Le cadre général de la thèse concerne les réseaux de capteurs et la sécurisation des communications sans fil pour la mise en œuvre de systèmes fiables de surveillance orienté santé. Plus précisément, ce travail de thèse présente un nouveau système de surveillance biomédical à base de réseau de capteurs sans fil, pour la mesure de l'activité électrique du cerveau. Un réseau de capteurs sans fil de type EEG (électroencéphalogramme) permet de surveiller les ondes cérébrales spontanées, y compris les ondes normales et anormales, des patients souffrant de différents types d'épilepsie. Un capteur sans fil enregistre les signaux du patient (via le cuir chevelu) et filtre ces signaux et leurs données en parallèle selon un traitement approprié des ondes cérébrales. Il est dès lors possible de prédire la gravité d'une attaque épileptique à venir. Une première approche est proposée pour analyser les anomalies des ondes cérébrales et déclencher des alertes le cas échéant. De tels systèmes peuvent permettre de sauver de nombreux patients en prédisant l’arrivée les crises avant qu'elles ne surviennent et éviter ainsi les accidents et les comportements à risque lors d'une crise d'épilepsie. De plus, l’approche peut être utiliser pour d'autres mesures de diagnostic médical. Une autre approche basé sur l’apprentissage pour la prédiction en utilisant les réseaux de neurones de type FFNN (Feed Forward Neural Network ) est également présentée. Par ailleurs, Les approches de prédiction, exploitent la norme IEEE802.11n pour la transmission des données avec un protocole de confidentialité pour la sécurisation des communications. La mise en œuvre de la sécurité peut réduire considérablement le temps de la prédiction et retarder les signaux d’alerte des crises. Les mesures effectuées permettent la calibration des algorithmes de prédiction pour tenir compte des délais introduits par la sécurisation des communications. / The general framework of the thesis concerns sensor networks and the privacy protocols for wireless communications in the implementation of reliable healthcare systems. More precisely, it presents a novel biomedical wireless sensor Network monitoring system, as a predictor and advance sensitive portable electroencephalogram (EEG). The EEG wireless sensor network proposed to monitor spontaneous brain waves, including normal and abnormal waves, for the patients suffering from different types of epilepsy. The biomedical epilepsy wireless sensor Network monitoring system (WSN-EEG) read’s signals from a wireless sensor network on the patient scalp, and filter these signals to run parallel data processing for the brain waves. However, the predicting procedure for the severity of the forthcoming epileptic attack based on, a proposed mathematical model, which analyses the abnormality in the brain waves and alerts by giving signals for the patient. This method can save many patients by predicting the seizure before it occurs and helps them from different injuries and risky behavior arising during epilepsy attack. In addition, the proposed approaches can use the patient data for further medical diagnosis measures. Another approach is proposed as a learning-based approach for prediction using Feed Forward Neural Network (FFNN) for the alert system. The research used the IEEE802.11n as a communication method for the wireless sensor networks and measure the IEEE802.11n security performances as privacy protocol for data transmission of the proposed systems. The measurements indicated the calibration of the prediction algorithms to take account of the delays introduced by the security of the communications in the data transmission and seizure prediction which might significantly reduce prediction time and delay the alert signals.

Nos travaux abordent le problème de l'efficacité des techniques d'implémentation hautes performances du système de communication. Car si les principes généraux sont désormais bien connus, il n'en va pas toujours de même de leur application. Des résultats obtenus sur notre plate-forme expérimentale, nous tirons des conclusions quant aux aspects machine hôte, système, et protocoles. Pour l'aspect machine hôte nous montrons que la parallélisation des piles de communication est décevante et grandement limitée par les contentions d'origine système. Nous montrons également comment la technique ILP, destinée à limiter les accès mémoire, peut être intégrée à la méthode d'accès d'une pile TCP/IP. Les bénéfices de cette technique restent largement dépendants des conditions d'utilisation, de la nature de l'application, et des manipulations de données. Du point de vue système, l'étude de deux environnements d'exécution de protocoles opposés, BSD et Streams, a permis d'identifier leurs faiblesses, et notamment pourquoi l'environnement Streams actuel n'est pas adapté aux hautes performances. Nous en déduisons un ensemble de principes qu'un environnement performant se doit de respecter. L'architecture de la pile de communication est essentielle. Nous montrons qu'une architecture démultiplexée, avec des chemins de données directs entre applications et drivers réseaux, permet un excellent support du contrôle de flux local et des mécanismes systèmes de QoS. En revanche, les implémentations de niveau utilisateur souffrent de nombreuses limitations. Elles sont cependant indispensables à certaines techniques. Du point de vue protocoles, nous montrons que la présence d'options dans les en-têtes de paquets n'est pas contraire à l'obtention de bonnes performances. A la notion trop rigide d'en-têtes de taille fixe nous substituons celle d'en-tétes de taille prédictible. Enfin, il ressort deux notions clés de ces travaux, la simplicité et la flexibilité, dont dépendent les performances et les fonctionnalités du système de communication.

