Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Dans un contexte de présence de plus en plus proéminente d'unités électroniques ou Electronic Control Units (ECU) dans les véhicules [3, 127], la cybersécurité dans le domaine automobile joue un rôle de plus en plus critique [3, 20, 94, 127]. Les systèmes de tests avec matériel dans la boucle (ou Hardware-in-the-Loop (HIL)) sont un bon moyen d'évaluer la résilience des composants d'un véhicule à une attaque de type cyber [28, 29, 74]. Les systèmes de tests HIL sont généralement composés d'un châssis, dans lequel viennent se loger des cartes d'interface et de calcul. Cette architecture a l'avantage d'être très modulaire, une caractéristique nécessaire lorsque la configuration et la complexité des montages varient énormément d'un test à un autre. Ce travail présente un système de test HIL pour les applications automobiles, utilisant Ethernet comme technologie de communication de base. Bien entendu, son coût d'équipement inférieur en fait une alternative intéressante à des systèmes basés sur le PCI eXtention for Intrumentation (PXI) et VME eXtention for Instrumentation (VXI), qui sont les protocoles plus traditionnellement utilisés dans ces applications. Ainsi, on évaluera la viabilité de l'Ethernet dans une telle application, avant de définir le Small Payload Ethernet for HIL (SPEHIL), un protocole spécialement optimisé pour les tests HIL enchâssis. En effet, l'adoption d'Ethernet n'est pas sans défis. Ces derniers sont causés principalement par son taux d'encapsulation très élevé. C'est pourquoi le SPEHIL vient se placer au niveau des couches réseau, transport et application afin de mitiger cette tendance du protocole. Le SPEHIL définit également une couche applicative offrant ainsi la standardisation du contrôle des modules à travers une série de séquences de messages prédéfinis. On définit ensuite le premier prototype de système SPEHIL intégré, dans le but d'en évaluer les performances. Ce dernier se base sur une carte de développement Field Programmable Gate Array (FPGA) Zynq et offre l'interface nécessaire à l'usager pour interagir avec ce dernier. On termine par l'analyse des performances du protocole en place comparé à l'Ethernet tout comme à ses principaux rivaux dans le domaine du HIL. / In a context of an increasingly prominent presence of electronic units or ECU in vehicles [3, 127], cybersecurity in the automotive field plays an increasingly important role [3, 20, 94, 127]. Hardware-in-the-Loop (or HIL) test systems are a good way to assess the resilience of vehicle components to a cyberattack [28, 29, 74]. HIL test systems generally consist of a chassis, in which interface and calculation cards are housed. This architecture has the advantage of being very modular, a necessary characteristic when the configuration and the complexity of the test's setup vary enormously from one ECU to another. This work presents a HIL test system for automotive applications, using Ethernet as the core communication technology. Of course, its lower equipment cost makes it an interesting alternative to systems based on PXI and VXI, which are the protocols more traditionally used in these applications. Thus, we will evaluate the viability of Ethernet in such an application, before defining the SPEHIL, a protocol specially optimized for HIL tests in a chassis. Indeed, Ethernet adoption is not without its challenges. These are mainly caused by its very high encapsulation ratio. This is why the SPEHIL's implementation targets the network and transport layers in order to mitigate this tendency of the protocol. SPEHIL also defines an application layer, thus providing standardization of module's control messages through a series of predefined sequences. We then define the first prototype of an integrated SPEHIL system, in order to evaluate its performance. The latter is based on a Zynq FPGA development board and provides the necessary interface for the user to interact with it. We conclude with the analysis of the performance of the protocol in place compared to Ethernet, and its main rivals in the field of HIL.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'intéressent aux mécanismes de redondance spécifiés par un protocole de réseau de terrain sur Ethernet. L'objectif est de valider la spécification par rapport à des exigences de disponibilité. Le contexte industriel des travaux nous a amenés à : 1) privilégier une validation par vérification formelle. Le model-checking temporel a été retenu. En effet, le caractère critique des applications industrielles pour lesquelles doit être intégré le protocole impose une vérification exhaustive des propriétés. Les nombreux paramètres temporels permettant de décrire le fonctionnement du protocole nous ont amenés à favoriser une technique prenant en compte le temps. 2) proposer une modélisation par automates temporisés modulaire ainsi qu'une méthode d'instanciation. Celles-ci permettent d'adapter facilement le modèle à vérifier à une architecture de réseau de terrain envisagée lors de la phase d'étude d'une affaire. 3) proposer des abstractions qui favorisent la vérification du modèle par le moteur de model-checking temporel. Les propriétés vérifiées traduisent l'aptitude des mécanismes de redondance à compenser une défaillance du médium ou de l'animation des échanges. Afin d'illustrer la pertinence de ces propositions, la méthode d'instanciation est appliquée à deux architectures et une campagne de vérifications est menée et analysée.

Nous évaluons dans cette thèse deux performances temporelles des architectures d automatisation distribuées sur Ethernet commuté et utilisant un modèle de coopération client/serveur : Le temps de réponse entre une occurrence d un événement d entrée et l occurrence de l événement de sortie correspondant ; Le temps de cycle réeseau pour la scrutation par un contrôleur de l ensemble de ses modules d entrées / sorties déportées. La conjonction de trois mécanismes de consommation de temps rend ces deux performances variables et difficiles à déterminer de manière analytique. Par conséquent, la méthode proposée se base sur la simulation d un modèle en réseau de Petri temporisé et coloré du comportement dynamique de l architecture complète. Les résultats obtenus sur six architectures test permettent de : Montrer que les architectures multi-contrôleurs utilisant le modèle de coopération client / serveur donnent des temps de cycle réseau plus rapide que celles basées sur les modèles maître / esclave et producteur / consommateur ; Quantifier l influence du réseau et des mécanismes de consommation du temps.

In this thesis we study the key requirements and solutions for the feasibility and application of Ethernet-TCP/IP technology to the networks we termed Highly-Variable Real-Time Networks (HVRN). This particular class of networks poses exceptionally demanding requirements because their physical and logical topologies are both temporally and spatially variable. We devised and introduced specific mechanisms for applying Ethernet-TCP/IP to HVRNs with particular emphasis on effective and reliable modular connectivity. Using a railroad train as a reference, this work analyzes the unique requirements of HVRNs and focuses on the backbone architecture for such a system under Ethernet and TCP/IP. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished