Cette thèse s'intéresse aux architectures contenant des FPGAs reconfigurables dynamiquement et partiellement. Dans ces architectures, la complexité et la difficulté de portage des applications sont principalement dues aux connections étroites entre la gestion de la reconfiguration et le calcul lui-même. Nous proposons 1) un nouveau niveau d'abstraction, appelé gestionnaire de composants matériels (HCM) et 2) un mécanisme de communication scalable (SCM), qui permettent une séparation claire entre l'allocation d'une fonction matérielle et la procédure de reconfiguration. Cela réduit l'impact de la gestion de la reconfiguration dynamique sur le code de l'application, ce qui simplifie grandement l'utilisation des plateformes FPGA. Les application utilisant le HCM et le SCM peuvent aussi être portées de manière transparentes à des systèmes multi-FPGA et/ou multi-utilisateurs. L'implémentation de cette couche HCM et du mécanisme SCM sur des plateformes réalistes de prototypage virtuel démontre leur capacité à faciliter la gestion du FPGA tout en préservant les performances d'une gestion manuelle, et en garantissant la protection des fonctions matérielles. L'implémentation du HCM et du mécanisme SCM ainsi que leur environnement de simulation sont open-source dans l'espoir d'une réutilisation par la communauté.

Cette thèse traite de la préservation de l'intégrité des systèmes d'exploitation courants. L'objectif est de répondre aux menaces actuelles et futures que représentent les logiciels malveillants qui s'implantent dans le noyau de ces systèmes (comme les rootkits "noyau") ou du moins en altèrent l'intégrité (comme les rootkits "hyperviseur"). La première partie de ce document se focalise sur ces logiciels malveillants. Tout d'abord, les attaques logiques sur les systèmes informatiques sont présentées dans leur globalité. Ensuite est proposée une classification des actions malveillantes qui provoquent la perte de l'intégrité d'un noyau. Enfin, les résultats d'une étude sur les rootkits "noyau" sont donnés et la création d'un rootkit original est expliquée. La seconde partie s'intéresse à la protection des noyaux. Après une description de l'état de l'art, une approche originale est proposée, fondée sur le concept de préservation de contraintes. En premier lieu, les éléments essentiels sur lesquels reposent un noyau sont identifiés et les contraintes sur ces éléments, nécessaires à un fonctionnement correct du noyau, sont exposées. Un hyperviseur léger (Hytux) a été conçu pour empêcher la violation de ces contraintes en interceptant certaines des actions du noyau. Sa mise en oeuvre est décrite pour un noyau Linux 64 bits sur architecture x86 qui dispose des technologies Intel VT-x et VT-d.

Cette thèse s'intéresse aux architectures contenant des FPGAs reconfigurables dynamiquement et partiellement. Dans ces architectures, la complexité et la difficulté de portage des applications sont principalement dues aux connections étroites entre la gestion de la reconfiguration et le calcul lui-même. Nous proposons 1) un nouveau niveau d'abstraction, appelé gestionnaire de composants matériels (HCM) et 2) un mécanisme de communication scalable (SCM), qui permettent une séparation claire entre l'allocation d'une fonction matérielle et la procédure de reconfiguration. Cela réduit l'impact de la gestion de la reconfiguration dynamique sur le code de l'application, ce qui simplifie grandement l'utilisation des plateformes FPGA. Les application utilisant le HCM et le SCM peuvent aussi être portées de manière transparentes à des systèmes multi-FPGA et/ou multi-utilisateurs. L'implémentation de cette couche HCM et du mécanisme SCM sur des plateformes réalistes de prototypage virtuel démontre leur capacité à faciliter la gestion du FPGA tout en préservant les performances d'une gestion manuelle, et en garantissant la protection des fonctions matérielles. L'implémentation du HCM et du mécanisme SCM ainsi que leur environnement de simulation sont open-source dans l'espoir d'une réutilisation par la communauté. / This thesis shows that in FPGA-based dynamic reconfigurable architectures, the complexity and low portability of application developments are mainly due to the tight connections between reconfiguration management and computation. By proposing 1) a new abstraction layer, called Hardware Component Manager (HCM) and 2) a Scalable Communication Mechanism (SCM), we clearly separate the allocation of a hardware function from the control of a reconfiguration procedure. This reduces the dynamic reconfiguration management impact on the application code, which greatly simplifies the use of FPGA platforms. Applications using the HCM and the SCM can also be transparently ported to multi-user and/or multi-FPGA systems. The implementation of this HCM layer and the SCM mechanism on realistic simulation platforms demonstrates their ability to ease the management of FPGA flexibility while preserving performance and ensuring hardware function protection. The HCM and SCM implementations and their simulation environment are open-source in the hope of reuse by the community.

De part leur capacité de reconfiguration et les performances qu’ils offrent, les FPGAs sont de bons candidats pour accélérer des applications dans le Cloud. Cependant, les FPGAs présentent certaines caractéristiques qui font obstacle à leur utilisation dans le Cloud et leur adoption par les clients : premièrement, la programmation des FPGAs se fait à bas niveau et demande une certaine expertise, que n’ont pas nécessairement les clients habituels du Cloud. Deuxièmement, les FPGAs ne présentent pas de mécanismes natifs permettant leur intégration dans le modèle de gestion dynamique d’une infrastructure Cloud.Dans ce travail, nous proposons d’utiliser des architectures overlay afin de faciliter l’adoption, l’intégration et l’exploitation de FPGAs dans le Cloud. Les overlays sont des architectures reconfigurables elles-mêmes implémentée sur FPGA. En tant que couche d’abstraction matérielle placée entre le FPGA et les applications, les overlays permettent de monter le niveau d’abstraction du modèle d’exécution présenté aux applications et aux utilisateurs, ainsi que d’implémenter des mécanismes facilitant leur intégration et leur exploitation dans une infrastructure Cloud.Ce travail présente une approche verticale adressant tous les aspects de la mise en œuvre d’overlays dans le Cloud en tant qu’accélérateurs reconfigurables par les clients : de la conception et l’implémentation des overlays, leur intégration sur des plateformes FPGA commerciales, la mise en place de leurs mécanismes d’exploitation, jusqu’à la réalisationde leurs outils de programmation. L’environnement réalisé est complet, modulaire et extensible, il repose en partie sur différents outils existants, et démontre la faisabilité de notre approche. / Due to their reconfigurable capability and the performance they offer, FPGAs are good candidates for accelerating applications in the cloud. However, FPGAs have some features that hinder their use in the Cloud as well as their adoption by customers : first, FPGA programming is done at low level and requires some expertise that usual Cloud clients do not necessarily have. Secondly, FPGAs do not have native mechanisms allowing them to easily fit in the dynamic execution model of the Cloud.In this work, we propose to use overlay architectures to facilitate FPGA adoption, integration, and operation in the Cloud. Overlays are reconfigurable architectures synthesized on FPGA. As hardware abstraction layers placed between the FPGA and applications, overlays allow to raise the abstraction level of the execution model presented to applications and users, as well as to implement mechanisms making them fit in a Cloud infrastructure.This work presents a vertical approach addressing all aspects of overlay operation in the Cloud as reconfigurable accelerators programmable by tenants : from designing and implementing overlays, integrating them on commercial FPGA platforms, setting up their operating mechanisms, to developping their programming tools. The environment developped in this work is complete, modular and extensible, it is partially based on several existing tools, and demonstrate the feasibility of our approach.