Le travail coopératif est un domaine qui étudie le travail de groupes d'utilisateurs de façon générale. Sa finalité est la conception de collecticiels, ensembles logiciels qui contiennent les outils, les applications, et les plate-formes qui supportent les activités de groupes d'utilisateurs. La gestion de ces groupes et les échanges d'information entre leurs membres nécessitent la définition de nouveaux services de communication adaptés aux besoins des agents en coopération. Les travaux menés dans ce mémoire ont consisté à définir, à concevoir et à gérer la structuration des groupes coopératifs. Un modèle à base de graphes a été proposé à partir du partage de données, pour représenter les relations entre les divers membres d'un groupe coopératif. A partir de ce modèle, un service pour l'entrée et la sortie en coopération des agents coopérants a été défini. Un protocole de communication sous-jacent a été spécifié en utilisant le langage de description formelle Estelle. Le protocole proposé a été vérifié en utilisant l'environnement à base de réseaux de Petri VAL, puis a été implanté en langage C sous UNIX à partir du code Estelle généré. Une extension de ce travail permet la formation d'apartés qui sont des sous-groupes très dynamiques créés à l'intérieur de la coopération. Un autre protocole spécifié en Estelle a été proposé pour gérer la formation de ces apartés et leur évolution au sein de la coopération. En plus de la structuration des groupes, une étude des données qui peuvent être échangées entre des agents coopérants a mené à la définition d'un service de gestion des dépendances de données. Ce service, spécifié également en Estelle, permet de créer, supprimer ou modifier des dépendances entre données, et répercute les modifications de valeurs vers l'ensemble des données dépendantes.

Les Wireless Body Area (WBAN) sont une technologie de réseau sans fil basée sur les radio-fréquences qui consiste à interconnecter sur, autour ou dans le corps humain de minuscules dispositifs pouvant effectuer des mesures (capteurs). Ces réseaux sont considérés comme les plus critiques dans les réseaux de capteurs sans fil. Ils sont basés sur des architectures de réseaux auto-organisés. Chacun des capteurs corporels reçoit ou envoie des paquets du ou au coordinateur du réseau. Ce dernier est responsable de l'ordonnancement des tâches pour l'ensemble des noeuds fils. L'ordonnancement dans les WBAN nécessite un mécanisme dynamique et adaptatif pour gérer les cas d'urgence qui peuvent se produire et permet ainsi d'améliorer les paramètres les plus importants comme la qualité de la transmission, le temps de réponse, le débit, le taux de paquets délivres, etc.Dans ces travaux de thèse, nous avons proposé trois techniques d'ordonnancement qui sont : la méthode semi-dynamique; la méthode dynamique et la méthode basée sur la priorité. De plus, une étude sur les plateformes WBAN est présentée. Dans cette étude, nous avons proposé une classification et une évaluation qualitative des plateformes déjà existantes. Nous avons aussi étudier les modèles de mobilité en proposant une architecture permettant de les décrire. Nous avons aussi mis en place une procédure de diagnostique afin de détecter rapidement des maladies épidémiques dangereuses. Par la suite, ces différentes propositions ont été validées en utilisant deux méthodes afin de vérifier leur faisabilité. Ces méthodes sont la simulation avec OPNET et l'implémentation réelle sur des capteurs TelosB et TinyOS. / The Wireless Body Area Network (WBAN) is the most critical field when considering Wireless Sensor Networks (WSN). It must be a self-organizing network architecture, meaning that it should be able to efficiently manage all network architecture requirements. The WBAN usually contains at least two or more body sensors. Each body sensor sends packets to or receives packets from the Personal Area Network Coordinator (PANC). The PANC is responsible for scheduling its child nodes' tasks. Scheduling tasks in the WBAN requires a dynamic and an adaptive process in order to handle cases of emergency that can occur with a given patient. To improve the most important parameters of a WBAN, such as quality link, response time, throughput, the duty-cycle, and packet delivery, we propose three scheduling processes: the semi-dynamic, dynamic, and priority-based dynamic scheduling approaches.In this thesis, we propose three task scheduling techniques, Semi-Dynamic Scheduling (SDS), Efficient Dynamic Scheduling (EDS) and High Priority Scheduling (HPS) approaches. Moreover, a comprehensive study has been performed for the WBAN platforms by classifying and evaluating them. We also investigate the mobility model for the WBANs by designing an architecture that describe this model. In addition, we detail a diagnosis procedure by using classification methods in order to solve very sensitive epidemic diseases. Then, our proposals have been validated using two techniques to check out the feasibility of our proposals. These techniques are simulation scenarios using the well-known network simulator OPNET and real implementations over TelosB motes under the TinyOS system.

