L'intérêt grandissant pour l'Internet des Objets (IdO) s'est traduit par le déploiement à grande échelle de réseaux dits LLN. Ceux-ci sont fortement contraints en matière de ressources et communiquent via des liens instables. Les protocoles de routages existants pour les réseaux traditionnels ne sont pas adaptés à ces caractéristiques. L'IETF a proposé un nouveau protocole de routage appelé RPL fondé sur IPv6 et spécifiquement conçu pour ces environnements. Cependant, il est exposé à de nombreuses attaques et la mise en place de mécanismes de sécurité représente un coût considérable. Les réseaux LLN introduisent donc de nouveaux enjeux quant à leur supervision et leur sécurité. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions une approche de supervision pour la sécurité de l'IdO tout en limitant son coût. Nous évaluons tout d'abord les menaces auxquelles sont soumis les réseaux RPL en les classifiant au travers d'une taxonomie. Nous quantifions également les conséquences de deux attaques appelées l'attaque d'incohérence DAG et l'attaque du numéro de version. Nous nous concentrons ensuite sur les solutions pour la sécurité dans les réseaux RPL. Nous proposons une stratégie locale qui limite les attaques d'incohérences DAG et nous présentons une architecture de supervision distribuée orientée sécurité pour détecter des attaques complexes comme les attaques sur le numéro de version et compléter notre approche locale. Celle-ci nous permet de préserver l'énergie des nœuds en effectuant les activités de surveillance et de détection sur des nœuds dédiés. Nous quantifions ensuite les performances de cette architecture ainsi que la stratégie de détection proposée. / The growing interest for the Internet of Things (IoT) has resulted in the large scale deployment of Low power and Lossy Networks (LLN). These networks are strongly constrained in terms of resources and communicate using unstable links. In this context, existing routing protocols for traditional networks do not cope with all these constraints. The IETF has proposed a new routing protocol called RPL based on IPv6 and specifically designed for these environments. The RPL protocol is however exposed to a large variety of attacks. The deployment of security mechanisms may also be quite expensive for the nodes. Therefore, LLN networks present new challenges in terms of monitoring and security. In this thesis we propose to investigate a security-oriented monitoring approach for addressing the trade-off between security and cost in the IoT. In a first stage, we assess security threats faced by these networks by identifying and classifying attacks through a dedicated taxonomy. We also quantify the consequences of two major attacks called DAG inconsistency attacks and version number attacks causing over-consumption of node resources. We then focus our work on security solutions for RPL-based IoT. We propose a local strategy for addressing DAG inconsistency attacks. In order to detect complex attacks such as version number attacks and to complement our node-level approach, we design a security-oriented distributed monitoring architecture for RPL networks. This solution allows us to preserve constrained nodes energy by performing monitoring and detection activities on dedicated nodes. We quantify the performance and the cost of this architecture and the deployed detection modules.

Les réseaux de capteurs sans fil (aussi appelés LLNs en anglais) sont des réseaux contraints composés de nœuds ayant de faibles ressources (mémoire, CPU, batterie). Ils sont de nature très hétérogène et utilisés dans des contextes variés comme la domotique ou les villes intelligentes. Pour se connecter nativement à l’Internet, un LLN utilise une passerelle, qui a une vue précise du trafic transitant entre Internet et le LLN du fait de sa position. Le but de cette thèse est d’exposer comment des fonctionnalités peuvent être ajoutées à une passerelle d’un LLN dans le but d’optimiser l’utilisation des ressources limitées des nœuds contraints et d’améliorer la connaissance de leur état de fonctionnement. La première contribution est un estimateur non intrusif utilisant le trafic passant par la passerelle pour inférer l’utilisation de la radio des nœuds contraints. La seconde contribution adapte la durée de vie d’informations mises en cache (afin d’utiliser les ressources en cache au lieu de solliciter le réseau) en fonction du compromis entre le coût et l’efficacité. Enfin, la troisième contribution est Makesense, un framework permettant de documenter, d’exécuter et d’analyser une expérience pour réseaux de capteurs sans fil de façon reproductible à partir d’une description unique. / Low-Power and Lossy Network (LLN)s are constrained networks composed by nodes with little resources (memory, CPU, battery). Those networks are typically used to provide real-time measurement of their environment in various contexts such as home automation or smart cities. LLNs connect to other networks by using a gateway that can host various enhancing features due to its key location between constrained and unconstrained devices. This thesis shows three contributions aiming to improve the reliability and performance of a LLN by using its gateway. The first contribution introduce a non-intrusive estimator of a node radio usage by observing its network traffic passing through the gateway. The second contribution offers to determine the validity time of an information within a cache placed at the gateway to reduce the load on LLNs nodes by doing a trade-off between energy cost and efficiency. Finally, we present Makesense, an open source framework for reproducible experiments that can document, execute and analyze a complete LLN experiment on simulation or real nodes from a unique description.

Vast majority of wireless appliances used in household, industry and medical field share the ISM frequency band. These devices need to coexist and thus are challenged to tolerate their mutual interference. One way of dealing with this is by using frequency hopping; where the device changes its radio channel periodically. Consequently, communications will not suffer from the same interference each time; instead, it should be fairer and more stable. This thesis investigates the aforementioned problem in the field of low power wireless sensor networks and Internet of Things where Contiki OS is used. We introduce a low-power pseudo-random frequency-hopping MAC protocol which is specifically characterized as a duty cycled asynchronous sender-initiated LPL style protocol. We illustrate two flavors of the protocol; one that does not use any dedicated channel and another which allows dedicated broadcast channels that can implement frequency-hopping as well. We implement the protocol in C for real hardware and extensively test and evaluate it in a simulated environment which runs Contiki. It proved to work with Contiki's IPv6 stack running RPL (the standardized routing protocol for low power and lossy wireless networks). We compare the performance of the implemented protocol to the singlechannel ContikiMAC with varying levels of interference. Results show a reduction down to 56% less radio-on time (1.50% vs. 3.4%) and 85% less latency (306 ms vs. 2050 ms) in the presence of noise, while keeping a good basecost in noise-free environments with 1.29% radio duty cycle when using 9 channels with no dedicated broadcast channels (vs. 0.80% for single channel) and 252 ms average latency(vs. 235 ms). Moreover, the results show that the multichannel protocol performance metrics converge to almost the same values regardless of the noise level. Therefore, it is recommended as a good alternative to single channel ContikiMAC in realworld deployments where noise presence is anticipated.

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