Operating system security has become a growing concern these days. As the complexity of software layers increases, the vulnerabilities that can be exploited by adversaries increases. Rootkits are gaining much attention these days in cyber-security. Rootkits are installed by an adversary after he/she gains elevated access to the computer system. Rootkits are used to maintain a consistent undetectable presence in the computer system and help as a toolkit to hide all the malware activities from the system administrator and anti-malware tools. Current defense mechanism used to prevent such activities is to strengthen the OS kernel and fix the known vulnerabilities. Software tools are developed at the OS or virtual machine monitor (VMM) levels to monitor the integrity of the kernel and try to catch any suspicious activity after infection. Recognizing the failure of software techniques and attempting to solve the endless war between the anti-rootkit and rootkit camps, in this thesis, we propose an autonomic architecture called SHARK, or Secure Hardware support Against RootKits. This new hardware architecture provides system-level security against the stealth activities of rootkits without trusting the entire software stack. It enhances the relationship of the OS and hardware and rules out the possibility of any hidden activity even when the OS is completely compromised. SHARK proposes a novel hardware manager that provides secure association with every software context making use of hardware resources. It helps system administrators to obtain feedback directly from the hardware to reveal all running processes. This direct feedback makes it impossible for rootkits to conceal running software contexts from the system administrator. We emulated the proposed architecture SHARK by using Bochs hardware simulator and a modified Linux kernel version 2.6.16.33 for the proposed architectural extension. In our emulated environment, we installed several real rootkits to compromise the kernel and concealed malware processes. SHARK is shown to be very effective in defending against a variety of rootkits employing different software schemes. Also, we performed performance analysis using SIMICS simulations and the results show a negligible overhead, making the proposed solution very practical.

Thesis (M. S.)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Lee, Hsien-Hsin; Committee Member: Blough, Douglas; Committee Member: Copeland, John. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

Thesis (Ph. D.)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2006. / Schwan, Karsten, Committee Member ; Schimmel, David, Committee Member ; Copeland, John, Committee Member ; Owen, Henry, Committee Chair ; Wills, Linda, Committee Member.

Le projet scientifique dans lequel s’inscrit ma thèse a pour objectif l’élaboration d’algorithmes distribués et efficaces pour les réseaux informatiques. Ce projet vise une catégorie particulière des algorithmes distribués, dits auto-stabilisants. Il s’agit d’algorithmes ayant pour propriété de retrouver un comportement correct suite à une panne dans le réseau et ce, sans aucune intervention humaine. Le travail effectué en collaboration avec mes directeurs de thèse s’est concentré, plus précisément, autour des problèmes de couplage, de cliques et des paradigmes de publications-souscriptions dans ce domaine de l’informatique théorique. Dans un premier temps on a traité le problème du couplage maximal dans sa version anonyme, en fournissant un algorithme auto-stabilisant probabiliste et efficace. Ces travaux sont parus dans le journal PPL. De plus, on s’est intéressé au problème du couplage dans sa version maximum identifiée. Son travail améliore le dernier algorithme présent dans la littérature pour l’approximation de ce type de couplage au 2/3 de la solution optimale. Ces travaux sont parus dans une conférence internationale OPODIS. Par ailleurs, j'ai eu l’opportunité de collaborer en Allemagne avec Prof. Volker Turau au sein du groupe de télématique de l’Université technique de Hambourg. Le cadre de cette collaboration a été les algorithmes auto-stabilisants pour les paradigmes de publication-souscription. Cela a abouti à un algorithme efficace pour la version en canal de ce problème, introduisant la notion de raccourci pour le routage de messages dans ces paradigmes. Les résultats ont fait l’objet d’un Brief Announcement et d’un papier, publiés dans des conférences internationales, SSS et NetSyS. J'ai aussi bénéficié d’une collaboration avec Mr. Gerry Siegemund qui a été accueilli au laboratoire d’Informatique de l’École Polytechnique. Il a été question de trouver un algorithme efficace et auto-stabilisant pour la partition d’un réseau en cliques. Cette collaboration a eu pour résultat un algorithme pour le problème améliorant le dernier en date. Ce résultat est en cours de rédaction pour soumission à une conférence internationale. / The main focus of my thesis is the design of an efficient kind of distributed algorithms, known as: Self-stabilizing. These algorithms have the property to recover from faults in the environment they're executed in, and this without any human intervention. Recovering here, means converging toward a pre-defined, correct configuration. In this setting, I was mainly interested by the problems of