De par leur taille miniature, les capteurs sans fils sont fortement contraints en énergie, imposant une gestion raisonnée du réseau qu'ils peuvent former grâce à leur capacité de communication sans fil. Cette dernière, limitée, impose des portées réduites contraignant les informations à être relayées d'objet en objet avant d'atteindre leur destinataire. On parle alors de communications multi-sauts. Le déploiement de ces réseaux sur des zones sensibles ou distantes rend également impossible le rechargement ou le remplacement des batteries. Il est alors crucial d'ordonnancer l'activité des capteurs; Pendant qu'une partie des objets participe à l'application, les autres sont dans un mode passif, peu consommateur de ressources. Le critère retenu pour l'ordonnancement est celui de la couverture de surface: l'ensemble des capteurs actifs doit être capable d'observer une zone aussi large que celle couverte par l'ensemble des capteurs déployés. Nous souhaitons également que cet ensemble soit connecté, c'est à dire que les communications multi-sauts soient possibles entre toute paire d'éléments du réseau. <br />Nous avons choisi d'étudier des approches localisées uniquement, ne reposant sur aucune infrastructure. L'objectif est d'obtenir un comportement global cohérent à partir de décisions individuelles simples issues d'informations locales. Chaque noeud décide de sa propre activité en ne se basant que sur l'observation de ses propres voisins. Les changements de topologie du réseau (dus à la mobilité, aux pannes ou à des changements de statut) ne sont par conséquent vécus par les noeuds que comme de simples modifications de leurs voisinages. Ceci permet d'obtenir des solutions robustes, adaptables et surtout passables à l'échelle, aspect extrêmement important dans des réseaux où les densités évoquées peuvent être d'une centaine de noeuds par zone de communication. <br />Nos propositions se distinguent non seulement parce qu'elles considèrent les problèmes de connexité et de couverture de zone comme n'en étant qu'un seul, mais aussi de par leur faible coût en communication ainsi que par leur robustesse. Nous avons ensuite étudié diverses méthodes d'extension à la couverture multiple où tout point de la zone doit être couvert par un nombre fixé de capteurs actifs. Enfin, nous avons évalué toutes ces approches à l'aide de modèles de communication réalistes, montrant que nos solutions conservent toute leur cohérence, en termes de couverture et de connexité. En revanche, aux protocoles classiques souffrant de pertes de performances, nous avons proposé des mécanismes améliorerant leur comportement dans des environnements réalistes.

Les travaux de recherche de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la sécurité par chaos des réseaux locaux sans fil, en particulier les réseaux de capteurs sans fil. L’originalité de cette thèse consiste à proposer des cryptosystèmes à base de chaos plus adaptés aux réseaux de capteurs, en termes de consommation d’énergie, que les algorithmes conventionnels et à réaliser une implémentation sur une plateforme réelle. Nous présentons en premier lieu un état de l’art des réseaux, les menaces, les contraintes limitant le processus de sécurité des informations ainsi que les principales techniques de cryptographie. Nous donnons un aperçu sur la théorie de chaos et nous validons l’aspect aléatoire de plusieurs suites chaotiques par les tests statistiques du NIST. Nous proposons ensuite des nouvelles méthodes de construction de S-Box chaotiques tout en prouvant leur robustesse contre les attaques traditionnelles. Nous proposons enfin un nouvel algorithme de cryptage d’image dédié au réseau de capteurs sans fil. La validation de nos contributions est effectuée par simulation et par des mesures expérimentales sur une plateforme de réseaux de capteurs réels (SensLab). / The security of wireless sensor network is a growing field of research hampered by limited battery life time and computing constraints. The originality of this thesis is to provide Low Power chaotic cryptosystems for sensor networks more suitable than conventional algorithms and achieve an implementation on a real platform.. We present first a state of the art of wireless networks, threats and constraints of the security process as well as conventional cryptographic techniques. We give an overview of the chaos theory and we validate the randomness of several chaotic maps by the NIST statistical tests. Then, we propose new methods of chaotic S-Box construction, while demonstrating their robustness against traditional attacks. Finally, we propose a new image encryption algorithm dedicated to wireless sensor network. Validation of our contributions is performed by simulation and experimental measurements on a platform of real sensor networks (SensLab).

