Dans un contexte de besoins croissants de moyens de communication pour augmenter la sécurité des vols et répondre aux attentes des compagnies et des passagers, le monde de l'aviation civile cherche de nouveaux systèmes de communication pouvant répondre à ces objectifs. Les systèmes de communication sol-bord existants, que ce soit les solutions par satellites en bande L (SATCOM, ...) ou les solutions cellulaires par liaison directe avec le sol (HF, VHF, ...), présentent des limites en terme de capacité, de couverture et de coût.La proposition avancée dans le cadre de cette thèse est d'utiliser les avions comme relais afin de propager les données jusqu'à une station sol. Ce système peut être vu comme un réseau ad hoc mobile dont les nœuds sont les avions civils en vol. Grâce à plusieurs sauts successifs au travers d'avions relais, chaque avion doit pouvoir joindre le sol sans être à portée directe d'une station. Le réseau ad hoc ainsi formé peut ensuite être utilisé pour différentes classes de communications : contrôle aérien, services pour les compagnies aériennes ou pour les passagers. Une telle solution permettrait d'améliorer la couverture des solutions cellulaires classiques en zone continentale. Elle est également applicable en zone océanique où les seuls moyens disponibles sont actuellement le satellite et la HF. On peut imaginer que les coûts de déploiement et de maintenance seraient relativement bas puisque l'infrastructure sol est limitée.Dans cette thèse, nous avons étudié la faisabilité puis les performances qui peuvent être attendues pour ce système de communication aéronautique innovant.

La mobilité est une composante importante de la liberté des personnes. L’évolution des moyens technologiques y contribue au premier chef. Outre la question du transport, celle du maintien du lien entre les individus est en ce sens particulièrement prégnante. Elle a mis à rude épreuve la notion de réseaux de télécommunications puisqu’il s’agit de répondre, pour des individus éparpillés ou concentrés, mais mobiles, au besoin de rester reliés. De l’ère des réseaux analogiques à celle des réseaux numériques, de l’ère des réseaux filaires à celle des réseaux sans fil et mobiles, la technologie n’a cessé d’évoluer. Ces dernières décennies ont vu apparaître des réseaux numériques sans fil, où non seulement il y a mobilité des utilisateurs mais aussi mobilité de l’infrastructure du réseau à laquelle ils contribuent. Ces réseaux se constituent de façon spontanée. Ils se maintiennent de manière autonome. On les désigne par le terme réseaux ad hoc mobiles (en anglais Mobile Ad hoc Networks ou MANET) qui s’oppose naturellement à celui de réseaux à infrastructure. La sécurité est une préoccupation générale des êtres humains. Ils en ressentent aussi le besoin en matière de réseaux. Ce besoin est particulièrement criant lorsque sont échangées des données critiques, financières ou stratégiques. La confidentialité des échanges, l’authentification des sources, l’assurance d’intégrité, la prévention de la récusation sont autant d’objectifs qu’il faut alors atteindre. Diverses solutions de sécurité ont été conçues dans cette optique pour les réseaux filaires puis ont ensuite été adaptées aux réseaux sans-fil et mobiles. Les architectures AAA (Authentication, Authorization, Accounting) en font partie. Elles sont en général utilisées dans un contexte commercial. Tant par leur facilité de déploiement que par la baisse des coûts de mise en œuvre qu’ils engendrent, les réseaux ad hoc mobiles, après avoir bien servi dans le domaine militaire, semblent avoir un avenir dans les applications commerciales. C’est pourquoi, nous nous proposons dans cette thèse de concevoir une architecture AAA adaptée aux spécificités de ces réseaux. Nous étudions d’abord les réseaux ad hoc mobiles et leurs caractéristiques. Ensuite, nous présentons les solutions de sécurité qui existent dans les réseaux à infrastructure. Nous examinons, en particulier, les solutions qui permettent le contrôle d’accès et dont sont engendrées les architectures AAA. Les solutions AAA proposées pour les MANETs sont par la suite analysées et classifiées afin de déterminer les manques et les vulnérabilités. Cette étude approfondie nous amène à proposer une architecture AAA répondant aux attentes identifiées. C’est une architecture distribuée qui répond, en particulier, au besoin d’autonomie des opérations dans les MANETs et où les protocoles exécutés peuvent impliquer simultanément plus de deux parties. Un