Les systèmes embarqués sont utilisés dans de nombreux systèmes critiques, depuis les automobiles jusqu'aux les systèmes de contrôle industriels. La plupart des recherches sur ces systèmes embarqués se sont concentrés sur l'amélioration de leur fiabilité face à des fautes ou erreurs de fonctionnent non intentionnelles, moins de travaux on été réalisés considérant les attaques intentionnelles. Ces systèmes embarqués sont de plus en plus connectés, souvent à Internet, via des réseaux sans fils, par exemple pour leur administration à distance. Cela augmente les risques d'attaques à distance ou d'injection de code malicieux. Les fautes de fonctionnement de ces équipements peuvent causer des dommages physiques comme par example rendre des appareils médicaux dangereux. Par conséquent, il est primordial de protéger ces systèmes embarqués contre les attaques. Dans cette thèse nous présentons des attaques et défenses contre les systèmes embarqués contraints. Nous présentons plusieurs attaques contre des techniques d'attestation logicielle utilisées dans les systèmes embarqués. Puis nous présentons la conception et l'implémentation d'une technique d'attestation logicielle qui est résistante aux attaque présentées précédemment. Finalement, nous présentons la conception d'une solution permettant de réaliser l'attestation de code ainsi que la création d'une racine de confiance dynamique (dynamic root of trust) pour les systèmes embarqués. Cette solution est prouvée sure et ne dépend pas d'assomptions fortes faites dans le cas de l'attestation logicielle.

Sans cesse croissante complexité et l'interdépendance des infrastructures critiques modernes, avec des environs de risque plus en plus complexes, posent des défis uniques pour leur exploitation sûre, fiable et efficace. L'objectif de la présente thèse est sur la modélisation, la simulation et l'optimisation des infrastructures critiques (par exemple, les réseaux de transmission de puissance) à l'égard de leur vulnérabilité et la résilience aux défaillances en cascade. Cette étude aborde le problème en modélisant infrastructures critiques à un niveau fondamental, en se concentrant sur la topologie du réseau et des modèles de flux physiques dans les infrastructures critiques. Un cadre de modélisation hiérarchique est introduit pour la gestion de la complexité du système. Au sein de ces cadres de modélisation, les techniques d'optimisation avancées (par exemple, non-dominée de tri binaire évolution différentielle (NSBDE) algorithme) sont utilisés pour maximiser à la fois la robustesse et la résilience (capacité de récupération) des infrastructures critiques contre les défaillances en cascade. Plus précisément, le premier problème est pris à partir d'un point de vue de la conception du système holistique, c'est-à-dire certaines propriétés du système, tels que ses capacités de topologie et de liaison, sont redessiné de manière optimale afin d'améliorer la capacité de résister à des défaillances systémiques de système. Les deux modèles de défaillance en cascade topologiques et physiques sont appliquées et leurs résultats correspondants sont comparés. En ce qui concerne le deuxième problème, un nouveau cadre est proposé pour la sélection optimale des mesures appropriées de récupération afin de maximiser la capacité du réseau d’infrastructure critique de récupération à partir d'un événement perturbateur. Un algorithme d'optimisation de calcul pas cher heuristique est proposé pour la solution du problème, en intégrant des concepts fondamentaux de flux de réseau et le calendrier du projet. Exemples d'analyse sont effectués en se référant à plusieurs systèmes de CI réalistes. / Continuously increasing complexity and interconnectedness of modern critical infrastructures, together with increasingly complex risk environments, pose unique challenges for their secure, reliable, and efficient operation. The focus of the present dissertation is on the modelling, simulation and optimization of critical infrastructures (CIs) (e.g., power transmission networks) with respect to their vulnerability and resilience to cascading failures. This study approaches the problem by firstly modelling CIs at a fundamental level, by focusing on network topology and physical flow patterns within the CIs. A hierarchical network modelling technique is introduced for the management of system complexity. Within these modelling frameworks, advanced optimization techniques (e.g., non-dominated sorting binary differential evolution (NSBDE) algorithm) are utilized to maximize both the robustness and resilience (recovery capacity) of CIs against cascading failures. Specifically, the first problem is taken from a holistic system design perspective, i.e. some system properties, such as its topology and link capacities, are redesigned in an optimal way in order to enhance system’s capacity of resisting to systemic failures. Both topological and physical cascading failure models are applied and their corresponding results are compared. With respect to the second problem, a novel framework is proposed for optimally selecting proper recovery actions in order to maximize the capacity of the CI network of recovery from a disruptive event. A heuristic, computationally cheap optimization algorithm is proposed for the solution of the problem, by integrating foundemental concepts from network flows and project scheduling. Examples of analysis are carried out by referring to several realistic CI systems.