L’apparition récente de petits capteurs peu couteux fonctionnant sur batteries, capables de traiter les données acquises et de les transmettre par ondes radio ont le potentiel de révolutionner les applications de surveillance traditionnelles. Les réseaux sans fils composés de nœuds capteurs autonomes proches de la cible à surveiller permettent des tâches de surveillance précises allant du contrôle de la température dans des bâtiments jusqu`a la détection de feux de forêt. Récemment, de nouvelles applications de réseaux de capteurs sans fil telles que des applications multimédia ou dans le domaine de la santé ont émergé. Les réseaux sous-jacents déployés pour ces applications sont souvent compos´es de nœuds hétérogènes comportant différents capteurs et doivent fournir un niveau de service conforme aux exigences des différents types de trafic en s’adaptant à la charge variable. Cependant, concevoir des protocoles efficaces adaptés à ces applications tout en s’accommodant des ressources limitées des réseaux de capteurs est une tâche difficile. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur le support de la qualité de service au niveau de la couche MAC, car cette couche conditionne et détermine largement les performances du réseau étant donné qu’elle est responsable de l’organisation de l’accès au canal. Dans un premier temps, nous étudions les contraintes spécifiques des applications ayant des exigences fortes ainsi que des applications hétérogènes et nous examinons les travaux proposés dans la littérature. Etant donné l’inadéquation des solutions existantes en présence d’un trafic important, nous proposons AMPH, un protocole MAC adaptatif avec qualité de service pour les réseaux de capteurs sans fil hétérogènes. Notre solution consiste en une méthode d’accès au canal hybride basée sur le multiplexage temporel, dans laquelle tous les nœuds peuvent accéder au canal à chaque division de temps en utilisant un nouveau mécanisme de compétition qui favorise le trafic prioritaire. Grâce à ces techniques, AMPH utilise efficacement le canal quelque soit la charge de trafic et assure une latence faible au trafic temps réel. Nous vérifions les performances d’AMPH à l’aide de simulations et d’un modèle mathématique. / The availability of small, low-cost, battery operated devices capable of sensing, performing simple processing and transmitting data via wireless communications have the potential to revolutionize traditional monitoring applications. Wireless networks composed of autonomous sensor nodes enable ubiquitous monitoring tasks from environmental control of office buildings to the detection of forest fires. Recently, new applications for wireless sensor networks such as healthcare and multimedia applications have emerged. These applications often have heterogeneous sensing capabilities and require that the network supports different types of QoS-constrained traffic at variable rates. However, designing efficient protocols that provide an appropriate level of performance to these applications while coping with the limited resources of sensor networks is a challenging task. In this thesis, we focus on QoS provisioning at the MAC layer. Since this layer is responsible for the organization of channel access, it determines to a large extent the overall performance of the network. We start by studying the specific requirements of demanding and heterogeneous applications, then we discuss related work of the literature. Given the inadequacy of existing solutions in the presence of important traffic loads, we propose AMPH, an adaptive MAC protocol with QoS support for heterogeneous wireless sensor networks. Our solution is a hybrid channelaccess method based on time division where all nodes may contend to access the channel at each time slot using a new contention mechanism which favors high priority traffic. Through these efficient techniques, AMPH achieves high channel utilization under variable traffic loads and provides low latency to real-time traffic. We verify the efficiency of AMPH through simulation experiments and a mathematical analysis.