ensemble de protocoles et de mécanismes d’authentification et d’autorisation s’intégrant avec la suite des protocoles IPv6 a été proposé. Leur sécurité a été discutée. Celle, en particulier du protocole d’authentification a fait l’objet de validation formelle. Contrairement aux protocoles utilisés dans la phase d’autorisation des services AAA proposés, le mode de communication multi-parties et multi-sauts du protocole d’authentification nous a poussé à mener une analyse approfondie de ses performances. Pour cela, nous avons eu recours, dans un premier temps, à la modélisation au moyen de calculs mathématiques explicites ensuite à la simulation. Les résultats obtenus montrent que ce protocole passe à l’échelle d’un MANET comprenant au moins cent nœuds. Dans certaines conditions d’implémentation que nous avons définies, ses performances, tant celle liée à sa probabilité de terminaison avec une issue favorable que celle portant sur son temps d’exécution, atteignent des valeurs optimales. / Mobility is an important component of people’s liberty. The evolution of technological means contributes to its enhancement. In addition to the transport issue, the question of keeping people connected is, in that context, particularly significant. Technological change strained the notion of telecommunications networks in the sense that scattered or clustered but mobile individuals had to remain in touch with others electronically. From the age of analogue networks to the digital networks era, from wired networks to wireless and mobile networks, technology has never stopped evolving. The last decades have witnessed the emergence of digital and wireless networks where not only the users, but also the network infrastructure to which they contribute, are mobile. These networks are spontaneously formed and autonomously maintained. They are termed Mobile Ad hoc Networks (MANETs), in contradistinction to infrastructure networks. Security is a general concern of human beings. They feel the need for it when using a network, too. This need is particularly glaring when it comes to exchanging critical, financial or strategic data. Confidentiality of communications, source authentication, integrity assurance, prevention of repudiation, are all objectives to be achieved. Various security solutions have been devised in this context as wired networks were then adapted to wireless and mobile networks. AAA (Authentication, Authorization and Accounting) frameworks are among these solutions. They are generally used for commercial purposes, which raises financial issues — and we all know how much important they are. Due to their ease of deployment and inexpensive implementation, MANETs, first used in the military field, seem to have a future in commercial applications. That is why the present thesis proposes to design an AAA service that is adapted to the characteristics of such networks. In this perspective, the thesis examines, to begin with, mobile ad hoc networks in order to understand their characteristics and potentials. It then probes the security solutions that exist in infrastructure networks, with special emphasis on those dealing with access control and AAA services. The AAA solutions for MANETs proposed up to now are subsequently analyzed and classified in order to determine their strengths and weaknesses. This in-depth study led to the design, in the second part of the thesis, of an AAA service that meets the expectations identified. It is a distributed service intended to answer the needs of autonomous operations in MANETs when a nearby operator is absent. It features several detailed authentication and authorization mechanisms and protocols with an authentication protocol simultaneously involving one or more parties. These protocols are designed such that they can be easily integrated to the IPv6 protocols suite. Moreover, their security is discussed — in particular, that of the authentication protocol thanks to a formal validation tool. Unlike the communication mode of the authorization protocols, that of the authentication protocol is one-to-many, which led us to study more deeply its performances thanks to modeling using explicit mathematical computations and to simulations techniques. The obtained results showed that the protocol scales for a MANET including a hundred nodes. Under certain conditions that we explained, its performances, in terms of the probability of authentication success and the length of the executing time, reach optimal values.

