IoT et IIoT

Pour finaliser l’industrie du futur, « il ne manque plus qu’à faire communiquer ce qui communique déjà », disait l’un des intervenants du dernier Smart-Industrie. Plus facile à dire qu’à faire, surtout avec l’avènement des IoT. La SEE vient de publier une étude remarquablement documentée sur 300 pages dont voici les grandes lignes. A se procurer sans attendre.

L’IoT n’est pas un produit, ni un réseau, ni un système : c’est un système de systèmes et, sur le plan des communications, un réseau de réseaux, dans lequel l’Internet va jouer un rôle fédérateur, une sorte de glu qui va permettre à des réseaux de natures très diverses de se concaténer et de constituer un maillage permettant aux objets localisés dans les réseaux les plus proches du terrain, que nous appelons dans cette étude « réseaux d’extrémité », de communiquer entre eux grâce à l’universalité de l’Internet et de ses protocoles.

Les enjeux de l’IoT

Combien d’objets seront un jour connectés et à quelle échéance ? Les prévisions divergent : en 2011 Cisco avait annoncé 50 milliards d’objets connectés en 2020. Ce chiffre, qui aurait correspondu à un facteur 10 par rapport aux connexions conventionnelles sur l’Internet, ne sera pas atteint et l’on parle aujourd’hui de 20 milliards d’objets à cette échéance. Mais la tendance est forte, les chiffres régulièrement publiés par le Gartner Group font état d’une croissance de 33 % par an et le potentiel de connexion d’objets est manifestement considérable.

Mais la connectivité n’est pas une fin en soi : elle ne prend son sens que si elle s’accompagne de la transmission d’informations dont les destinataires peuvent tirer parti. L’IoT est donc un concept qui s’appuie en définitive sur deux grands courants :
- d’une part le développement des moyens de communication, à courte, moyenne, ou longue distance, au travers de l’Internet et de tout l’écosystème des réseaux de communications qui peuvent se fédérer autour de lui ;
- d’autre part les méthodes nouvelles de traitement des données : tri, validation, traitement et stockage, toutes opérations qui peuvent se faire soit de façon locale, soit de façon « infonuagique » par des moyens hébergés dans le « cloud ». Ces données peuvent être « massives », eu égard au potentiel qu’offrent les solutions nouvelles de connectivité permettant de collecter des informations en provenance de myriades de capteurs. Le traitement des données dans l’IoT fait alors appel à des solutions qui relèvent du domaine des données massives (
Big Data).

On retrouve l’IoT dans tous les grands programmes nationaux de modernisation des économies, qu’il s’agisse d’Industrie 4.0 en Allemagne, du Plan Industrie du futur en France, du Made in China en Chine ou de la Japan’s Industrial Value Initiative au Japon. L’enjeu économique de l’IoT peut s’apprécier sous deux aspects complémentaires :
- d’une part, il y a le marché des produits, systèmes, applications, solutions… sous forme matérielle ou logicielle : les estimations varient mais elles se situent pour l’ensemble du monde aux environs de 500 à 600 Mrd USD à des horizons variant de 2020 à 20251. En France, une étude d’AT Kearney a évalué ce marché à 15 Mrd EUR en 2020 ;
- d’autre part, il y a la création de valeur induite par l’IoT sous forme de modernisation de l’économie, d’amélioration de la productivité, de réduction des coûts d’approvisionnement, etc.

L’évaluation de cet impact est très difficile car l’IoT se combine à d’autres facteurs de modernisation. Il semble cependant que l’on puisse multiplier par 4 ou 5 l’évaluation du marché pour estimer de façon globale l’impact de l’IoT sur l’économie. Au niveau mondial, cela conduirait à une création de valeur de l’ordre de 2 000 à 2 500 Mrd USD en 2025 soit 2,6 à 3,3 % du PIB mondial actuel. Pour la France, la création de valeur attendue serait, toujours selon l’étude d’AT Kearney, de 74 Mrd EUR en 2020 soit 3,3 % du PIB actuel (2015). Les estimations sont donc convergentes et confèrent un enjeu majeur au développement de l’IoT.