Les réseaux de capteurs sans fils sont de plus en plus utilisés dans des applications de surveillance de grands systèmes (feux de forêt, gaz dans les galeries minières, éthologie, ...). Une caractéristique de ces applications est que la topologie du réseau va être dynamique : soit les capteurs sont géographiquement mobiles (dispersion d'une nappe de pétrole), soit les conditions environnementales évoluent et modifient les capacités de communication des capteurs entre eux. Aussi, d'un système connexe, on peut évoluer vers un système clustérisé qui présente une rupture de la connectivité globale, et donc du système d'information. Une solution consiste à utiliser un (ou des) collecteur(s) des mesures (par exemple un robot mobile) qui va rétablir une connectivité discrète pour reconstituer à des échéances fixes un système d'information cohérent. Nous avons proposé un algorithme de clustering du réseau de capteurs sans fils adapté à la dynamique de sa topologie. La métrique choisie prend en compte la densité et la mobilité des noeuds, ainsi que leur énergie résiduelle. Ensuite, nous avons conçu un protocole de couche session permettant au collecteur de reconstruire le contexte de communication avec les clusters précédemment visités, sachant qu'ils ont pu évoluer en nombre, dispersion, fusion, ... Pour ce faire, il faut générer dynamiquement une trajectoire optimale du collecteur, en se basant sur un modèle d'estimation de la topologie, en prenant en compte les exigences applicatives (fréquence et volume des informations remontées). Pour la validation de l'algorithme de clustering et du protocole de couche session proposés, nous avons défini un modèle de noeud capteur que nous avons intégré à l'environnement de simulation Opnet / Wireless sensor networks are increasingly used in applications for monitoring large systems (forest fires, gas in the mine galleries, ethology, ...). A characteristic of these applications is that the topology of the network will be dynamic, either the sensors are geographically mobile (dispersion of an oil slick) or environmental conditions change and modify the communication capabilities of these sensors. Also, from a connex system, we can move to a clustered system that presents a discontinuity of the global connectivity, and therefore of the information system. One solution is to use one (or more) collector (s) that will restore a discrete connectivity at fixed deadlines to reconstruct a coherent information system. We have proposed a clustering algorithm of the wireless sensor network which is adapted to the dynamics of its topology. The chosen metric takes into account the density and the mobility of nodes and their remaining energy. Then we designed a session-layer protocol allowing the collector to reconstruct the context of communication with the previously visited clusters, knowing that they have evolved in number, splitting, merging, ... To do this, it is necessary to dynamically generate the trajectory of the collector, on the basis of a model of the topology, taking into account the application requirements (frequency and volume of the collected information). For the validation of the proposed clustering algorithm and the session-layer protocol, we defined a sensor model we have integrated in the Opnet simulation environment

Depuis ces deux dernières décennies, une nouvelle technologie sans fil appelée Réseau de Capteur Sans Fil (RCSF) résultant d"une fusion entre les systèmes embarqués et les communications sans fil a vu le jour. Un RCSF ("WSN : Wireless Sensor Network" en Anglais) est un réseau Ad hoc composé d"un grand nombre de nœuds qui sont des micro-capteurs qui peuvent être déployés de façon aléatoire ou déterministe dans une zone d"intérêt donnée. Ces nœuds capteurs sont capables de récolter plusieurs paramètres physiques sur l"environnement qui les entoure, appelé généralement zone de captage (ou zone de surveillance). Ensuite, ils doivent si nécessaire traiter les données capturées et les transmettre à un (ou plusieurs) nœud de collecte appelé station de base, centre de traitement ("sink" en Anglais). Beaucoup de domaines d"applications tels que le contrôle et suivi environnemental, le contrôle de production dans l"industrie, la surveillance de zone, le monitoring de l"habitat, l"agriculture intelligente, etc. sont basés sur les RCSF. Toutefois, les RCSF ne sont pas parfaits. En effet, compte tenu de leur petite taille, leur faible coût et leurs déploiement dans des zones souvent hostiles ou