matching in graphs, clique partitions and publication subscription paradigms. For the maximal version of the matching problem in anonymous graphs, we achieved a more efficient randomized, self-stabilizing algorithm. This work is published in a journal version in PPL. The maximum version of the same problem, but in an identified setting, led to the design of an efficient self-stabilizing algorithm that approximates the optimal solution up to the 2/3. This result was published at OPODIS. During a research visit at TUHH, Hamburg, Germany. Together with Pr. Volker Turau we tackled the problem of self-stabilizing publish/subscribe paradigms. This led to an algorithm introducing the new notion of short-cuts in this type of structures and was published under a brief announcement and a regular paper at SSS and NetSyS. In collaboration with Mr. Siegemund, then a visiting researcher at LIX, École Polytechnique, we worked on an efficient self-stabilizing algorithm for clique partitions. This work is still in progress and in preparation for an eventual publication.

Cette thèse se positionne dans le cadre de l'algorithmique distribuée tolérante aux pannes adaptée aux réseaux mobiles à grande échelle.L'auto-stabilisation est une approche de tolérance aux pannes satisfaisante dans les systèmes ayant des perturbations transitoires, mais pas dans les réseaux très dynamiques à grande échelle. La faute est due à l'éventuelle absence totale de service lorsque les perturbations sont fréquentes.Pour remédier à cet inconvénient, nous avons introduit l'approche auto-stabilisation robuste apportant une garantie de service pendant la phase de stabilisation.La garantie de service offerte par l'auto-stabilisation robuste est assurée via : (1) le délai de reprise d'un service minimum, et(2) la préservation du service minimum pendant la convergence vers un service optimum en dépit de l'occurrence de certaines perturbations hautement tolérées.L'intérêt d'avoir la propriété auto-stabilisation robuste est d'assurer une haute disponibilité du système en dépit de l'occurrence des perturbations et changements topologiques.Dans cette thèse, nous proposons, prouvons et évaluons une suite protocolaire auto-stabilisante robuste.Dans un premier temps, nous proposons deux protocoles auto-stabilisants robustes pour les problèmes de partitionnement, et l'établissement et le maintien de la connaissance des clusters voisins.Les deux protocoles sont écrits dans le modèle à états et fonctionnent sous l'hypothèse d'un démon distribué faiblement équitable.Le protocole de partitionnement, baptisé R-BSC, permet de partitionner le réseau en clusters à 1-saut. Les noeuds choisis pour être leaders sont les plus aptes à ce rôle, et les clusters construits sont de taille bornée dans le but d'équilibrer la charge entre leaders.Le protocole R-BSC fournit rapidement, en 4 rounds seulement, un service minimum où le réseau est complètement partitionné en clusters de taille bornée.Pendant la convergence vers un service optimum, où les leaders seront bien les noeuds les plus aptes et leur nombre sera réduit localement, le service minimum restera préservé. Le protocole de connaissance des clusters voisins, baptisé R-CNK, permet à chaque leader de connaître l'identité des leaders des clusters voisins, les chemins menant vers eux, ainsi que la composition (liste des noeuds ordinaires) des clusters voisins.Le service minimum de notre protocole R-CNK, atteint après 4 rounds seulement, garantit que tout leader connaît toujours des chemins vers tous les leaders des clusters voisins. Ce service minimum est maintenu en dépit des changements de la structure hiérarchique : création / destruction des clusters, changement de composition des clusters suite au départ / arrivé des noeuds ordinaires.Un deuxième aspect de nos travaux concerne l'évaluation des protocoles conçus (R-BSC et R-CNK) dans le contexte des réseaux mobiles.Nous avons mené une étude expérimentale sous le simulateur NS2 pour évaluer les performances de nos protocoles, ainsi que ceux des protocoles auto-stabilisants correspondants.Cette étude a montré que nos protocoles R-BSC et R-CNK offrent de meilleurs performances en terme de garantie de service, d'où l'efficacité de l'approche auto-stabilisation robuste par rapport à l'auto-stabilisation classique. / This dissertation is focused on fault-tolerant distributed algorithms adapted to large scale mobile networks.Self-stabilization is a fault-tolerance approach suited for systems with transient disruptions, but not for large scale dynamic networks.The fault is due to the eventual total lack of service when faults occur frequently.To address this drawback, we have introduced the robust self-stabilization approach that improves the service guarantee during the stabilization phase.The service guarantee provided by the robust self-stabilization is achieved via:(1) fast recovery to a minimum service and(2) preservation of minimum service during the convergence to an optimum service despite the occurrence of highly tolerated disruptions.Having the robust self-stabilization property ensures a high availability of the system despite the occurrence disruptions and topological changes in the network.In this thesis, we propose, evaluate and prove a series of robust self-stabilizing protocols.At first, we propose