Le présent rapport fournit plusieurs extensions des protocoles de réseau ad hoc et leurs évaluations, qui permettent d'augmenter la performance, de dimensionner la taille des réseaux et d'intégrer les réseaux ad hoc dans l'Internet : Premièrement, ce rapport présente plusieurs outils de logiciel qui permettent d'étudier des protocoles de routage sans modifications, implémentés en Java, dans le simulator de réseaux NS2. Deuxièmement, ce rapport fournit une discussion architecturale des réseaux ad hoc, qui explique les problèmes de la configuration automatique des adresses IP (nommé autoconfiguration) des routeurs ad hoc. Ensuite, le rapport présente un modèle architectural pour des réseaux ad hoc qui est compatible avec l'Internet. Un protocole d'autoconfiguration, basé sur le modèle architectural proposé, est spécifié, et ses propriétés sont formellement vérifiées au moyen de Model Checking. Troisièmement, plusieurs extensions du protocole de routage des réseaux ad hoc OLSRv2 sont présentées : La performance du protocole est augmentée d'ordre de grandeur en utilisant un algorithme dynamique pour calculer les plus courts chemins. Une autre optimisation proposée est un framework basé sur SNMP pour gérer et contrôler des objets liés à la performance sur des routeurs tournant OLSRv2. Une extension d'OLSRv2 est présentée dans laquelle des paquets sont retransmis ultérieurement lorsque les destinations sont indisponibles temporairement, au lieu de les rejeter. Cette extension mène à un taux de remis considérablement plus élevé que OLSRv2 par défaut dans certains scenarios. Ce rapport présente alors une analyse des menaces de sécurité pour OLSRv2, suivie par la spécification d'un mécanisme de contrôle d'accès pour OLSRv2, qui empêche nombre de ces attaques. Quatrièmement, ce rapport explore le dimensionnement des réseaux de capteurs sans fil, et évalue un protocole de routage des réseaux de capteurs, nommé RPL, spécifié par l'IETF en 2011. En outre, étant donné que RPL ne contient pas de mécanisme de broadcast efficace, plusieurs mécanismes de broadcast optimisés dans RPL sont présentés et comparés.

Les réseaux ad hoc mobiles sont des réseaux qui se forment spontanément grâce à la présence de terminaux mobiles. Ces réseaux sans fil sont de faible capacité. Les nœuds se déplacent librement et de manière imprévisible et ils se déchargent très rapidement. En conséquence, un réseau MANET est très enclin à subir des partitionnements fréquents. Les applications déployées sur de tels réseaux, souffrent de problèmes de disponibilité des données induits par ces partitionnements. La réplication des données constitue un mécanisme prometteur pour pallier ce problème. Cependant, la mise en œuvre d'un tel mécanisme dans un environnement aussi contraint en ressources constitue un réel défi. L'objectif principal est donc de réaliser un mécanisme peu consommateur en ressources. Le second objectif de la réplication est de permettre le rééquilibrage de la charge induite par les requêtes de données. Le choix des données à répliquer ainsi que celui des nœuds optimaux pour le placement des futurs réplicas est donc crucial, spécialement dans le contexte du MANET. Dans cette thèse, nous proposons CReaM (Community-Centric and Resource-Aware Replication Model") un modèle de réplication adapté à un réseau MANET. CReaM fonctionne en mode autonomique : les prises de décisions se basent sur des informations collectées dans le voisinage du nœud plutôt que sur des données globalement impliquant tous les nœuds, ce qui permet de réduire le trafic réseau lié à la réplication. Pour réduire l'usage des ressources induit par la réplication sur un nœud, les niveaux de consommation des ressources sont contrôlés par un moniteur. Toute consommation excédant un seuil prédéfini lié à cette ressource déclenche le processus de réplication. Pour permettre le choix de la donnée à répliquer, une classification multi critères a été proposée (rareté de la donnée, sémantique, niveau de demande); et un moteur d'inférence qui prend en compte l'état de consommation des ressources du nœud pour désigner la catégorie la plus adaptée pour choisir la donnée à répliquer. Pour permettre de placer les réplicas au plus près des nœuds intéressés, CReaM propose un mécanisme pour l'identification et le maintien à jour des centres d'intérêt des nœuds. Les utilisateurs intéressés par un même sujet constituent une communauté. Par ailleurs, chaque donnée à répliquer est estampillée par le ou les sujets au(x)quel(s) elle s'apparente. Un nœud désirant placer un réplica apparenté à un sujet choisira le nœud ayant la plus grande communauté sur ce sujet. Les résultats d'expérimentations confirment la capacité de CReaM à améliorer la disponibilité des données au même niveau que les solutions concurrentes, tout en réduisant la charge liée à la réplication. D'autre part, CReaM permet de respecter l'état de consommation des ressources sur les nœuds.