Il est essentiel de prendre conscience que l’IoT n’est pas un simple perfectionnement technologique : c’est un mouvement disruptif qui conduit, comme l’Internet dans certains domaines (ventes par correspondance, tourisme, taxis, locations…) à une remise en cause des modèles d’affaires traditionnels en introduisant des circuits courts et en ouvrant la possibilité de collecter des masses d’information, de les croiser entre elles, d’analyser les signaux faibles et de prendre des décisions fondées sur une analyse objective des données. De la traditionnelle gestion des données, le Data Management, on passe ainsi au “Management by Data” qui fait de la donnée la richesse centrale de l’entreprise. L’IoT est une chance à saisir pour redynamiser le secteur industriel de la France, soit en offrant de nouvelles solutions, soit en les intégrant dans le processus productif afin d’en améliorer l’efficacité.

Les objets connectés

L’IoT se donne comme objectif de réaliser la connexion entre objets de toute nature, qu’ils soient matériels ou immatériels. Cisco a proposé l’appellation « Internet of Everything (IoE) » afin de souligner l’universalité du concept. Les objets matériels, ce sont les « choses » de la vie : tous les objets de la vie courante mais aussi les équipements du monde industriel ou professionnel. Les objets immatériels, ce sont les constructions de l’esprit et tout particulièrement les logiciels. A cette dichotomie, il faut ajouter les humains qui associent capacités matérielles et logicielles. En fait, tous les objets du monde de l’IoT dispose d’une capacité logicielle, d’une forme d’intelligence, plus ou moins développée, qui leur permet de percevoir et saisir des informations, de les transmettre et éventuellement les traiter et, en retour, de comprendre des instructions et d’agir en conséquence.

La distinction pertinente est donc plutôt à faire entre « personnes » et « machines ». Les communications « personne à personne » sont celles rendues possibles par l’Internet, tel que nous le connaissons depuis 40 ans et plus. Les communications « machine à machine » sont celles du MtoM (ou M2M), qui sont parfois assimilées à l’IoT mais qui en constituent en fait un sous-ensemble. Ce sous-ensemble est extrêmement important du point de vue de la valeur ajoutée qui lui est associée. Ce sont en effet les communications M2M qui sont, pour une large part, à l’origine des progrès de productivité que l’on peut espérer grâce au développement « d’usines du futur » dotées de machines « intelligentes », plus efficaces, plus adaptatives, plus robustes, permettant de diminuer les coûts de production et de simplifier les chaînes d’approvisionnement.

On notera cependant que le M2M serait insuffisant s’il n’était pas associé à une communication entre les machines et les personnes car c’est in fine la conjonction de l’intelligence créatrice de l’Homme avec celle programmée de la machine qui permet de faire face aux situations les plus variées et de prendre, le plus rapidement possible, les bonnes décisions.

Les objets de l’IoT ont une personnalité propre : ils sont capables de saisir et de recevoir de l’information et de les échanger avec les autres objets de l’IoT. Mais il faut pour cela qu’ils puissent être identifiés de façon certaine. Le problème n’est pas trivial compte tenu du nombre considérable d’identifiants à gérer potentiellement. De sa solution dépend la possibilité pour les correspondants de s’identifier mutuellement de façon certaine, sans risque d’être abusés par des cyberattaques. L’identification est indispensable sur le plan local, elle l’est aussi sur un plan beaucoup plus large si l’on veut gérer la mobilité et offrir des fonctions d’itinérance (roaming). Enfin, pour les opérateurs de réseau, elle est nécessaire pour procéder, s’il y a lieu, à la facturation des services de communication.

Les réseaux de communication

Les réseaux de communication entre objets constituent la deuxième composante essentielle de l’IoT. Si l’on admet comme objectif plausible le chiffre de 50 milliards d’objets connectés, on peut considérer que 10 % de ces objets seront des personnes et 90 % des machines avec, pour ces dernières, des perspectives de développement bien plus considérables que pour les humains. L’Internet a résolu le problème de la connectivité entre humains mais la connectivité entre objets pose des problèmes qui sont, au moins, de deux ordres de grandeur plus complexes.

L’appellation « Internet des objets » laisse à penser que c’est l’Internet qui s’imposera et que l’IoT sera un gigantesque réseau regroupant autour de l’Internet des milliards d’objets. Certaines illustrations, telles que celle de la figure 1, incitent à croire qu’il en ira ainsi. En fait, tel n’est pas du tout le cas aujourd’hui. La plupart des objets n’ont pas besoin de disposer d’une connexion directe à l’Internet et il serait absolument inutile de déverser dans le nuage (le cloud) des milliards de milliards de données qui n’ont qu’un intérêt local ou éphémère.

Comme le marque clairement la définition retenue pour la présente étude, l’Internet des objets doit être vu comme un réseau de réseaux dont l’élément fédérateur est l’Internet. Les réseaux « élémentaires » sont de plus en plus des réseaux locaux sans fil construits autour de divers systèmes de communication tels que Bluetooth, ZigBee, les Wi-Fi ou les LPWAN et qui communiquent avec l’Internet au travers d’un routeur de bordure qui peut assurer également la conversion de protocole pour pouvoir acheminer les données vers les serveurs connectés à Internet. Cette structure fédérative peut être illustrée par la figure 2 où sont représentés des réseaux locaux et un réseau longue distance fédérés par l’Internet.

Il existe aujourd’hui une pléthore de réseaux locaux répondant à des spécifications diverses, certains standardisés, au moins pour les couches basses, d’autres propriétaires. Un aperçu en est donné dans le chapitre 4 consacré aux réseaux de communication. L’arrivée sur le marché des solutions LWPAN (longues distances et faible consommation) tels que Sigfox et LoRaWAN est venue enrichir encore davantage la palette des choix possibles. En fin d’année 2017, commenceront également à émerger les solutions cellulaires spécifiées en 2016 par le 3GPP : EC-GSM, eMTC et NB-IoT.

Toutes ces solutions ont leurs avantages et leurs inconvénients. Les consortiums qui généralement sont à l’origine ou soutiennent ces solutions font valoir leur adaptation aux exigences de l’IoT : être IoT ready ou IoT compliant est devenu un élément de langage incontournable du discours marketing. Mais ces solutions posent des problèmes d’interopérabilité, de positionnement respectif – notamment dans les bandes de fréquences radio, qui constituent une ressource rare – et d’intégration entre elles et avec l’Internet, pour constituer un ensemble cohérent et ouvert. Il est vraisemblable que la situation actuelle évoluera sous l’effet du marché, de l’évolution technologique et de l’émergence de nouveaux standards. Des solutions disparaîtront et la palette des choix se resserrera.

Cependant il est difficile de dire au stade actuel quel sera l’aboutissement de ce processus de rationalisation. Il est probable que l’adoption d’un identifiant unique, identifiant physique et/ ou adresse IP, s’imposera car c’est une condition essentielle pour mettre en place des mesures de sécurité visant à prévenir les intrusions d’objets non autorisés dans les réseaux. Beaucoup pensent que l’adressage IPv6 finira par s’imposer mais d’aucuns estiment qu’il restera trop lourd pour répondre correctement aux besoins propres à l’IoT de communication rapide sur la base de messages courts. Il est possible que l’arrivée des solutions cellulaires, 4G aujourd’hui, 5G à l'horizon 2020, modifie fondamentalement la donne en offrant des possibilités de connexion omniprésentes, basées sur des standards universellement reconnus, apportant de façon native la compatibilité avec l’IPv6 et des solutions résilientes aux cyberattaques. Toutefois, d’aucuns estiment que ces solutions resteront coûteuses et dispendieuses en énergie et donc laisseront une large part du marché à d’autres solutions mieux adaptées aux besoins locaux.

Les données

Troisième volet du triptyque de l’IoT, les données sont en fait au cœur du concept d’Internet des objets. Plus de données, plus facilement : l’accroissement considérable du volume de données accessibles est le premier élément nouveau apporté par l’IoT en matière de data. Le développement de capteurs communicants, miniaturisés et bon marché, permet d’instrumenter de façon beaucoup plus fine tous les procédés – au sens conceptuel du terme : qu’il s’agisse d’une installation industrielle ou agricole, d’un bâtiment, de l’environnement d’un malade, d’un véhicule, etc. – et de collecter ainsi, au travers de réseaux performants à très haut débit, des masses considérables de données.

