Proposition and formal verification of real-time wireless sensor networks protocols
Proposition et vérification formelle de protocoles de communications temps-réel pour les réseaux de capteurs sans fil
Résumé
Wireless Sensor Networks (WSNs) are ad hoc wireless large scale networks deployed in order to monitor physical parameters of the environment and report the measurements to one or more nodes of the network (called sinks). The small electronic devices which compose the network have low computing and memory capacities and run on batteries, researches in this field have thus focused mostly on self-organization and energy consumption reduction aspects. Nevertheless, critical applications for WSNs are emerging and require more than those aspects, they have real-time and reliability requirements. Critical applications are applications on which depend human lives and the environment, a failure of a critical application can thus have dramatic consequences. We are especially interested in anomaly detection applications (forest fire detection, landslide detection, intrusion detection, etc), which require bounded end to end delays and high delivery ratio. Few WSNs protocols of the literature allow to bound end to end delays. Among the proposed solutions, some allow to effectively bound the end to end delays, but do not take into account the characteristics of WSNs (limited energy, large scale, etc). Others, take into account those aspects, but do not give strict guaranties on the end to end delays. Moreover, critical applications require a very high confidence level, simulations and tests are not sufficient in this context, formal proofs of compliance with the specifications of the application have to be provided. The application of formal methods to WSNs is still an open problem. Our contributions are thus twofold : * We propose a real-time cross-layer protocol for WSNs (named RTXP) based on a virtual coordinate system which allows to discriminate nodes in a 2-hop neighborhood. Thanks to these coordinates it is possible to introduce determinism in the accesses to the medium and to bound the hop-count, this allows to bound the end to end delay. Besides, we propose a real-time aggregation scheme to mitigate the alarm storm problem which causes collisions and congestion and thus limit the network lifetime. * We propose a formal verification methodology based on the Model Checking technique. This methodology is composed of three elements, (1) an efficient modeling of the broadcast nature of wireless networks, (2) a verification technique which takes into account the unreliability of the wireless link and (3) a verification technique which mixes Network Calculus and Model Checking in order to be both scalable and exhaustive. We apply this methodology in order to formally verify our proposition, RTXP.
Nos travaux portent sur les protocoles de communications temps-réel pour Réseaux de Capteurs sans Fil (RCsF). Les RCsF sont des réseaux ad hoc, sans fil, large échelle déployés pour mesurer des paramètres de l'environnement et remonter les informations à un ou plusieurs emplacements (nommés puits). Les éléments qui composent le réseau sont de petits équipements électroniques qui ont de faibles capacités en termes de mémoire et de calcul ; et fonctionnent sur batterie. Ces caractéristiques font que les protocoles développés, dans la littérature scientifique de ces dernières années, visent principalement à auto-organiser le réseau et à réduire la consommation d'énergie. Avec l'apparition d'applications critiques pour les réseaux de capteurs sans fil, de nouveau besoins émergent, comme le respect de bornes temporelles et de fiabilité. En effet, les applications critiques sont des applications dont dépendent des vies humaines ou l'environnement, un mauvais fonctionnement peut donc avoir des conséquences catastrophiques. Nous nous intéressons spécifiquement aux applications de détection d'événements et à la remontée d'alarmes (détection de feu de forêt, de glissement de terrain, d'intrusion, etc), ces applications ont des contraintes temporelles strictes. D'une part, dans la littérature, on trouve peu de protocoles qui permettent d'assurer des délais de bout en bout bornés. Parmi les propositions, on trouve des protocoles qui permettent effectivement de respecter des contraintes temporelles mais qui ne prennent pas en compte les spécificités des RCsF (énergie, large échelle, etc). D'autres propositions prennent en compte ces aspects, mais ne permettent pas de garantir des bornes temporelles. D'autre part, les applications critiques nécessitent un niveau de confiance très élevé, dans ce contexte les tests et simulations ne suffisent pas, il faut être capable de fournir des preuves formelles du respect des spécifications. A notre connaissance cet aspect est très peu étudié pour les RcsF. Nos contributions sont donc de deux types : * Nous proposons un protocole de remontée d'alarmes, en temps borné, X-layer (MAC/routage, dénommé RTXP) basé sur un système de coordonnées virtuelles originales permettant de discriminer le 2-voisinage. L'exploitation de ces coordonnées permet d'introduire du déterminisme et de construire un gradient visant à contraindre le nombre maximum de sauts depuis toute source vers le puits. Nous proposons par ailleurs un mécanisme d'agrégation temps-réel des alarmes remontées pour lutter contre les tempêtes de détection qui entraînent congestion et collision, et donc limitent la fiabilité du système. * Nous proposons une méthodologie de vérification formelle basée sur les techniques de Model Checking. Cette méthodologie se déroule en trois points, qui visent à (1) modéliser de manière efficace la nature diffusante des réseaux sans fil, (2) vérifier les RCsF en prenant en compte la non-fiabilité du lien radio et (3) permettre le passage à l'échelle de la vérification en mixant Network Calculus et Model Checking. Nous appliquons ensuite cette méthodologie pour vérifier RTXP.