce.r.*) *(.init) *(.glue_7)
*(.glue_7t)}
.data : { *(.data*) *(.gnu.linkonce.d.*)}
_edata = .;
. += 4096;
kernelstackend = .;
. += 4096;
trapstackend = .;
__bss_start = .;
.bss : { *(.bss*) *(.gnu.linkonce.b.*) }
__bss_end = .;
heapstart = .;
_end = .;
}
- 58 -
Version 2 :
Modification du composant affichage pour afficher des entiers à l’écran. (Test de
l’héritage entre interfaces).
video.api
<<interface>>
Console
+putc(In c:char)
+putcs(In str:string)
+putxycs(In x:integer ,In y:integer ,In s:string)
+scrollup()
+cols():integer
+rows():integer
api
<<interface>>
MonInterface
+putint(In i:integer)
+putfloat(In f:real)
•
•
•
•
Réalisation :
Création d’un fichier api/MonAffichage.idl contenant la déclaration des fonctions
putint et putfloat.
Modification des fichiers adéquats (ClientType, Server Type) pour définir
MonAffichage comme l’interface fournie et requise dans affichage.adl.
Modification du fichier temperatureGen.c pour modifier les liens vers les interfaces
(notamment modification des en-têtes des librairies et du pointeur vers l’interface
importée).
Modification du fichier affichage.c pour :
- Modifier l’en-tête
- Définir les fonctions rajoutées
- Modifier la structure MonInterface
Conclusion :
• Au niveau des interfaces :
Bien que la possibilité de pouvoir faire de l’héritage entre interface soit indiquée dans
le tutoriel de think version 3, cette fonctionnalité n’est pas encore implémentée. En effet,
seules les fonctions déclarées dans l’interface fille sont connues. Pour pallier à ce problème,
nous avons dû redéclarer toutes les fonctions contenues dans l’interface mère dans l’interface
fille.
• Au niveau de la fonction printf :
A l’heure où nous rédigeons ce rapport, le %f génère toujours une erreur. Nous
pensons que ce problème provient d’une mauvaise installation du compilateur croisé pour
arm. En effet, les messages obtenus à la compilation, nous indique un conflit entre l’utilisation
de réels programmés en hardware et l’utilisation de réels programmés en software. Il semble
être nécessaire de réaliser l’installation en spécifiant l’une, l’autre ou même les deux options
suivantes : -msoftfloat, -without-FP. Malheureusement, cela requiert de trouver les versions
de gcc, glibc et arm compatibles entre elles ainsi qu’avec ces options. Nous avons réalisé
plusieurs tentatives à l’aide d’un script mais nous avons toujours abouti à un échec.
- 59 -
Annexe F :
Manuel de l’IDL
Think IDL
In order to allow Fractal components implemented in potentially distinct programming
languages to interoperate, some standard protocols for local and remote operation invocations
are necessary. One way to ensure this is to use an Interface Definition Language (IDL), and
mappings from the IDL to existing programming languages. The IDL compiler can then
generate stubs and skeletons to make the conversion from language specific protocols to
standard protocols, and vice versa.
The IDL language used in Think is a modified subset of Java, so as to be immediately
understandable by Java programmers.
Grammar
There are two forms or identifiers: simple identifier and qualified identifiers. One limitation
here is to not employed C reserved keywords in identifier.
QualifiedIndentifer ::= ( Identifier ( "."Identifier )*
An interface declaration is a package declaration followed by the interface type declaration.
The file containing the interface must reside in the directory designate by the package
QualifiedIdentifer.
Declaration ::= "package" QualifiedIdentifer ";" InterfaceDeclaration
An interface type declaration identified by Identifier contains two sorts of declarations;
methods and constant fields. The keyword public isn't relevant and is only here for
compatibility purpose. The fully qualified name of an interface is the package
QualifiedIdentifier plus the interface Identifer separate by a point. A interface could inherit
from one single interface. You can declare as many as require interleaved fields and methods
in an interface declaration.
InterfaceDeclaration ::=
QualifiedIdentifer "{"
(
MethodDeclaration |
FieldDeclaration |
";")*
"}"
"public"? "interface" Identifier "extends"
A l’heure où nous rédigeons ce
rapport l’héritage d’interface
n’est pas implémenté
- 60 -
A method declaration grammar looks like this. The keyword ... is here for passing arbitrary
parameters number.
MethodDeclaration ::= ResultType Identifier FormalParameters ;"
ResultType ::= Type | "void"
FormalParameters ::=
"("
FormalParameter
( "," FormalParameter )*
( "," "..." ) ?
")"
FormalParameter ::= "const"? Type Identifier
A constant field declaration grammar looks like this. The expression must be a valid constant
expression and only primitive type can be constant. Actually, no semantic check on
expression was done, and the expression was directly injected in generated C code.
FieldDeclaration ::= PrimitiveType Identifier = Expression ";"
The IDL understand these types. Where any means that all interface reference types is
accepted and ComplexeType specifically designs an interface reference type.
Type ::=
(PrimitiveType | ComplexeType) ( "*" | ("[" "]") )*
ComplexeType ::= QualifiedIndentifer | "any"
PrimitiveType ::= (
"boolean" |
"char" |
"byte" | "unsigned" "byte" |
"short" | "unsigned" "short" |
"int" | "unsigned" "int" |
"long" | "unsigned" "long" |
"float" |
"double" |
"string")
- 61 -
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement