1.1. Les supports matériels des réseaux et de la mobilité (Pierre Beauvillain, Pierre Chavel, Claude Chappert, Didier Decoster, Line Garnero, Antonio Munoz-Yague, Raymond Quéré, Paul-Alain Rolland, Joseph Saillard, Jean Pierre Sanchez)

1.1.1. Introduction

1En deçà des architectures de réseaux, la mise au point de leurs composants, de leurs circuits et de leurs systèmes, constitue l’une des clés du succès. Ces recherches sont guidées par les exigences de débit, d’adaptabilité, de fiabilité et de sécurité du réseau, support matériel pour l’information et la communication. De plus, l’accès « itinérant » (ou « nomade »), interactif, rapide et sûr à l’information, la communication et le stockage de données multimédia, les consommations énergétiques compatibles avec l’itinérance, constituent autant de défis lancés à la communauté scientifique.

2Cet enjeu laisse également largement sa place à une recherche très fondamentale sur les nouveaux matériaux et composants, les effets quantiques et balistiques au sein de ces nouveaux composants ou concepts, l’architecture des systèmes et réseaux qui inclut les microsystèmes et la gestion de l’énergie. Dans ce qui suit, nous exposons les principaux développements nécessaires pour aboutir aux systèmes mobiles et complexes de demain.

1.1.2. Les composants pour les réseaux

3Face au déploiement des réseaux de communication du futur, et leur hétérogénéité, il convient d’optimiser l’utilisation du spectre de fréquences et d’explorer les bandes les plus hautes lorsqu’un haut débit est nécessaire.

4De nouvelles technologies de composants radio-fréquences et micro-ondes à très basse consommation doivent être développées. Pour cela la montée en fréquence des technologies silicium CMOS ou BiCMOS, pour des fréquences au-delà de 60 GHz, constitue une option intéressante. En revanche la génération de fortes puissances (stations de base) devra bénéficier des progrès des composants sur matériaux III-V. De plus, il faut aussi considérer des composants ultrarapides pour les convertisseurs analogique/numérique et numérique/analogique ou encore les synthétiseurs numériques de fréquence en gamme micro-ondes. Pour tous ces dispositifs des fréquences d’échantillonnage de plusieurs dizaines de GHz sont nécessaires, ce qui implique des fréquences de coupure des transistors supérieures à quelques centaines de GHz. Les technologies à base de matériaux III-V sont de bonnes candidates pour ces applications.

1.1.3. Les antennes

5Les antennes ne doivent plus être considérées comme un maillon ordinaire d’une chaîne d’émission ou de réception. Il est de plus en plus indispensable de raisonner en termes d’intégration de fonctions en vue de leur confier, dans une plage temporelle, une mission particulière dans l’environnement dynamique où elles sont déployées : environnement au sein duquel se côtoient des signaux utiles et une multitude de signaux indésirables dont l’évolution peut être considérée comme très faiblement prédictible vu leur nombre, leur encombrement fréquentiel et spatial.

6Dans ce contexte, l’utilisation de dispositifs à base de MEMS ou de MOEMS dans le cadre d’antennes actives présentent d’incontestables atouts vis-à-vis des technologies usuelles, en ce qui concerne les performances espérées. Cependant il est pertinent de s’interroger sur des aspects cruciaux parmi lesquels on peut citer : les procédés de fabrication, la fiabilité, les effets indésirables provoqués par l’encapsulation et par le boîtier, le couplage électromagnétique, électrostatique, et thermique entre les microcircuits, voire les nanocircuits. La prise en compte de tous ces phénomènes passe par une modélisation électromagnétique plus fine, voire une modélisation comportementale, par le développement d’outils de simulation s’étendant des micro-ondes au continu et adaptés à ce nouveau challenge : concevoir, réaliser, tester et maintenir des antennes de grande dimension réalisées à partir de dispositifs à très forte intégration de MEMs ou de MOEMS. L’introduction à terme de nouveaux matériaux tels que ceux à base de nanotubes de carbone devrait encore permettre d’augmenter les performances, entre autres celles liées à la masse.

1.1.4. Transmission

7C’est bien entendu la fibre optique qui a déclenché le développement naguère inimaginable de la capacité des liaisons à grande distance. De nouveaux records de transparence ont encore été obtenus récemment en recherche industrielle avec des profils d’indice innovants : les pertes descendent à 0,15 dB/km. En même temps, l’ingénierie du profil d’indice et des dopages se poursuit pour fournir aux systémiers des possibilités sophistiquées de gestion conjointe de la dispersion et des non-linéarités dans une fibre destinée à être traversée par des térabits d’information par seconde sur des milliers de kilomètres. Ces ordres de grandeur résultent en fait d’une succession de ruptures technologiques au cours des trente dernières années : purification de la silice, fibres monomodes, fibres amplificatrices dopées aux ions de terres rares, fibres à dispersion contrôlée. La dernière innovation majeure, disponible commercialement mais encore trop jeune pour avoir un impact significatif sur les systèmes, est la fibre microstructurée, dont on attend de nouveaux progrès en termes d’amplification et de profil de dispersion : les recherches sur le sujet doivent se poursuivre.

8Sans diodes laser pour émettre et coupler la lumière de façon commode, la fibre ne serait rien. Les diodes laser ont évolué de pair avec les fibres pour fournir une gamme et une qualité spectrales adaptées au multiplexage en longueurs d’onde : pour donner un ordre de grandeur, un débit d’un térabit par seconde sur une fibre peut être véhiculé par cent canaux de longueurs d’onde réparties entre 1,45 et 1,6 micromètre, chacune transportant un signal modulé à 10 gigabits par seconde. La technologie des diodes laser et du contrôle de leur qualité de faisceau reste un sujet de recherche en amont des progrès futurs.

9En outre, les systèmes mixtes fibre-radio représentent une alternative intéressante aux systèmes tout optique pour la transmission de l’information chez l’abonné ou à l’intérieur d’un bâtiment. Cette méthode combine les avantages des transmissions par radio (mobilité...), et par fibre optique (bande passante, faibles pertes...). Les bandes de fréquences envisagées sont celles des télécommunications mobiles et des réseaux locaux sans fils (1-5 GHz) et du millimétrique (30 et 60 GHz). Si les technologies existent déjà dans les bandes 1-5 GHz, les enjeux scientifiques se situent donc aux gammes millimétriques. C’est pourquoi un grand nombre de travaux ont eu lieu et se poursuivent encore autour des composants, circuits et systèmes fibre-radio à 30 et 60 GHz.

1.1.5. Gestion des systèmes énergétiques pour l’information et la communication

10La réduction des dimensions des technologies microélectroniques permet de réaliser des circuits intégrés de plus en plus complexes et donc d’embarquer de plus en plus de fonctions dans les équipements mobiles. Cependant, ces derniers consomment de plus en plus d’énergie électrique. Le développement de nouveaux systèmes de génération et gestion de l’énergie, compacts et présentant des rendements les plus élevés possibles, constitue la réponse à cette problématique.

11Ces systèmes comportent évidemment la source d’énergie, mais également le système de conversion et de gestion de cette énergie. Pour ce qui concerne les sources, l’apport des microtechnologies permet d’entrevoir des possibilités pour développer des micropiles à combustible, des microturbines, des microbatteries lithium, des microgénérateurs magnétiques ou des micropiles photo voltaïques. Pour utiliser au mieux l’énergie disponible un effort tout particulier doit être fait sur les systèmes de gestion et de conversion. Ainsi, l’intégration des capteurs, de l’intelligence, et du convertisseur d’énergie, avec une taille comparable ou inférieure à celle de la source, reste aujourd’hui un des points clés à résoudre.

12Ils nécessitent des développements spécifiques tant sur le plan des matériaux que sur celui des technologies, pour une meilleure intégration des composants. On peut citer, par exemple, les matériaux à forte constante diélectrique, les matériaux magnétiques, les matériaux ferroélectriques, pour lesquels les principaux problèmes à résoudre sont : la synthèse, les technologies de dépôt adaptées à la stratégie d’intégration, la compatibilité entre les différents matériaux sur les plans technologique, mécanique, thermique, la caractérisation physique et électrique. Une attention particulière devra porter sur l’intégration 3D, et la connexion entre les différents composants, qui devraient aboutir à une augmentation de la puissance volumique et à une meilleure fiabilité. Pour des applications de faible puissance cette intégration 3D utilisera des micro technologies.