Cette thèse propose une approche pratique pour la rétro-conception automatisée de protocoles de communication non-documentés. Les travaux existants dans ce domaine ne permettent qu'un apprentissage incomplet des spécifications ou exigent trop de stimulation de l'implémentation du protocol cible avec le risque d'être vaincu par des techniques de contre-inférence. Cette thèse adresse ces problématiques en s'appuyant sur la sémantique du protocole cible pour améliorer la qualité, la rapidité et la furtivité du processus d'inférence. Nous appliquons cette approche à la rétro-conception des deux principaux aspects de la définition d'un protocole à savoir l'inférence de sa syntaxe et de sa grammaire. Nous proposons un outil open-source, appelé Netzob, qui implémente nos contributions pour aider les experts en sécurité dans leur lutte contre les dernières menaces informatiques. Selons nos recherches, Netzob apparait comme l'outil publié le plus avancé pour la rétro-conception et la simulation de protocoles de communications non-documentés. / This thesis exposes a practical approach for the automatic reverse engineering of undocumented communication protocols. Current work in the field of automated protocol reverse engineering either infer incomplete protocol specifications or require too many stimulation of the targeted implementation with the risk of being defeated by counter-inference techniques. We propose to tackle these issues by leveraging the semantic of the protocol to improve the quality, the speed and the stealthiness of the inference process. This work covers the two main aspects of the protocol reverse engineering, the inference of its syntactical definition and of its grammatical definition. We propose an open-source tool, called Netzob, that implements our work to help security experts in their work against latest cyber-threats. We claim Netzob is the most advanced published tool that tackles issues related to the reverse engineering and the simulation of undocumented protocols.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La diversité croissante des différents agents constituant les réseaux de communication actuels ainsi que la capacité accrue des technologies concurrentes dans l’environnement réseau a conduit à la prise en compte d’une nouvelle approche distribuée de la gestion du réseau. Dans cet environnement réseau évolué, le besoin en accroissement de la bande passante et en ressources rares, s’oppose à la réduction de la consommation énergétique globale.Dans notre travail nous nous intéressons à l’application de mécanismes distribués et de méthodes d’apprentissages visant à introduire d’avantage d’autonomie dans les réseaux hétérogènes, mobiles en particulier, tout en améliorant les performances par rapport aux débits et à la qualité de service. Notre étude se concentre principalement sur l’élaboration de mécanismes distribués stochastiques et énergétiquement efficaces en profitant des capacités de calcul de tous les agents et entités du réseau. Divers outils de la théorie des jeux nous permettent de modéliser et d’étudier différents types de systèmes dont la complexité est induite par la grande taille, l’hétérogénéité et le caractère dynamique des interconnexions. Plus spécifiquement, nous utilisons des outils d’apprentissage par renforcement pour aborder des questions telles que l’attachement distribué des utilisateurs permettant une gestion dynamique, décentralisée et efficace des ressources radio. Nous combinons ensuite les procédures de sélection d’accès à des méthodes d’optimisation distribuées du type gradient stochastique, pour adresser le problème de coordination des interférences intercellulaires (ICIC) dans les réseaux LTE-A. Cette approche se base sur un contrôle de puissance dynamique conduisant à une réutilisation fractionnaire des fréquences radios. Par ailleurs nous adressons dans les réseaux décentralisés non-hiérarchiques, plus précisément les réseaux tolérants aux délais (DTNs), des méthodes décentralisées liées à la minimisation du délai de transmission de bout en bout. Dans ce cadre nous nous intéressons, en outre des équilibres de Nash, à la notion d’équilibre