two robust self-stabilizing protocols for both problems : clustering and the maintain of knowledge about neighbor clusters.The two protocols are written in the local shared memory model and operate under the assumption of a weakly fair distributed daemon.The clustering protocol, called R-BSC, gathers the network nodes into 1-hop clusters.It allows a best choice of leaders, and it builds clusters with limited size in order to balance the load between leaders.The protocol R-BSC quickly provides, after at most 4 rounds, a minimum service where the network is completely partitioned into bounded-size clusters.During the convergence towards an optimum service, in which leaders will be the most appropriate nodes and their number will be reduced locally, the minimum service is preserved.The protocol for knowledge of neighbor clusters, called R-CNK, allows each leader to know the identity of leaders of neighbor clusters, paths leading to them, and the composition (list of ordinary nodes) of its neighbor clusters.The minimum service provided by of R-CNK protocol, reached after 4 rounds, ensures that every leader always knows paths towards all the leaders of neighbor clusters.We conducted an experimental study using the simulator NS2 to evaluate and to compare the performance of our protocols (R-BSC and R-CNK) with those of their self-stabilizing version in the context of mobile networks.This study confirmed that our protocols R-BSC and R-CNK offer a better service guarantee.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2006. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 164-170).

Les systèmes distribués sont de plus en plus grands et complexes, alors que leur utilisation s'étend à de nombreux domaines (par exemple, les communications, la domotique, la surveillance, le ``cloud''). Par conséquent, les contextes d'exécution des systèmes distribués sont très divers. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur des contextes incertains, autrement dit, le contexte n'est pas complètement connu au départ ou il est changeant. Plus précisément, nous nous focalisons sur deux principaux types d'incertitudes : une identification incomplète des processus et la présence de fautes. L'absence d'identification est fréquente dans de grands réseaux composés d'appareils produits et déployés en masse. De plus, l'anonymat est souvent une demande pour la sécurité et la confidentialité. De la même façon, les grands réseaux sont exposés aux pannes comme la panne définitive d'un processus ou une perte de connexion sans fil. Néanmoins, le service fourni doit rester disponible.Cette thèse est composée de quatre contributions principales. Premièrement, nous étudions le problème de l'élection de leader dans les anneaux unidirectionnels de processus homonymes (les processus sont identifiés mais leur ID n'est pas forcément unique). Par la suite, nous proposons un algorithme d'élection de leader silencieux et autostabilisant pour tout réseau connecté. Il s'agit du premier algorithme fonctionnant sous de telles conditions qui stabilise en un nombre polynomial de pas de calcul. La troisième contribution est une nouvelle propriété de stabilisation conçue pour les réseaux dynamiques qui garantit des convergences rapides et progressives après des changements topologiques. Nous illustrons cette propriété avec un algorithme de synchronisation d'horloges. Finalement, nous considérons la question de la concurrence dans les problèmes d'allocation de ressources. En particulier, nous étudions le niveau de concurrence qui peut être atteint dans une grande classe de problèmes d'allocation de ressources, l'allocation de ressources locales. / Distributed systems become increasingly wide and complex, while their usage extends to various domains (e.g., communication, home automation, monitoring, cloud computing). Thus, distributed systems are executed in diverse contexts. In this thesis, we focus on uncertain contexts, i.e., the context is not completely known a priori or is unsettled. More precisely, we consider two main kinds of uncertainty: processes that are not completely identified and the presence of faults. The absence of identification is frequent in large networks composed of massively produced and deployed devices. In addition, anonymity is often required for security and privacy. Similarly, large networks are exposed to faults (e.g, process crashes, wireless connection drop), but the service must remain available.This thesis is composed of four main contributions. First, we study the leader election problem in unidirectional rings of homonym processes, i.e., processes are identified but their ID is not necessarily unique. Then, we propose a silent self-stabilizing leader election algorithm for arbitrary connected network. This is the first algorithm under such conditions that stabilizes in a polynomial number of steps. The third contribution is a new stabilizing property designed for dynamic networks that ensures fast and gradual convergences after topological changes. We illustrate this property with a clock synchronizing algorithm. Finally, we consider the issue of concurrency in resource allocation problems. In particular, we study the level of concurrency that can be achieved in a wide class of resource allocation problem, i.e., the local resource allocation.