Cette thèse porte sur l'allocation de ressources dans les réseaux mobiles ad hoc basés sur les protocoles ARQ Hybrides (HARQ), qui offrent une souplesse de déploiement rapide pour des communications à court terme dans le cadre d'applications militaires ou de futurs réseaux intelligents. L'OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) est considérée en particulier, en tant que solution prometteuse dans les standards de communication sans fil les plus récents. Bien qu'une coordination centralisée des communications soit rendue possible grâce à une organisation en clusters, il est toutefois difficile de remonter au coordinateur des informations fiables sur l'état du canal en vertu de la latence due à l'organisation de ce réseau. Ainsi les performances des liens seront renforcées par des mécanismes de retransmission HARQ, qui permettent de gérer les variations rapides du canal. L'objectif principal de cette thèse est l'allocation des ressources OFDMA dans les réseaux mobiles ad hoc basés sur les protocoles HARQ, en utilisant uniquement les statistiques à long terme du canal. Pour répondre à un besoin industriel, des schémas de modulation et de codage pratiques seront considérés en lieu et place des outils de capacité hérités de la théorie de l'information. En particulier, nous concevons et analysons de nouveaux algorithmes qui optimisent l'attribution de puissance, de largeur de bande, d'ordre de modulation et de rendement de codage, pour les mécanismes HARQ insérés dans le schéma multi-utilisateurs proposé. En raison de la présence de protocoles HARQ dans le réseau, une partie de la thèse est dédiée à l'étude des performances de l'HARQ que nous étendons à de nouveaux contextes.

L'efficacité énergétique constitue l'objectif clef pour la conception des protocoles de communication pour des réseaux de capteurs radio multi-sauts. Beaucoup d'efforts ont été réalisés à différents niveaux de la pile protocolaire à travers des algorithmes d'agrégation spatiale et temporelle des données, des protocoles de routage efficaces en énergie, et des couches d'accès au médium avec des mécanismes d'ordonnancement permettant de mettre la radio en état d'endormissement afin d'économiser l'énergie. Pour autant, ces protocoles utilisent de façon importante des paquets de contrôle et de découverte du voisinage qui sont coûteux en énergie. En outre, cela se fait très souvent sans aucune interaction entre les différentes couches de la pile. Ces travaux de thèse s'intéressent donc particulièrement à la problématique de l'énergie des réseaux de capteurs à travers des protocoles de routage et d'accès au médium. Les contributions de cette thèse se résument de la manière suivante : Nous nous sommes tout d'abord intéressés à la problématique de l'énergie au niveau routage. Dans cette partie, les contributions se subdivisent en deux parties. Dans un premier temps, nous avons proposé une analyse théorique de la consommation d'énergie des protocoles de routage des réseaux radio multi-sauts d'appréhender au mieux les avantages et les inconvénients des uns et des autres en présence des modèles de trafic variables, un diamètre du réseau variable également et un modèle radio qui permet de modéliser les erreurs de réception des paquets. À l'issue de cette première étude, nous sommes parvenus à la conclusion que pour être économe en énergie, un protocole de routage doit avoir des approches similaires à celle des protocoles de routage géographique sans message hello. Puis, dans un second temps, nous introduisons une étude de l'influence des stratégies de relayage dans un voisinage à 1 saut sur les métriques de performance comme le taux de livraison, le nombre de messages dupliqués et la consommation d'énergie. Cette étude est suivie par une première proposition de protocole de routage géographique sans message hello (Pizza-Forwarding (PF)) exploitant des zones de relayage optimisées et sans aucune hypothèse sur les propriétés du canal radio. Dans le but de réduire considérablement la consommation de PF, nous proposons de le combiner avec une adaptation d'un protocole MAC asynchrone efficace en énergie à travers une approche transversale. La combinaison de ces deux approches montre un gain significatif en terme d'économie d'énergie avec des très bon taux de livraison et cela quels que soient les scénarios et la nature de la topologique.

Grâce aux progrès de miniaturisation des systèmes embarqués, les mini-drones qu'on appelle en anglais Small Unmanned Aerial Vehicle (UAVs) sont apparus et permettent de réaliser des applications civiles à moindres coûts. Pour améliorer leurs performances sur des missions complexes (par exemple, pour contourner un obstacle), il est possible de déployer une flotte de drones coopératifs afin de partager les tâches entre les drones. Ce type d'opération exige un niveau élevé de coopération entre les drones et la station de contrôle. La communication entre les drones de la flotte est donc un enjeu important dans la réalisation des opérations d'une flotte de drones. Parmi les différentes architectures de communication qui existent, le réseau ad hoc s'avère être une solution efficace et prometteuse pour l'opération d'une flotte de drones. Un réseau ad hoc de drones ou UAV Ad hoc Network (UAANET) est un système autonome constitué d'une flotte de mini-drones et d'une ou plusieurs station(s) sol. Ce réseau peut être considéré comme une sous-catégorie d'un réseau ad hoc mobile (MANET) avec des caractéristiques spécifiques (vitesse importante des nœuds, modèle de mobilité spécifique, etc.) qui peuvent engendrer des baisses de performance du protocole de routage utilisé. Par ailleurs, la nature partagée du support de transmission et l'absence d'une infrastructure fixe pour vérifier l'authenticité des nœuds et des messages posent un problème de sécurité des communications. Compte tenu du caractère critique des données de charge utile échangées (en effet, un attaquant peut capturer un drone et l'utiliser à des fins malveillantes), il est important que les messages échangés soient authentifiés et qu'ils n'ont pas été modifiés ou retardés par un attaquant. L'authentification des messages est donc un des objectifs à atteindre pour garantir la sécurité du système Unmanned Aerial System (UAS) final. Diverses solutions de sécurité ont été conçues pour les réseaux sans fil, puis ont ensuite été adaptées aux réseaux MANET. Ces solutions peuvent s'étendre à des applications pour les réseaux UAANET, c'est pourquoi nous proposons dans cette thèse une architecture de communication fiable et sécurisée pour les flottes des drones. Dans ce travail, nous avons étudié en premier lieu l'application d'un réseau ad hoc mobile pour les flottes de drones. Nous examinons en particulier le comportement des protocoles de routage ad hoc existants dans un environnement UAANET. Ces solutions sont ainsi évaluées pour permettre d'identifier le protocole adéquat pour l'échange des données. Cela nous amène dans un deuxième temps, à proposer un protocole de routage intitulé Secure UAV Ad hoc routing Protocol (SUAP) qui garantit l'authentification des messages et détecte l'attaque wormhole. Cette attaque peut être définie comme un scénario dans lequel un attaquant enregistre les paquets en un point, et les rejoue à un autre point distant. L'attaque wormhole est particulièrement dangereuse lorsqu'un protocole de routage réactif (qui utilise le nombre de sauts comme métrique d'une route) est utilisé. Pour contrer cette attaque, le protocole SUAP permet d'une part d'assurer des services de livraison de donnés (une vidéo de télésurveillance) entre un drone distant et une station sol. D'autre part, le protocole SUAP possède également des partitions de sécurisation qui se basent sur une signature et une fonction de hachage pour assurer l'authentification et l'intégrité des messages. En ce qui concerne l'attaque wormhole, une technique qui consiste à corréler le nombre de sauts et la distance relative entre deux nœuds voisins est utilisée. Ce mécanisme permet de déduire la présence ou non d'un tunnel wormhole dans le réseau. En outre, cette architecture de communication est conçue avec une méthodologie de prototypage rapide avec l'utilisation d'une méthode orientée modèle pour tenir compte du besoin de validation du système UAS final. / Advances in miniaturization of embedded systems have helped to produce small Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with highly effective capacity. In order to improve their capability in civilian complex missions (for instance, to bypass an obstruction), it is now possible to deploy UAV swarms, in which cooperative UAVs share different tasks. This type of operations needs a high level of coordination between UAVs and Ground Control Station (GCS) through a frequent exchange of information. The communication capabilities are therefore an important objective to achieve for effective UAV swarm operations. Several communication architectures can be used to allow communication between UAVs and GCS. Ad hoc network is one of them and is an effective and promising solution for multi-UAV systems. Such a network is called UAANET (UAV Ad hoc Network) and is an autonomous system made of a UAV swarm and one or several GCS (Ground Control Station). This network can also be considered as a sub category of the well-known MANET (Mobile Ad hoc network). However, it has some specific features (such as node velocity, specific mobility model) that can impact performance of routing protocols. Furthermore, the nature of the wireless medium, along with the lack of fixed infrastructure, which is necessary to verify node and message authentication, create security breaches. Specifically, given the critical characteristic of the real-time data traffic, message authentication proves to be an important step to guarantee the security of the final UAS (composed of UAV swarm). Security of routing protocols has been widely investigated in wired networks and MANETs, but as far as we are aware, there is no previous research dealing with the security features of UAANET routing protocols. Those existing solutions can be adapted to meet UAANET requirements. With that in mind, in this thesis, we propose a secure and reliable communication architecture for a UAV swarm. In this work, the creation of UAANET has first been concieved. In order to do this, we studied the impact of existing MANET routing protocols into UAANET to assess their performance and to select the best performer as the core of our proposed secure routing protocol. Accordingly, we evaluated those existing routing protocols based on a realistic mobility model and realistic UAANET environment. Based on this first study, we created a secure routing protocol for UAANET called SUAP (Secure UAV Ad hoc routing Protocol). On the one hand, SUAP ensures routing services by finding routing paths between nodes to exchange real time traffic (remote monitoring video traffic). On the other hand, SUAP ensures message authentication and provides detection to avoid wormhole attack. The SUAP routing protocol is a reactive routing protocol using public key cryptography and hash chains. In order to detect wormhole attack, a geographical leash-based algorithm is used to estimate the correlation between the packet traveled distance and the hop count value. We also contribute to the certification of the secure communication system software through a Model-Driven Development (MDD) approach. This certification is needed to validate the operation of the UAV swarm, especially in cases where it is used to exchange control and command traffic. We used Simulink and Stateflow tools and formal verification tools of Matlab Software to design SUAP routing protocol. The evaluation of the effectiveness of SUAP has been executed both through emulation and real experiment studies. Our results show that SUAP ensures authentication and integrity security services and protects against a wormhole attack. It also provides an acceptable quality of service for real-time data exchanges.

Les réseaux ad hoc mobiles sont des réseaux qui se forment spontanément grâce à la présence de terminaux mobiles. Ces réseaux sans fil sont de faible capacité. Les nœuds se déplacent librement et de manière imprévisible et ils se déchargent très rapidement. En conséquence, un réseau MANET est très enclin à subir des partitionnements fréquents. Les applications déployées sur de tels réseaux, souffrent de problèmes de disponibilité des données induits par ces partitionnements. La réplication des données constitue un mécanisme prometteur pour pallier ce problème. Cependant, la mise en œuvre d’un tel mécanisme dans un environnement aussi contraint en ressources constitue un réel défi. L’objectif principal est donc de réaliser un mécanisme peu consommateur en ressources. Le second objectif de la réplication est de permettre le rééquilibrage de la charge induite par les requêtes de données. Le choix des données à répliquer ainsi que celui des nœuds optimaux pour le placement des futurs réplicas est donc crucial, spécialement dans le contexte du MANET. Dans cette thèse, nous proposons CReaM (Community-Centric and Resource-Aware Replication Model”) un modèle de réplication adapté à un réseau MANET. CReaM fonctionne en mode autonomique : les prises de décisions se basent sur des informations collectées dans le voisinage du nœud plutôt que sur des données globalement impliquant tous les nœuds, ce qui permet de réduire le trafic réseau lié à la réplication. Pour réduire l’usage des ressources induit par la réplication sur un nœud, les niveaux de consommation des ressources sont contrôlés par un moniteur. Toute consommation excédant un seuil prédéfini lié à cette ressource déclenche le processus de réplication. Pour permettre le choix de la donnée à répliquer, une classification multi critères a été proposée (rareté de la donnée, sémantique, niveau de demande); et un moteur d’inférence qui prend en compte l’état de consommation des ressources du nœud pour désigner la catégorie la plus adaptée pour choisir la donnée à répliquer. Pour permettre de placer les réplicas au plus près des nœuds intéressés, CReaM propose un mécanisme pour l’identification et le maintien à jour des centres d’intérêt des nœuds. Les utilisateurs intéressés par un même sujet constituent une communauté. Par ailleurs, chaque donnée à répliquer est estampillée par le ou les sujets au(x)quel(s) elle s’apparente. Un nœud désirant placer un réplica apparenté à un sujet choisira le nœud ayant la plus grande communauté sur ce sujet. Les résultats d’expérimentations confirment la capacité de CReaM à améliorer la disponibilité des données au même niveau que les solutions concurrentes, tout en réduisant la charge liée à la réplication. D’autre part, CReaM permet de respecter l’état de consommation des ressources sur les nœuds. / A Mobile Ad-hoc Network is a self-configured infrastructure-less network. It consists of autonomous mobile nodes that communicate over bandwidth-constrained wireless links. Nodes in a MANET are free to move randomly and organize themselves arbitrarily. They can join/quit the network in an unpredictable way; such rapid and untimely disconnections may cause network partitioning. In such cases, the network faces multiple difficulties. One major problem is data availability. Data replication is a possible solution to increase data availability. However, implementing replication in MANET is not a trivial task due to two major issues: the resource-constrained environment and the dynamicity of the environment makes making replication decisions a very tough problem. In this thesis, we propose a fully decentralized replication model for MANETs. This model is called CReaM: “Community-Centric and Resource-Aware Replication Model”. It is designed to cause as little additional network traffic as possible. To preserve device resources, a monitoring mechanism are proposed. When the consumption of one resource exceeds a predefined threshold, replication is initiated with the goal of balancing the load caused by requests over other nodes. The data item to replicate is selected depending on the type of resource that triggered the replication process. The best data item to replicate in case of high CPU consumption is the one that can better alleviate the load of the node, i.e. a highly requested data item. Oppositely, in case of low battery, rare data items are to be replicated (a data item is considered as rare when it is tagged as a hot topic (a topic with a large community of interested users) but has not been disseminated yet to other nodes). To this end, we introduce a data item classification based on multiple criteria e.g., data rarity, level of demand, semantics of the content. To select the replica holder, we propose a lightweight solution to collect information about the interests of participating users. Users interested in the same topic form a so-called “community of interest”. Through a tags analysis, a data item is assigned to one or more communities of interest. Based on this framework of analysis of the social usage of the data, replicas are placed close to the centers of the communities of interest, i.e. on the nodes with the highest connectivity with the members of the community. The results of evaluating CReaM show that CReaM has positive effects on its main objectives. In particular, it imposes a dramatically lower overhead than that of traditional periodical replication systems (less than 50% on average), while it maintains the data availability at a level comparable to those of its adversaries.