évolutionnairement stables dans différents contextes de jeux évolutionnaires, jeux évolutionnaires décisionnels markoviens et jeux de minorité. Enfin, la majeure partie du travail effectué se rattachant aux tests et validations par simulations,nous présentons plusieurs éléments d’implémentations et d’intégrations liés à la mise en place de plateformes de simulations et d’expérimentations / Growing diversity of agents in current communication networks and increasing capacitiesof concurrent technologies in the network environment has lead to the considerationof a novel distributed approach of the network management. In this evolvednetwork environment the increasing need for bandwidth and rare channel resources,opposes to reduction of the total energy consumption.This thesis focuses on application of distributed mechanisms and learning methodsto allow for more autonomy in the heterogeneous network, this in order to improveits performances. We are mainly interested in energy efficient stochastic mechanismsthat will operate in a distributed fashion by taking advantage of the computationalcapabilities of all the agents and entities of the network. We rely on application ofGame theory to study different types of complex systems in the distributed wirelessnetworks with dynamic interconnectivity.Specifically, we use the stochastic reinforcement learning tools to address issuessuch as, distributed user-network association that allows achieving an efficient dynamicand decentralized radio resource management. Then, we combine access selectionprocedures with distributed optimization to address the inter-cells interferencescoordination (ICIC) for LTE-advanced networks using dynamic power control and designof fractional frequency reuse mechanisms. Moreover we address in non-hierarchicalnetworks, more precisely in Delay Tolerant Networks (DTNs), decentralized methodsrelated to minimization of the end-to-end communication delay. In this framework weare interested, in addition to Nash equilibrium, to the notion of evolutionary stableequiliria in the different context of Evolutionary Games, Markov Decision EvolutionaryGames and Minority Games. As the major parts of our work includes testing andvalidations by simulations, eventually we present several implementations and integrationsmaterials for edition of simulation platforms and test beds

L’Internet des objets amène des contraintes uniques et une immense variété d’applications. Ceci oblige à être capable d’établir des communications efficaces en énergie (et néanmoins à faible délai) au sein de réseaux fortement dynamiques. Nous nous sommes concentrés sur l'amélioration du contrôle d'accès au medium (MAC), afin d’optimiser la gestion des communications sans fils,principale source de consommation d'énergie dans ces réseaux. Cette thèse discute de l’auto adaptation de solutions MAC asynchrones et montre qu’une coopération localisée entre objets communicants permet de maintenir un partage efficace de la ressource de communication face à une forte dynamique (trafic, mobilité, pannes). Outre une réflexion menée sur les outils de simulation et d'expérimentation, nous avons conduit des campagnes d'évaluations complètes de nos contributions qui traitent tant des changements de trafic que de la mobilité dans les réseaux très denses. / The Internet of Things brings unique constraints and a huge variety of applications. This forces to be able to establish energy efficient communications (and never the less low-delay) within highly dynamic networks. We focused on improving the medium access control (MAC) to optimize the management of wireless communications, the main source of energy consumption in these networks. This thesis discusses the self-adaptation of asynchronous MAC solutions and shows that a localized cooperation between communicating objects can maintain an efficient sharing of the communication resource in highly dynamic networks (traffic, mobility, failures). In addition to a reasoning on the tools of simulation and experimentation, we conducted comprehensive evaluation campaigns of our contributions that address traffic changes and mobility in dense networks.