1.2. Réseaux et télécommunications (Serge Fdida)

1.2.1. État des avancées scientifiques dans les quatre dernières années

13Les premiers travaux sur les réseaux informatiques datent d’environ 40 ans. L’Internet a donc atteint aujourd’hui l’âge de la reconnaissance. Ses principes fondateurs ont résisté à la croissance accélérée du réseau et à l’avènement de nouvelles technologies. Il a évolué d’un objet de recherche vers un composant majeur de notre société, un système de commodité. Il a été imaginé dans le but de disposer d’une infrastructure permettant de connecter tous les ordinateurs du monde afin d’exécuter des applications innovantes. Aujourd’hui, son essor entraîne des tensions fiées à son développement économique et à son usage grand public, caractérisé par des évolutions limitées au détriment d’une complexité croissante. Plusieurs exemples illustrent ces antagonismes comme l’usage populaire des applications de partage de fichiers (pair à pair : Kazaa, Gnutella, etc.) et les problèmes de propriété intellectuelle, ou encore le besoin d’accroître la sécurité du réseau sans porter atteinte à la liberté individuelle. Le réseau Internet va donc poursuivre son développement vers un service de commodité accru pour lequel l’innovation sera réduite. Cette observation explique la tendance actuellement marquée à orienter les travaux de recherche vers la périphérie du réseau : overlays, P2P, sans-fils.

14L’Internet constitue donc un réel succès, un transfert réussi du monde de la recherche vers la société.

15Ainsi, le domaine des réseaux informatiques a connu une très forte croissance ces dix dernières années en raison de l’évolution de l’Internet mais aussi des réseaux cellulaires (UMTS), et de la forte pénétration de ces systèmes dans la société. Ce domaine a motivé l’intérêt de nombreux chercheurs de profils différents : théorie des graphes, de l’information, modélisation, statistiques, algorithmique, système, télécommunication... Il en a résulté une accélération rapide des connaissances tant du point de vue technologique que méthodologique.

16L’objectif principal des recherches développées ces dernières années a visé à mieux comprendre l’Internet, et à le faire évoluer vers des services pouvant répondre à l’émergence de nouveaux besoins, exprimés par l’appropriation industrielle du réseau, son usage pour le divertissement ou le travail coopératif. Plusieurs catégories de travaux ont vu le jour et proposé des solutions aux problèmes posés. Nous en donnons une brève description dans la suite.

17Ces moteurs applicatifs ont été la base de nombreux travaux visant à rendre le réseau « prédictif », en termes de service offert à l’utilisateur. Les paramètres quantitatifs du service ont suscité un intérêt plus vif que les paramètres qualitatifs. En particulier, la principale question abordée fut : « Peut-on garantir des propriétés de délai, débit, taux de perte ou gigue, à un flux Internet ? » Ce problème générique de garantie de qualité de service a donné lieu à des études et solutions, permettant de calculer et mettre en œuvre aussi bien des bornes déterministes que stochastiques. Ce résultat a été obtenu grâce à une modélisation du trafic et sa « domestication » reposant sur la formalisation de bornes pour les courbes d’arrivées de trafic. Aujourd’hui, la grande majorité des mécanismes développés sont intégrés dans les produits commerciaux même si leur mise en œuvre reste limitée. De même, des fonctions originales ont fait l’objet d’intenses travaux afin de faire évoluer la manière dont le réseau distribue les informations qu’il transporte vers des récepteurs multiples (communication multicast) ou mobiles. À nouveau, des algorithmes existent aujourd’hui pour ces deux familles de problèmes avec les mêmes limites en termes de déploiement.

18Le second champ important de développement fut l’évolution vers les réseaux cellulaires de seconde et troisième génération (GPRS, UMTS). Les problèmes posés, au-delà de l’architecture générale, furent à nouveau d’étudier les caractéristiques du trafic et d’associer des propriétés de qualité de service aux réseaux cellulaires. Enfin, cette période a vu la naissance de nouvelles architectures visant à accélérer le réseau, intégrer différentes technologies, simplifier son administration (MPLS : Multi Protocol Label Switching) ou développer des réseaux radio autoconfigurables (réseaux Ad-Hoc).

19Par ailleurs, de nouvelles pistes concernant le fonctionnement même d’un réseau furent développées, initiées à l’origine par un important programme de recherche de la NSF (National Science Foundation). Le fondement des « Réseaux actifs » est de rejeter le principe de bout-en-bout de l’Internet et d’introduire de l’intelligence dans les équipements chargés d’acheminer les paquets dans le réseau (« routeurs »). De fait, ces paquets qui transitent véhiculent du code qui peut être exécuté dans les routeurs afin, par exemple, de déployer dynamiquement de nouvelles fonctionnalités. En rupture avec la philosophie Internet, les travaux initiaux autour de cette approche ont permis d’identifier les principaux défis et les difficultés rencontrées entraînent aujourd’hui une baisse d’implication de la communauté internationale.