Les réseaux de capteurs sont des réseaux particuliers composés d'objets contraints en ressources. Ils possèdent une faible puissance de calcul, une faible puissance de transmission, une faible bande passante, une mémoire de stockage limitée ainsi qu'une batterie à durée de vie limitée. Afin d'intégrer de tels réseaux dans l'internet des objects, de nouveaux protocoles ont été standardisés. Parmi ces protocoles, le protocole RPL (pour Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks). Ce protocole est destiné a construire une topologie logique de routage appelée DODAG. Dans cette thèse, nous abordons l'aspect acheminement de données qui considère une topologie de routage arborescente. L'acheminement des données se fait donc de saut en saut d'un enfant à son parent (ou d'un parent à son enfant). Optimiser la construction du DODAG revient donc à construire un arbre couvrant selon une contrainte donnée. Un arbre couvrant est une structure communicante qui permet de maintenir un unique chemin entre toutes paires de noeuds tout en minimisant le nombre de liens de communication utilisés. De plus, nous considérons les contraintes des réseaux de capteurs telles qu'une batterie déchargée et la variabilité du lien radio comme des fautes transitoires. Ceci nous conduit par conséquent à construire une structure couvrante tolérante aux fautes transitoires. L'auto-stabilisation est une branche de l'algorithmique distribuée qui assure qu'à la suite d'une ou de plusieurs fautes transitoires, le système va retrouver de lui-même un comportement correcte au bout d'un temps fini. L'objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes auto-stabilisants dédiés aux réseaux de capteurs. / Spanning Trees from theory to practiceSelf-Stabilizing algorithms and sensor networksAbstract : Sensor networks are composed of ressources constrained equipments. They have low computing power, low transmission power, low bandwidth, limited storage memory and limited battery life.In order to integrate such networks in the Internet of things, new protocols were standardized such as RPL protocol (for Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks). This protocol is intended to build a logical routing topology called DODAG (for Destination Oriented Directed Acyclic Graph). In this thesis, we discuss the data routing aspect by considering a tree routing topology. Thus, the routing of data is hop by hop from a child to its parent (or from a parent to its child). Optimize the construction of the DODAG is therefore to build a spanning tree in a given constraint. A spanning tree is a connecting structure that maintains a unique path between all pairs of nodes while minimizing the number of used communication links. Furthermore, we consider the constraints of sensor networks, such as a dead battery and the variability of the radio link as transient faults. This leads us to build a covering structure tolerant to transient faults. The self-stabilization is a branch of distributed algorithms that ensures that following one or more transient faults, the system will find itself a correct behavior after a finite time.The objective of this thesis is to propose self-stabilizing algorithms dedicated to sensor networks. The contributions of this thesis are:In the first part of the thesis, we proposed a self-stabilizing algorithm for the construction of a minimum diameter spanning tree.This construction is natural when we want to minimize the communication delay between a root and all other network nodes. Our algorithm has several advantages. First, our algorithm is limited to memory occupation of O(log n) bits per node, reducing the previous result of an n factor while maintaining a polynomial convergence time. Then, our algorithm is the first algorithm for minimum diameter spanning tree that works as an unfair distribution demon. In other words, we make no restriction on the asynchronous network behavior. In the second part of the thesis, we are interested in the unstable topology built by RPL protocol (DODAG). Our solution is to place an additional constraint on the number of children a node can accept during the construction of the DODAG. This constraint has the effect of reducing the rate of parent change and consequently to improve the protocol performance in terms of packet delivery rate, delay of communication and power consumption. In addition, we implemented a mechanism to update the information of the downward routes in RPL. Furthermore, our solution has the advantage of not generating overhead because we use existing control messages provided by RPL to implement it. Finally, this contribution is twofold since we validated our solution both by simulations and experiments.