Cette thèse est consacrée à étudier les applications potentielles de véhicules autonomes et communications V2X pour construire les systèmes de transport intelligents. Premièrement, le comportement de caravane dans un environnement de véhicule connecté est étudié. Un algorithme de commande de caravane est conçu pour obtenir l'espacement sécuritaire ainsi que la conformité de la vitesse et de l'accélération. Deuxièmement, à plus grande échelle, les caravanes autour d'une intersection sont considérées. Le débit pendant une période de signal de trafic peut être amélioré en tirant profit de la capacité redondante de la route. Dans diverses contraintes, les véhicules peuvent choisir d'accélérer et rejoindre la caravane précédente ou à décélérer de déroger à l'actuel. Troisièmement, une intersection sans signalisation en VANET est considérée. Dans des conditions de faible trafic, les véhicules peuvent réguler leur vitesse avant d'arriver à l'intersection en fonction du temps d'occupation de la zone de conflit (TOZC) stocké au niveau du gestionnaire, afin qu'ils puissent traverser l'intersection sans collision ni arrêt. Le délai peut être réduit en conséquence. Enfin, un algorithme de gestion d'intersection autonome universelle, qui peut fonctionner même avec le trafic lourd, est développé. Le véhicule cherche à sécuriser les fenêtres entrant dans le TOZC. Ensuite, sur la base des fenêtres trouvées et le mouvement du véhicule qui précède, les trajectoires des véhicules peuvent être planifiées en utilisant une méthode de programmation dynamique segmentée. Tous les algorithmes conçus sont testés et vérifiés avec succès par des simulations dans scénarios différents / This thesis is devoted to study the potential applications of autonomous vehicles and V2X communications to construct the intelligent transportation systems. Firstly, the behavior of platoon in connected vehicle environment is studied. A platoon control algorithm is designed to obtain safe spacing as well as accordance of velocity and acceleration for vehicles in the same lane. Secondly, in larger scale, the platoons around an intersection are considered. The throughput in a traffic signal period can be improved by taking advantage of the redundant road capacity. Within diverse constraints, vehicles can choose to accelerate to join in the preceding platoon or to decelerate to depart from the current one. Thirdly, an unsignalized intersection in VANET is considered. In light traffic conditions, vehicles can regulate their velocities before arriving at the intersection according to the conflict zone occupancy time (CZOT) stored at the manager, so that they could get through the intersection without collision or stop. The delay can be reduced accordingly. Finally, an universal autonomous intersection management algorithm, which can work even with heavy traffic, is developed. The vehicle searches for safe entering windows in the CZOT. Then based on the found windows and the motion of preceding vehicle, the trajectories of vehicles can be planned using a segmented dynamic programming method. All the designed algorithms are successfully tested and verified by simulations in various scenarios

La dissémination d’information dans les réseaux VANET est une opération fondamentale pour la sécurité routière. Il est dès lors nécessaire de concevoir et mettre en oeuvre des algorithmes efficaces et adaptatifs pour la dissémination d’informations sélectives et pertinentes.Dans ce travail, des approches Bio-inspirées sont proposées, à partir des comportements auto-organisés des essaims comme les colonies de fourmis et d’abeilles. Ces approches visent à fournir à chaque véhicule des informations en provenance de son environnement et alerter les conducteurs. Dans la première approche, le système de communication direct et indirect des fourmis est utilisé. Les fourmis partagent les informations sur les sources de nourriture avec des membres de la colonie en sécrétant la phéromone sur leurs chemins. La deuxième approche est inspirée par le système de communication des abeilles. Les abeilles partagent les informations à propos des sources de nourriture avec les autres membres de la ruche par des messages spécifiques, selon l’importance de ces sources.Une nouvelle mesure de "pertinence" associée aux messages est définie, par analogie à la sécrétion des phéromones des fourmis et au niveau de l’intensité des messages pour les abeilles, pour disséminer des informations de sécurité dans une zone géographique. Les simulations sont effectuées en utilisant le simulateur NS2 pour mesurer l’efficacité des approches proposées sous différentes conditions, en particulier en termes de densités et vitesses des véhicules. / Information dissemination in Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) is a fundamental operation to increase the safety awareness among vehicles on roads. Thus, the design and implementation of efficient and scalable algorithms for relevant information dissemination constitutes a major issue that should be tackled.In this work, bio-inspired information dissemination approaches are proposed, that use self-organization principles of swarms such as Ant and Honey Bee colonies. These approaches are targeted to provide each vehicle with the required information about its surrounding and assist drivers to be aware of undesirable road conditions. In the first approach, Ant’s direct and indirect communication systems are used. Ants share information about food findings with colony members by throwing pheromone on the returning to the nest. The second, an RSU-based approach is inspired by the Bee communication system. Bees share profitable food sources with hive-mates in their hive by specific messages.A “relevance” value associated to the emergency messages is defined as an analogue to pheromone throwing in Ant colony, and as an analogue to profitability level in Bee colony, to disseminate safety information within a geographical area. Simulations are conducted using NS2 network simulator and relevant metrics are evaluated under different node speeds and network densities to show the effectiveness of the proposed approaches.