Vérification et validation de propriétés de protocoles pour réseaux de capteurs sans fil grâce au couplage de la simulation et de l’émulation et du système

Verification and validation of wireless sensor network protocol properties through the system’s emulation

• Auteur / Autrice : Calypso Barnes
• Direction : François Verdier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 28/06/2017
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, antennes et télécommunications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications
• Jury : Président / Présidente : Olivier Berder
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Verdier, Olivier Berder, David Navarro, Frédéric Pétrot, Alain Pegatoquet, Davide Quaglia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Navarro, Frédéric Pétrot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseaux de capteurs sans fil

Validation

Protocoles

Émulation

Co-simulation

SystemC

QEMU

Wireless sensor networks

Validation

Protocols

Emulation

Co-simulation

SystemC

QEMU

Résumé

Les réseaux de capteurs sans fil sont un domaine en plein essor qui montre un potentiel intéressant pour de nombreuses applications. Pour qu’ils soient plus facilement adoptés par les industriels, il est nécessaire de démontrer que leur fonctionnement est fiable, et par conséquent de valider les protocoles utilisés par ces nœuds pour communiquer. Différentes méthodes de validation peuvent être utilisées, mais nous montrons qu’à ce jour, aucune de ces méthodes ne s’est avérée être idéale. Nous avons donc développé un nouvel outil de validation pour ces protocoles, un environnement de simulation appelé SNOOPS, capable d’exécuter le code binaire du protocole compilé sur un modèle de la plateforme hardware du nœud. Le nœud est modélisé en alliant l’émulateur de plateformes virtuelles QEMU au langage de description hardware SystemC, qui est également utilisé pour modéliser les communications en réseau entre les nœuds. Le principal attrait de SNOOPS est de posséder un module observateur qui a pour rôle d’arrêter la simulation si une propriété du protocole a été violée, afin de pouvoir trouver l’origine de l’erreur grâce à un debugger. Les propriétés du protocole à tester sont modélisées en Light Esterel, un langage réactif synchrone, à partir des spécifications du protocole, et compilées en C pour pouvoir être insérées plus simplement dans l’observateur. Un atout supplémentaire de SNOOPS est un module permettant d’interpréter et réinjecter en simulation des trames enregistrées dans un log en format pcap provenant d’expérimentations sur des nœuds physiques. Nous avons testé sur SNOOPS le protocole OCARI développé par EDF R&D et ses partenaires industriels et académiques.

Wireless sensor networks are a thriving area that shows good potential for many applications. In order for manufacturers to adopt this technology more easily, it is necessary to demonstrate that the operation of these networks is reliable, and therefore validate the protocols used by the network nodes to communicate. Different validation methods can be used, but we show that to date, none of these methods has proved to be ideal. We have therefore developed a new validation tool for these protocols, a simulation environment called SNOOPS. This tool is able to execute the binary code of the compiled protocol on a model of the node’s hardware platform. The node is modeled by combining QEMU, a virtual platform emulator, with SystemC, a hardware description language which is used in this context to model different hardware peripherals as well as the network communications between nodes. SNOOPS’s main appeal is the observer module, whose role is to stop the simulation if a protocol property has been violated, in order to find the error that is at the origin of this violation through a debugger. The properties of the protocol under test are modeled in Light Esterel, a synchronous reactive language, based on the protocol’s specifications. They are then compiled into C to be inserted more simply in the observer. An additional advantage of SNOOPS is a module to interpret and re-inject into simulation frames recorded in a pcap (packet capture) format log, from tests with physical nodes for which the origin of bugs could not be determined. We tested with SNOOPS the OCARI protocol developed by EDF R&D and its industrial and academic partners.