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La coloration de graphes est un problème central de l’optimisation combinatoire. C’est un domaine très attractif par ses nombreuses applications. Différentes variantes et généralisations du problème de la coloration de graphes ont été proposées et étudiées. La coloration d’arêtes d’un graphe consiste à attribuer une couleur à chaque arête du graphe de sorte que deux arêtes ayant un sommet commun n’ont jamais la même couleur, le tout en utilisant le moins de couleurs possibles. Dans la première partie de cette thèse, nous étudions le problème de la coloration d’arêtes ℓ-distance, qui est une généralisation de la coloration d’arêtes classique. Nous menons une étude combinatoire et algorithmique du paramètre. L’étude porte sur les classes de graphes suivantes : les chaines, les grilles, les hypercubes, les arbres et des graphes puissances. Le paramètre de la coloration d’arêtes ℓ-distance permet de modéliser des problèmes dans des réseaux assez grands. Cependant, avec la multiplication du nombre de nœuds, les réseaux sont de plus en plus vulnérables aux défaillances (ou pannes). Dans la deuxième partie, nous nous intéressons aux algorithmes tolérants aux pannes et en particulier les algorithmes auto-stabilisants. Nous proposons un algorithme auto-stabilisant pour la coloration propre d’arêtes. Notre solution se base sur le résultat de vizing pour utiliser un minimum de couleurs possibles. Par la suite, nous proposons un algorithme auto-stabilisant de clustering destine a des applications dans le domaine de la sécurité dans les réseaux mobiles Ad hoc. La solution que nous proposons est un partitionnement en clusters base sur les relations de confiance qui existent entre nœuds. Nous proposons aussi un algorithme de gestion de clés de groupe dans les réseaux mobiles ad hoc qui s’appuie sur la topologie de clusters préalablement construite. La sécurité de notre protocole est renforcée par son critère de clustering qui surveille en permanence les relations de confiance et expulse les nœuds malveillants de la session de diffusion. / Graph coloring is a famous combinatorial optimization problem and is very attractive for its numerous applications. Many variants and generalizations of the graph-coloring problem have been introduced and studied. An edge-coloring assigns a color to each edge so that no two adjacent edges share the same color. In the first part of this thesis, we study the problem of the ℓ-distance-edge-coloring, which is a generalization of the classical edge-coloring. The study focuses on the following classes of graphs : paths, grids, hypercubes, trees and some power graphs. We are conducting a combinatorial and algorithmic study of the parameter. We give a sequential coloring algorithm for each class of graph. The ℓ-distance-edge-coloring is especially considered in large-scale networks. However, with the increasing number of nodes, networks are increasingly vulnerable to faults. In the second part, we focus on fault-tolerant algorithms and in particular self-stabilizing algorithms. We propose a self-stabilizing algorithm for proper edge-coloring. Our solution is based on Vizing’s result to minimize number of colors. Subsequently, we propose a selfstabilizing clustering algorithm for applications in the field of security in mobile ad hoc networks. Our solution is a partitioning into clusters based on trust relationships between nodes. We also propose a group key-management algorithm in mobile ad hoc networks based on the topology of clusters previously built. The security of our protocol is strengthened by its clustering criterion which constantly monitors trust relationships and expels malicious nodes out of the multicast session.