20Enfin, les plates-formes de recherche et d’expérimentation en réseaux ont joué un rôle crucial dans le développement de l’Internet. Une politique active de déploiement de telles plates-formes a été conduite aux États-Unis depuis l’émergence de l’Internet et se poursuit encore aujourd’hui (décision février 2003) avec un investissement de 10 M$ de la NSF afin de prolonger cette action dans la suite d’Internet 2. Ces plates-formes ont permis très tôt aux chercheurs américains de tester, valider, expérimenter leurs idées avant de les transférer dans des contextes opérationnels, mais aussi d’identifier de nouvelles voies de recherche. Elles ont aussi largement permis de consolider la suprématie des principaux acteurs industriels. Cette vision a intégré la nécessité de l’expérimentation de manière identique à la démarche reconnue dans de nombreuses autres disciplines.

1.2.2. Prospective pour les quatre années qui viennent

21Paradoxalement, la fossilisation du réseau, liée à son emprise sur la société, va offrir une opportunité de conception d’une nouvelle génération, capable de rendre le réseau aux usagers et de satisfaire de nouveaux besoins qui ne peuvent s’exprimer pleinement dans le présent modèle. Ces technologies fourniront les bases de la future « génération internet », dotée du potentiel de se substituer au réseau actuel, comme ce dernier a surpassé le réseau téléphonique ces dernières années. Il est évident que l’impact de l’informatique dans notre société va continuer à croître alors que cette informatique sera de plus en plus diffuse et distribuée, construite sur des infrastructures de télécommunications complexes. Poursuivre la recherche dans ce domaine est donc essentiel.

22Les évolutions qui apparaissent pour les quatre prochaines années se situent dans plusieurs directions. L’ubiquité sera la caractéristique essentielle du réseau qui deviendra omniprésent et mobile, dans la mesure où tout système manufacturé embarquera un processeur de communication, pour un coût infime. De nouveaux thèmes sont explorés sur des sujets que nous regroupons en quatre parties étroitement liées.

Réseaux mobiles et ambiants

23Nous venons d’assister au développement de technologies sans-fils et de réseaux spontanés, ou dédiés (réseaux ad hoc, réseaux de capteurs). Ces systèmes sont imaginés pour se libérer des chaînes filaires mais aussi pour créer des réseaux spécifiques pour le domaine de la défense, des situations de crise ou des réseaux d’accès. Au-delà, des capteurs légers peuvent êtres disséminés sur une large échelle afin de mesurer notre environnement (atmosphère, habitat, défense...). Ces systèmes soulèvent des besoins particuliers en termes de collecte de l’information, de gestion de la mobilité et d’organisation du réseau. Au-delà, l’informatique diffuse, « ambiante », sera organisée en réseau servant les besoins variés des utilisateurs (voiture intelligente, domotique). La croissance des réseaux sans-fils et mobiles soulève un problème de révision de la conception des protocoles de communication de ces réseaux, afin qu’ils prennent en compte les propriétés du lien radio, et favorise une approche intégrée de leur conception (« cross-layer intégration »). Cette démarche requiert des compétences de traitement du signal, de théorie de l’information et de systèmes distribués.

Réseaux à large échelle, distribution de contenus

24Le réseau poursuit sa croissance vertigineuse, et devra demain intégrer les systèmes embarqués, composés de milliards de processeurs enrichis de capacité de communication. Le passage à l’échelle d’un tel réseau est un problème crucial qui se pose déjà avec la taille actuelle du réseau. Le passage à l’échelle soulève des questions exprimées en termes d’architecture, de complexité des traitements, de taille des tables mémoire, d’administration, de sécurité. Un autre aspect intéressant est la conception de réseaux superposés (« overlays ») visant à déployer certaines fonctionnalités au-dessus du réseau physique. Dans cet esprit, nous trouvons également les travaux sur les modèles fortement distribués comme le pair à pair ou le calcul sur la grille. Enfin, ces systèmes sont étroitement liés au contenu qui doit être distribué à grande échelle (en particulier, le transport de l’image et son codage).

Lois fondamentales

25De même, le réseau est régi par des lois fondamentales qu’il convient de découvrir et valider. Elles concernent les lois de trafic, de topologie, de performance. De manière analogue à la démarche de la physique, il devient indispensable de mesurer le réseau, qui est à la fois complexe et vivant. Des travaux sur la métrologie du réseau ont démarré récemment dans l’objectif de définir des moyens d’échantillonnage et de mesure performants. Cela permettra également peut-être de proposer des modèles raisonnables du réseau et de ces composants, à coté des modèles de charge de trafic indispensables pour une bonne ingénierie. Par ailleurs, dans le même esprit, des travaux de tomographie du réseau sont en cours afin de découvrir des propriétés du réseau à partir de mesures lancées de la périphérie. L’évaluation d’un système comme l’Internet pose de nombreux défis qui sont attaqués par des méthodes de simulation, ou en proposant de construire des modèles synthétiques de charge ou de topologie.