Pendant les deux dernières décennies, les technologies de réseaux ad-hoc de véhicules (VANETs : Vehicular Ad-Hoc Networks) ont été développées sous l’impulsion du monde de la recherche comme de l’industrie, étant donnés les liens des VANETs avec la sécurité routière, l’internet des objets (IoT/WoT : Internet of Things/Web of Things) pour les systèmes de transport intelligents (ITS : Intelligent Transportation Systems), les villes intelligentes et les villes vertes. Composant essentiel des VANETs, les protocoles de communication inter-véhicules (IVC : Inter-Vehicle Communication) font face à des défis techniques, en particulier à cause de la diversité des applications dans lesquelles ils sont impliqués. Dans cette thèse, après une présentation des VANETs et de l’état de l’art des IVC, nous proposons un protocole de dissémination de données, TrAD, conçu pour diffuser de manière efficiente des messages d’une source vers les véhicules présents dans la zone d’intérêt (ROI : Range of Interest). TrAD se base sur les états du trafic routier et du trafic réseau pour adapter localement la stratégie et les paramètres de transmission des données afin d’optimiser les performances des applications qui l’utilisent. De plus, un algorithme de classification des clusters locaux de véhicules est conçu pour permettre l’usage de TrAD sur autoroute aussi bien qu’en ville. Pour éviter l’encombrement des canaux de communication, un mécanisme illustratif de contrôle de la congestion reposant sur une approche distribuée est utilisé. Trois protocoles IVC de l’état de l’art ont été comparés à TrAD dans des scénarios réalistes de simulation, basés sur différentes villes réelles, différents trajets et densités véhiculaires. Les performances de TrAD surpassent celles des protocoles de référence en termes de taux de délivrance des paquets (PDR : Packet Delivery Ratio), nombre de transmissions et latence. De plus, nous montrons que TrAD est tolérant, dans une certaine mesure, aux erreurs sur les données GPS. Pour s’assurer de la qualité des simulations, nous avons étudié le modèle de déplacement employé dans le simulateur de trafic, puis couplé ce dernier au simulateur de réseau, afin que les deux s’échangent des informations en temps-réel. Grâce à la compréhension acquise lors de l’analyse du modèle de déplacement, nous avons pu développer un simulateur de conduite de tramway pour la T2C (Transports en Commun de l’agglomération Clermontoise). Des tests menés sur le matériel roulant nous ont permis d’élaborer des modèles de déplacement fidèles correspondants aux diverses situations rencontrées par le tramway. L’affichage de la simulation est assuré par un flux vidéo ajusté plutôt que des images de synthèse, ce qui permet de limiter le coût de développement tout en garantissant un certain réalisme dans l’affichage. Ce projet est soutenu par la T2C pour une durée de deux ans. / In the last two decades, Vehicular Ad hoc Network (VANETs) were developed significantly by both academic institute and industries association, since VANETs originate from traffic safety and are also an important application of Internet of Things / Web of Things (IoT/WoT) for Intelligent Transportation System (ITS), Intelligent Vehicles and Smart Cities. As an essential component of VANETs, Inter-Vehicle Communication (IVC) protocols face many critical challenges, in particular, because they relate to various specific applications. In this thesis, after elaborating on related knowledge of VANETs and state-of-the-art of IVC protocols, we propose a data dissemination protocol for vehicular networking, named TrAD, to disseminate efficiently warning messages from a source to vehicles in a range of interest (ROI). TrAD considers the status of road traffic and network traffic to adapt locally the strategy and the parameters of transmissions in order to optimize the global performance of IVC application. Moreover, a local vehicular cluster classification algorithm is designed to support TrAD to be performed in both highway and urban scenarios. In addition, an illustrative congestion control mechanism is used to avoid channel congestion using a distributed approach. Three state-of-the-art IVC protocols have been compared with TrAD by means of realistic simulations. The performance of all those protocols is evaluated quantitatively in various scenarios by taking into account different real road maps, trafic routes and vehicular densities. Compared with the reference protocols, TrAD gains an outstanding overall performance in terms of packet delivery ratio, number of transmissions and delay. Furthermore, TrAD also can tolerate a reasonable degree of GPS drift while achieving efficient data dissemination. In order to ensure the quality of simulations, we deeply investigated the mobility model of road traffic simulator, and then performed the bidirectionally coupled simulation in which the network simulator and the road trafic simulator can exchange information in real-time. Upon understanding of the mobility model, we obtained a chance to develop a low-cost tram simulator for the local public transportation provider, the T2C (Transports en Commun de l’agglomération Clermontoise). We attempt to design accurate mobility models from different scenarios for the specific type of tram used by T2C. Real world trials are carried out to explore the key parameters required by theoretical deduction for our mobility model. Moreover, the display GUI relies on a video stream, rather than 3D graphics, which can reduce the cost while guaranteeing the quality of service. This project was supported for two years by T2C.