Les systèmes embarqués sont utilisés dans de nombreux systèmes critiques, depuis les automobiles jusqu'aux les systèmes de contrôle industriels. La plupart des recherches sur ces systèmes embarqués se sont concentrés sur l'amélioration de leur fiabilité face à des fautes ou erreurs de fonctionnent non intentionnelles, moins de travaux on été réalisés considérant les attaques intentionnelles. Ces systèmes embarqués sont de plus en plus connectés, souvent à Internet, via des réseaux sans fils, par exemple pour leur administration à distance. Cela augmente les risques d'attaques à distance ou d'injection de code malicieux. Les fautes de fonctionnement de ces équipements peuvent causer des dommages physiques comme par example rendre des appareils médicaux dangereux. Par conséquent, il est primordial de protéger ces systèmes embarqués contre les attaques. Dans cette thèse nous présentons des attaques et défenses contre les systèmes embarqués contraints. Nous présentons plusieurs attaques contre des techniques d'attestation logicielle utilisées dans les systèmes embarqués. Puis nous présentons la conception et l'implémentation d'une technique d'attestation logicielle qui est résistante aux attaque présentées précédemment. Finalement, nous présentons la conception d'une solution permettant de réaliser l'attestation de code ainsi que la création d'une racine de confiance dynamique (dynamic root of trust) pour les systèmes embarqués. Cette solution est prouvée sure et ne dépend pas d'assomptions fortes faites dans le cas de l'attestation logicielle. / Embedded devices are currently used in many critical systems, ranging from automotive to medical devices and industrial control systems. Most of the research on such devices has focused on improving their reliability against unintentional failures, while fewer efforts have been spent to prevent intentional and malicious attacks. These devices are increasingly being connected via wireless and connected to the Internet for remote administration, this increases the risk of remote exploits and malicious code injected in such devices. Failures in such devices might cause physical damage and health and safety risks. Therefore, protecting embedded devices from attacks is of the utmost importance. In this thesis we present novel attacks and defenses against low-end embedded devices. We present several attacks against software-based attestation techniques used in embedded devices. Furthermore we design and implement a novel software-based attestation technique that is immune to the aforementioned attacks. Finally, we design a hardware solution to attest and establish a dyna

Les méthodes actuelles utilisées pour l'identification des infrastructures critiques, souvent envisagées dans leurs seules dimensions techniques, montrent certaines limites. Notre thèse postule qu'il est nécessaire de tenir compte du contexte territorial dans lequel ces infrastructures s'inscrivent, dans la mesure où les caractéristiques d'un territoire contribuent à leur criticité. En retour, les infrastructures critiques sont susceptibles d'aggraver la vulnérabilité de ces territoires. Nous développons deux hypothèses de recherche: 1. La "criticité territoriale" exprime le fait que les infrastructures critiques ne sont pas critiques en elles-mêmes, mais par rapport à un contexte socio-économique, politique et géographique. Nous proposons ainsi un ensemble de critères, associés à une approche multiscalaire des systèmes d'infrastructures, permettant l'identification des infrastructures critiques. Une étude de cas portant sur les infrastructures critiques d'énergie de l'Union Européenne valide cette approche. 2. La "criticité politique" souligne la dimension géopolitique des infrastructures critiques : celles-ci reflètent les seuils d'acceptabilité des autorités territoriales, au regard des conséquences potentielles de l'interruption de services essentiels. Cette hypothèse est développée et testée dans le cadre de notre participation au processus de concertation entre l'Union Européenne et ses pays membres pour la mise en place de la Directive 2008/114/EC sur l'identification et la protection des infrastructures critiques européennes. Les conclusions soulignent la pertinence d'une approche géographique et territoriale pour l'identification des infrastructures critiques. / The existing methods for identifying critical infrastructures, mainly based on risk analysis, were found to be insufficient. Our PhD states that the existing territorial vulnerability factors contribute to the criticality of the infrastructures; in return, critical infrastructures enhance this vulnerability. As a consequence, the identification process should be based, not only on technical aspects, but also on a geographical approach. Two main research hypothesis are developed: 1. The "territorial criticality" expresses the fact that an infrastructure is not critical in itself, but its criticality is related to the socio-economic, political and geographical context. We propose a set of criteria and related indicators associated to a multilevel model. A case study shows how these criteria can be applied in the case of the European energy critical infrastructures. 2. The "political criticality" means that the designation of an infrastructure as critical reflects the level of consequences decision-makers are ready to accept. These acceptability thresholds are related to the potential consequences the disruption of such infrastructure could trigger. If the potential consequences go beyond a given threshold, then the infrastructure is considered as critical. We developed and tested this hypothesis in the context of our participation to the preparatory work carried out by the European Commission Joint Research Center to support the European Commission and its member states on the definition of criteria for identifying European Critical Infrastructures (ECI). Conclusions highlight the benefits of a geographical approach to identify critical infrastructures.