Plates-formes, Réseaux et Services

26Nous avons rappelé plus haut le rôle primordial que les plates-formes de recherche et d’expérimentation en réseaux ont joué dans le développement de l’Internet. Le domaine des réseaux poursuit son expansion avec l’émergence de nouvelles technologies et l’expression de nouveaux besoins. De manière analogue à l’expérimentation conduite sur Internet afin d’en valider les fondements, il faudra disposer de plates-formes pour ces environnements. Cependant, les problèmes concernés demandent des plates-formes d’un type nouveau. Les principales solutions développées dans le passé (vBNS ou Internet 2 par exemple) ont ciblé essentiellement des besoins de réseaux grande distance, plus performants. Aujourd’hui, des formes nouvelles sont nécessaires pour aborder les défis futurs. Ce sont par exemple des systèmes tels que les réseaux spontanés, les réseaux de capteurs (la NSF vient de lancer un programme de 35 M$ sur ce thème), les réseaux « overlays », les réseaux ambiants qui sont autant de solutions capables de modifier profondément notre vision sur la manière de construire des réseaux. De même, ces plates-formes se diversifient dans leur forme afin d’atteindre des objectifs de facteur d’échelle par exemple ou de reconfiguration plus dynamique du système. Ce constat conduit à des solutions reposant sur des « clusters » partagés (Emulab : http://www.emulab.net) ou un grand émulateur réseau (PlanetLab : http://www.planet-lab.org). Ces deux plates-formes sont essentiellement utilisées pour l’expérimentation de protocoles réseaux.

27Ce qui apparaît important aujourd’hui, ce n’est pas seulement d’imaginer de nouvelles technologies réseau mais de comprendre comment leurs particularités vont modifier les usages. Par exemple, les applications pourront tirer parti d’informations de localisation de l’utilisateur, ou lui proposer des services dépendant du contexte (« context-aware »). Par ailleurs, de nouvelles idées d’architectures vont certainement émerger autour de modèles proches des réseaux programmables.

28Enfin, à la périphérie de ces thèmes, nous retrouvons deux éléments essentiels, en général peu abordés par la communauté : la sécurité et l’administration du réseau.

29Une première étape a été franchie. Elle a transféré le réseau vers le monde économique et social, dont les antagonismes vont certainement en limiter non pas le développement mais l’originalité à l’avenir. Une nouvelle architecture naîtra certainement de ce constat et permettra de voir plus loin, un Internet diffus, robuste et autoconfigurable.

1.2.3. Situation de la communauté française

30La communauté française a bénéficié ces dernières années de la croissance de cette thématique de recherche et de la prise de conscience tardive des tutelles de la pénurie critique du secteur de la recherche française dans ce domaine. Un effort notable quoique insuffisant a été consenti par les grands organismes (universités, CNRS, INRIA). L’existence du RNRT (Réseau National de la Recherche en Télécommunications) a aussi contribué à favoriser les échanges au niveau de la communauté et le transfert vers l’industrie. Notons l’importance de la pénurie de moyens en ingénieurs et plates-formes dans un domaine où l’expérimentation et le prototypage jouent un rôle majeur.

31Quelques groupes de recherche français présentent une taille critique et une visibilité qui leur permet d’être compétitifs et moteurs au niveau international. Néanmoins, le retard accumulé dans ce secteur ne pourra être comblé en quelques années ; de même, très peu de chercheurs à temps plein (CNRS ou INRIA) existent dans ce domaine, alors que les enseignants-chercheurs sont très occupés par la forte demande en enseignement sur ce thème. Un effort de recrutement au niveau des organismes de recherche est nécessaire afin de ré-équilibrer la situation par rapport à d’autres disciplines.

1.2.4. Conclusion

32Des avancées majeures en recherche et développement technologique ont permis d’anoblir le domaine des réseaux de télécommunications, avec un impact énorme au niveau de la société et du monde industriel. Ces connaissances ont montré comment construire un système complexe de grande dimension. Son évolution demande d’intégrer d’autres besoins comme la mobilité ou les fonctions à déployer sur la grille, mais aussi de nouvelles technologies comme les réseaux de capteurs. Si la pression se poursuit, elle produira certainement une évolution en rupture de l’Internet à long terme. Il convient donc de poursuivre l’effort engagé pour amener la communauté de recherche en France dans ce domaine à un niveau relatif comparable à celui des grands pays industrialisés, tant sur le plan des chercheurs que des ingénieurs et des plates-formes.