difficiles d"accès, les nœuds capteurs présentent un certain nombre de faiblesses parmi lesquelles une durée de vie du réseau limitée, une bande passante faible, des capacités de capture et de communication réduites, etc. Afin de surmonter ces contraintes des RCSF, plusieurs problématiques de recherche sont nées ces dernières années, et les principales portent sur l"optimisation de la consommation énergétique en vue d"améliorer la durée de vie du réseau. D"autres recherches importantes menées dans le domaine de ces réseaux portent sur les stratégies de placement des nœuds, sur la couverture de zones et sur la connectivité du réseau. Cependant, la plupart des solutions proposées ces dernières années ne prennent pas en compte toutes ces problématiques dans leurs modèles de résolution ; alors que dans beaucoup d"applications des RCSF telles que la surveillance de zone critique, le monitoring de l"habitat, l"agriculture intelligente, il est nécessaire de garantir en même temps une couverture complète de la zone de surveillance, une bonne connectivité du réseau, tout en optimisant au mieux la durée de vie de celui-ci. Le but de cette thèse est donc de proposer de nouveaux mécanismes efficaces pour l"optimisation de la durée de vie dans les RCSF, tout en garantissant, à tout moment de cette durée de vie, une couverture totale de la zone de surveillance, ainsi qu"une bonne connectivité du réseau. Pour atteindre nos objectifs, nous avons étudié et fait des propositions dans deux axes qui sont le placement des nœuds et les mécanismes d"ordonnancement au niveau de la couche MAC. Pour ces derniers, nous avons mis en place un algorithme appelé DSMAC (Distributed Scheduling Medium Acces Control) qui est basé sur notre méthode de placement des nœuds. Par ailleurs, DSMAC permet de couvrir 100% de la zone de surveillance, assure une bonne connectivité du RCSF et permet également aux nœuds capteurs d"économiser jusqu"à 30% de leur énergie comparativement à d"autres protocoles MAC tels que TunableMAC. / Since the past two decades, a new technology called Wireless Sensor Network (WSN) which result in a fusion of embedded systems and wireless communications has emerged. A WSN is Ad hoc network composed of many sensors nodes communicating via wireless links and which can be deployed randomly or deterministically over a given interest region. Theses sensors can also collect data from the environment, do local processing and transmit the data to a sink node or Base Station (BS) via multipath routing. Thereby, a wide range of potential applications have been envisioned using WSN such as environmental conditions monitoring, wildlife habitat monitoring, industrial diagnostic, agricultural, improve health care, etc. Nevertheless,WSN are not perfect. Indeed, given their small size, their low cost and their deployment generally in hostile or difficult access areas, sensor nodes have some weaknesses such as: a limited energy, so a network lifetime limited, limited bandwidth, limited computations and communications capabilities, etc. To overcome these limitations, several research issues from were created in recent years, and the main issues focus on the optimization of energy consumption in order to improve the network lifetime. Other important researches focus on issues of coverage areas, placement strategies of sensor nodes and network connectivity. However, most solutions proposed in recent years to resolve these issues do not take into account all these issues that we cited above in resolutions models; while in many WSN applications such as monitoring critical region, wildlife habitat monitoring, agricultural application, a full coverage of the monitoring region and network connectivity are mandatory as well an energy-awareness network lifetime. The objective of this thesis is thus to propose new scheduling mechanisms for optimizing the network lifetime in WSN, while ensuring at any time of the network lifetime a full coverage of the monitored region and network connectivity. To achieve our goals, we have study and done proposal in two axes which are placement strategy of sensor nodes and scheduling mechanism in the MAC layer. For these, we have implemented a Distributed Scheduling Medium Access Control algorithm (DSMAC) based on our placement method. Furthermore, DSMAC enables to cover 100% of the monitored region, to ensure optimal network connectivity and also allows sensors node to save up to 30% of their energy compared to other MAC protocols such as TunableMAC.

