Les calculateurs embarqués dans les automobiles, ou ECU (Electronic Control Unit) sont responsables d’un nombre croissant de fonctionnalités au sein du véhicule. Pour pouvoir coordonner leurs actions, ces calculateurs s’échangent des données via des bus de communication et forment ainsi un véritable réseau embarqué. Si historiquement ce réseau pouvait être considéré comme un système fermé, l’apparition de nombreux moyens de communication dans les automobiles a ouvert ce réseau au monde extérieur et fait émerger de nombreuses problématiques de sécurité dans ce domaine.Nos travaux s’inscrivent dans une démarche de mise en place de moyens de sécurité-immunité dans les réseaux automobiles. La thématique de la sécurité-immunité dans l’automobile étant un sujet relativement récent, un effort particulier a été apporté à la définition du contexte. Ainsi, dans ce manuscrit, nous décrivons les menaces qui peuvent cibler ces systèmes embarqués, proposons une classification des scénarios d’attaques puis présentons les différents mécanismes de sécurité pouvant être appliqués aux systèmes embarqués d’une automobile.Ensuite, afin de compléter les mesures de sécurité préventives mises en place pour empêcher un attaquant de pénétrer au coeur du réseau embarqué, nous proposons dans cette thèse un système de détection d’intrusion pour les réseaux automobiles embarqués. Celui-ci, conçu à partir des spécifications du ou des systèmes à surveiller, intègre notamment des mécanismes permettant d’effectuer une corrélation des messages observés sur le réseau afin d’identifier des séquences de messages suspectes. Après avoir décrit formellement le fonctionnement de notre système de détection, nous présentons de premières expérimentations visant à valider notre méthode et à évaluer ses performances. / In today’s automobiles, embedded computers, or ECUs (Electronic Control Units) are responsible for an increasing number of features in a vehicle. In order to coordinate their actions, these computers are able to exchange data over communication buses, effectively constituting an embedded network. While this network could previously be considered a closed system, the addition of means of communication in automobiles has opened this network to the outside world, thus raising many security issues.Our research work focuses on these issues and aims at proposing efficient architectural security mechanisms for protecting embedded automotive networks. The security of embedded automotive systems being a relatively recent topic, we first put a strong focus on defining the context. For that purpose, we describe the threats that can target a car’s embedded systems, provide a classification of the possible attack scenarios and present a survey of protection mechanisms in embedded automotive networks.Then, in order to complement the preventive security means that aim at stopping an attacker from entering the embedded network, we introduce an Intrusion Detection System (IDS) fit for vehicular networks. Leveraging the high predictability of embedded automotive systems, we use language theory to elaborate a set of attack signatures derived from behavioral models of the automotive calculators in order to detect a malicious sequence of messages transiting through the internal network. After a formal description of our IDS, we present a first batch of experiments aimed at validating our approach and assessing its performances.

Les réseaux embarqués, au même titre que les réseaux de distribution, subissent de profondes mutations dues à l'essor de l'électronique de puissance. La tendance est claire : la puissance doit être intégrée au maximum sous forme électrique aux dépens de l'hydraulique et de la mécanique. Cette intégration de puissance est rendue possible par l'utilisation de convertisseurs d'électronique de puissance, fiables, modulaires et garantissant une grande souplesse de fonctionnement. C'est ce qui se passe actuellement pour les avions civils gros porteurs où la puissance électrique à bord est passée de 27kW à 600kW en 50 ans, le taux de charges non-linéaires atteignant 75%. Pour faciliter cette intégration de puissance, on envisage même, à moyen terme, de passer à un réseau haute tension continue au lieu du classique 115V-400Hz.<br />Les conséquences de l'insertion massive de convertisseurs d'électronique de puissance dans les réseaux embarqués posent cependant quelques problèmes. Ils sont dus principalement à la prolifération des harmoniques et à l'introduction de nouvelles dynamiques, qui peuvent être déstabilisantes pour le système. Pour pouvoir quantifier et s'affranchir de ces problèmes, on doit utiliser des méthodes d'analyse et de conception adaptées.<br /><br />Dans ce contexte, le premier chapitre du mémoire fait un tour d'horizon de l'évolution des réseaux embarqués au cours des dernières décennies. Les impacts harmoniques et dynamiques des charges non linéaires sont également montrés sur des exemples simples et concrets. <br />La deuxième partie concerne les méthodes et les outils adaptés à l'analyse et la conception d'un système embarqué. Les méthodes sont issues des domaines de l'électronique de puissance et du réseau. Il est question notamment d'approches :<br />• par Load Flow, pour les aspects statiques,<br />• temporelles et fréquentielles, pour l'étude des harmoniques,<br />• modales, pour l'étude dynamique.<br />A la fin de ce chapitre, une méthodologie de conception des systèmes embarqués est finalement proposée.<br /><br />Les deux chapitres suivants sont les premières applications de la méthode dans le contexte du contrat européen Power Optimized Aircraft. L'un est consacré à l'étude dynamique d'une système embarqué haute tension continue. L'approche modale, couplée au modèle moyen généralisé, est détaillée. L'accent est particulièrement mis sur les facteurs de participation et de sensibilité. L'intérêt d'une telle approche pour l'étude de la stabilité et le prédimensionnement du système est illustré sur cet exemple. <br />Le dernier chapitre concerne la dépollution harmonique optimale. On propose, avec une approche originale, de minimiser le volume des organes de filtrage. Pour conclure l'optimisation, les critères normatifs sont discutés par une confrontation norme harmonique / volume de filtre. On identifie notamment comment les normes devraient évoluer pour permettre de plus grands gains lors de l'optimisation.<br /><br />Compte tenu du vaste champ de recherche qu'est la conception d'un système embarqué, de nombreuses perspectives concluent le mémoire.