Mais collecter les données n’est pas un but en soi. Les données n’ont d’intérêt que si elles sont utilisées pour accroître l’efficacité des procédés contrôlés. Traditionnellement, l’utilisateur était en prise directe avec le procédé et réagissait en fonction des données qu’il recevait. Un individu retire sa main s’il vient malencontreusement la placer sur une plaque chauffante ou remonte la température de réglage de son thermostat s’il constate, en rentrant chez lui, que la température de confort n’est pas atteinte. Au fil des années, l’algorithmie s’est enrichie et l’opérateur a pu disposer de méthodes d’analyse, de simulation et d’optimisation de plus en plus sophistiquées avant de prendre ses décisions sous forme d’envoi de consignes appropriées. L’IoT n’ôte rien à ces possibilités de contrôle direct des processus. Mais il ouvre de nouveaux horizons grâce aux capacités de traitement et de stockage hébergées dans le nuage qu’offre l’infonuagique (ou cloud computing).

En effet, après avoir été collectées par les réseaux d’extrémité appropriés, les données deviennent disponibles au niveau d’un routeur de bordure capable de les envoyer dans le monde de l’Internet. Réceptionnées par des serveurs appropriés, elles vont être triées et validées avant d’être stockées dans de gigantesques centres de données (data centers) capables d’héberger des exaoctets de données (1 Eo = 1018 octets soit l’équivalent de 10 milliards de dictionnaires Larousse en cinq volumes). Ces données sont alors mises à la disposition des utilisateurs ayant souscrit aux services du centre de données afin de leur permettre de les traiter et de les utiliser à leur convenance. L’utilisateur pourra soit faire appel à des services de traitement proposés de façon standardisée par la plate-forme Internet – c’est ce qu’on appelle les analytics, soit les rapatrier vers ses propres serveurs pour y effectuer les traitements de son choix.

Bien évidemment se trouve posée la question, déjà évoquée à propos de la connectivité et des réseaux, de l’opportunité d’envoyer sur l’Internet des données massives qui n’ont qu’un intérêt limité. Pour éviter un gaspillage de ressources au niveau du nuage et aussi pour offrir une meilleure réactivité dans le traitement de ces données, est apparu le concept d’informatique de brouillard (fog computing) développé par Cisco et repris aujourd’hui par Microsoft sous le vocable d’informatique à la marge (edge computing).

Cette approche consiste à appliquer le principe de subsidiarité dans le traitement et le stockage des données et à réaliser ces opérations de façon distribuée, là où des ressources (passerelles intelligentes ou nœuds terminaux) sont disponibles, au plus près des sources de données et/ou de leurs utilisateurs.

Ce principe de calcul décentralisé, aussi dénommé mesh computing, peer-to-peer computing, self-healing computing, autonomic computing, grid computing est repris par tous les grands offreurs d’infrastructures dans le domaine de l’IoT. Amazon et Dell s’orientent vers cette approche dans laquelle des ressources dispersées, voire mobiles telles que les voitures, sont mobilisées pour participer au traitement des données, y compris selon des algorithmes évolués d’apprentissage et d’intelligence artificielle. L’edge computing est certainement l’une des voies les plus prometteuses dans le traitement des données afin de tempérer le développement des centres de données qui posent des problèmes croissants en termes de consommation d’énergie ; en outre leur dynamique – dépendant de celle des réseaux qui sont fortement sollicités par des applications très lourdes en flux de données images et vidéos – risque d’être insuffisante pour faire face aux besoins des applications telles que la mobilité, qui exigent des temps de latence de quelques millisecondes.

Les données, qui donnent à l’IoT sa valeur première, doivent être protégées. La corruption de données peut alors entrainer des situations catastrophiques, non pas dans le domaine de l’IT (Information Technology) mais dans celui des OT (Operational Technology) qu’elles servent à piloter. Les responsables des procédés sous la menace de cyberattaques doivent prendre en conséquence des mesures pour protéger les données mais aussi pour mettre en sécurité le procédé dans le cas où une attaque viendrait à en compromettre le fonctionnement.

Au cours des toutes dernières années, les attaques ont progressé plus vite que la défense, en prenant des formes nouvelles, telles que le déni distribué de service ou le déni de sommeil, empêchant les objets de se mettre au repos et les conduisant à épuiser prématurément leurs batteries.

 

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