Les réseaux de capteurs sans fil constituent une partie essentielle de la couche " perception " de l'Internet des objets (IoT ou Internet of Things), et reconnectent le monde numérique créée par les réseaux informatiques classiques au monde physique. Ils font émerger sans cesse de nouvelles applications grâce à un nombre important d'éléments, qui collectent des données de l'environnement, les traitent et les disséminent. Aujourd'hui, circulent dans l'IoT des volumes de données importants, très variés et souvent générés de façon continue mettant plus l'accent sur l'information et non sur sa source. Cette indifférence sur la source est renforcée par les déploiements interchangeables et redondants des réseaux de capteurs. Dans cette thèse, nous nous attachons à l'intégration des principes et mécanismes des réseaux orientés contenus dans les réseaux de capteurs sans fil afin d'améliorer le fonctionnement et les performances de ces derniers. Nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à la pertinence temporelle des données dans les réseaux de capteurs centrés sur les contenus. En effet, nous avons opté pour la prise en considération de la durée de vie (ou fraîcheur) des contenus et proposé deux approches (une réactive et l'autre proactive) pour leur mise à jour. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons proposé un mécanisme fondé sur le contrôle du duty-cycle afin d'atténuer l'impact de l'inondation principalement utilisée pour disséminer les intérêts envoyés par les utilisateurs et les contenus correspondant. Pour cela, nous avons cherché à maintenir un sous-ensemble suffisant de nœuds nécessaires à la satisfaction des intérêts reçus par le réseau. Le défi principal était de réduire la consommation d'énergie grâce à un mécanisme d'endormissement/réveil des nœuds capteurs tout en gardant un bon taux de satisfaction des requêtes. Enfin, pour améliorer la mise en cache des contenus dans un réseau de capteurs, nous avons étudié les stratégies existantes et recensé les paramètres impactant leur performance. Nous avons ensuite proposé une stratégie plaçant les contenus sur des nœuds en fonction de leur degré et leur distance de la source. Une compagne de simulations et des comparaisons avec d'autres solutions, montrent que les mécanismes proposés garantissent de bonnes performances en termes de latence, de consommation d'énergie et de taux de satisfaction des intérêts. / Wireless sensor networks are an essential part of the Internet of Things (IoT) "perception" layer. IoT connects the digital world created by conventional computer networks to the physical world. They continually bring new applications to life through a large number of elements that collect, process and disseminate environmental data. Today, moves accross the IoT a large and varied volume of data. Data is generated in a continuous way with a greater emphasis on information and not on its source. This indifference to the source is reinforced by the interchangeable and redundant deployments of the sensor networks. In this thesis, we focus on integrating the principles and mechanisms of content-oriented networks in wireless sensor networks to improve the operation and performance of these networks. Hence, we first focused on the temporal relevance of data in content-centric sensor networks. Indeed, we considered the content lifetime (or freshness) and we proposed two approaches (one reactive and the other proactive) for their update. In the second part of the thesis, we proposed a mechanism based on the control of the duty-cycle to overcome the impact of the flooding mainly used to disseminate the interests sent by the users and the corresponding contents. For this purpose, we tried to maintain a sufficient subset of nodes necessary to satisfy the interests received by the network. The main challenge was to reduce energy consumption thanks to a mechanism controlling the node activity while keeping a good interest satisfaction rate. Finally, to improve the content caching in a sensor network, we have studied the existing strategies and identified the parameters impacting their performance. We then proposed a strategy placing the contents according to the degree of the nodes and their distance from the source. An exhaustive comparative study with other solutions show that the proposed mechanisms guarantee good performance in terms of latency, energy consumption and interest satisfaction rate.

Dans les réseaux sans fil distribués où plusieurs antennes ne peuvent pas être intégrées dans un même nœud de communication, les techniques MIMO (Multiple Input Multiple Output) coopératives permettent d'exploiter le gain de la diversité spatio-temporelle pour augmenter les performances ou réduire l'énergie consommée pour les communications. Dans cette thèse, des stratégies MIMO coopératives sont proposées pour les réseaux de capteurs sans fil (RCS), où la consommation d'énergie est la contrainte la plus importante. Leur avantage en termes de taux d'erreur et de consommation d'énergie sur les techniques mono-antenne (SISO), même multi-étapes, et sur les techniques de relais, est clairement mis en évidence. Une sélection du nombre d'antennes d'émission et de réception, optimale en termes d'efficacité énergétique, est également proposée en fonction des distances de transmission. Les inconvénients du MIMO coopératif, comme les imperfections de synchronisation à l'émission ou les bruits additifs en réception, qui affectent leurs performances dans les réseaux sans fil distribués, sont abordés. Deux nouvelles techniques de réception coopérative basées sur le principe de relais, ainsi qu'une nouvelle technique de combinaison spatio-temporelle sont proposées afin d'augmenter l'efficacité énergique de ces systèmes MIMO coopératifs. Enfin, des comparaisons de performance et de consommation d'énergie entre les techniques MIMO coopératives et de relais montrent que leur utilisation dépend beaucoup de la topologie du réseau et de l'application. Une stratégie d'association est proposée pour exploiter simultanément les avantages des deux techniques de coopération.

Les systèmes informatiques ont connu récemment de grandes avancées dans leur conception. D'une part, la démocratisation des réseaux via la croissance exponentielle de l'Internet a permis d'envisager des systèmes à l'échelle mondiale, visant de mettre en commun une multitude de ressources à travers la planète entière. D'autre part, la réduction continue de la taille des équipements informatiques a permis l'apparition de matériels miniatures. Le jumelage de ces deux évolutions est à l'origine de l'apparition des réseaux de capteurs sans fil. Le spectre des applications potentielles de ces réseaux est extrêmement large, que cela soit dans le contexte d'une infrastructure fixe autant que dans l'informatique embarquée. Cette thèse propose un ensemble de contributions pour la gestion de l'information à la fois dans le contexte mobile et statique. Édifiées autour des mêmes propriétés de collaboration et d'auto-organisation, ces propositions sont conçues selon une méthodologie de la théorie vers la pratique. Cette thèse vise ainsi, en premier lieu, une analyse théorique a priori d'une application classique des réseaux de capteurs statiques, à savoir le suivi de trajectoires d'objets mobiles non identifiés. Par la suite, nous étendons le spectre des applications visées en proposant une structure générique à toute mise en oeuvre réelle de réseaux de capteurs statiques. En second lieu, nous considérons une modélisation de la mobilité permettant d'analyser fondamentalement les impacts de celle-ci sur la convergence des protocoles dits de population. Enfin, nous établissons un parallèle entre les travaux menés théoriquement sur les réseaux de capteurs mobiles avec ceux plus pratiques et empiriques proposés dans le cadre des protocoles épidémiques sur réseaux filaires. En démontrant que ces deux domaines portent en réalité sur la même classe de protocoles -- et donc de problèmes -- nous ouvrons ainsi une voie captivante pour de futures recherches dans chacun de ces deux domaines, par l'utilisation de l'un dans l'autre.

La surveillance d'entrepôts de produits chimiques est une opération délicate dans le sens où elle passe par une connaissance de la nature de chaque produit stocké, sur leur localisation, sur leur possible interaction et sur les actions à mettre en œuvre en cas d'alerte. Pour faciliter cette gestion de stockage, cette thèse propose d'utiliser le concept de l'ambiant où le produit possède son propre système d'information et de communication sans fil de façon à le rendre intelligent et autonome. Cette thèse propose et développe un modèle de comportement interne de produit actif permettant une approche distribuée de sécurité active. Celui-ci permet d'aboutir à un protocole de communication de niveau applicatif à embarquer dans les produits actifs. Ce protocole est évalué de façon formelle en utilisant les Réseaux de Petri colorés hiérarchiques. Finalement, ce protocole est implémenté dans le simulateur Castalia/Omnet++ pour l'analyser dans plusieurs scénarii et aussi pour l'éprouver lors du passage à l'échelle. Les résultats montrent l'intérêt et la faisabilité du concept de produit actif.

La surveillance d'entrepôts de produits chimiques est une opération délicate dans le sens où elle passe par une connaissance de la nature de chaque produit stocké, sur leur localisation, sur leur possible interaction et sur les actions à mettre en œuvre en cas d'alerte. Pour faciliter cette gestion de stockage, cette thèse propose d'utiliser le concept de l'ambiant où le produit possède son propre système d'information et de communication sans fil de façon à le rendre intelligent et autonome. Cette thèse propose et développe un modèle de comportement interne de produit actif permettant une approche distribuée de sécurité active. Celui-ci permet d'aboutir à un protocole de communication de niveau applicatif à embarquer dans les produits actifs. Ce protocole est évalué de façon formelle en utilisant les Réseaux de Petri colorés hiérarchiques. Finalement, ce protocole est implémenté dans le simulateur Castalia/Omnet++ pour l'analyser dans plusieurs scénarii et aussi pour l'éprouver lors du passage à l'échelle. Les résultats montrent l'intérêt et la faisabilité du concept de produit actif.