Depuis quelques années, les réseaux de communication déployés au sein d’aéronefs sont toujours plus vastes et plus complexes. Ces bus numériques multiplexent différents flux de données afin de limiter les câbles, mais cela induit des retards sur les transmissions. Les travaux présentés ici portent sur une approche statistique de l’évaluation des performances du pire temps de traversée d’un réseau embarqué de type AFDX. Il s’agit de définir une nouvelle approche visant à associer à un calcul pire cas, une distribution des temps de transmission des messages, en vue notamment de permettre d’apprécier le pessimisme du calcul pire cas. Les méthodes décrites sont applicables dans le cadre plus général d’un ensemble de tâches. Nous proposons trois contributions dans ces travaux. Tout d’abord, une méthode originaled’évaluation de la distribution de la durée de traversée d’un commutateur AFDX qui s’appuie sur une énumération symbolique des scénarios d’ordonnancement dans la file d’attente. Puis, un algorithme efficace de calcul des délais subis par des messages/tâches périodiques lorsque les déphasages initiaux sont connus. Les délais calculés sont exacts ainsi que la distribution de probabilité. Enfin, le calcul de la distribution des délais subis par des messages/tâches dans un cadregénéral, à l’aide d’une méthode statistique de type Monte Carlo. Des décalages initiaux sont tirés aléatoirement et permettent de nourrir l’algorithme précédent. / Since a few years, communication networks deployed in aircrafts are ever larger and ever more complex. These digital buses multiplex different data streams in order to save cabling, but this causes delays on transmissions.The work presented here is based on a statistical evaluation of the worst case transit time of an embedded network of the AFDX type. It consists in associating a worst case computation with a complete distribution of the transit times in order, among other things, to appreciatethe pessimism of worst case approaches. The methods are also applicable to a set of realtime tasks. This work contributes three major results. First, an original method to evaluate the distribution of the transit time through an AFDX switch, based on the symbolic enumeration of the scheduling scenarios in the waiting queues of the switch. Second, an effective algorithm to compute the delays encountered by periodic messages/ tasks when initial offsets are known. Delays thus computed are exact and so is the delays distribution. Third, the computation of the delays distribution encountered by messages/tasks in a general case using a Monte Carlo based statistical method. Initial offsets are randomised and feed the preceding algorithm.

L'augmentation du nombre de systèmes interconnectés et l’expansion des données échangées dans les réseaux avioniques ont contribué à la complexification des architectures de communication. Pour gérer cette évolution, une nouvelle solution basée sur un réseau cœur haut débit, e.g., l'AFDX (Avionics Full DupleX), a été implémentée sur l'A380. Cependant, il reste des réseaux bas débit, e.g, CAN ou A429, utilisés pour certaines fonctions spécifiques. Cette architecture réduit le délai de développement, mais en contrepartie, elle conduit à de l’hétérogénéité et à de nouveaux challenges pour garantir les contraintes temps-réel. Pour résoudre ces challenges, une architecture homogène basé sur l'AFDX pourrait apporter de grands avantages, tels que une facilité de l'installation et maintenance, et une réduction de poids et coûts. Cette architecture homogène doit supporter des applications de criticités mixtes, où coexistent les trafics critiques (SCT), Best-effort (BE) et le trafic AFDX actuel (RC). Pour atteindre ce but, nous commençons par évaluer les avantages et les inconvénients des solutions existantes par rapport aux contraintes avioniques. Cela nous conduit à sélectionner le Burst Limiting Shaper (BLS) (proposé par le groupe IEEE Time Sensitive Networking (TSN)) allié à un ordonnanceur Static Priority non-preemptif. Ainsi, nous identifions quatre contributions principales dans cette thèse. Tout d'abord, nous spécifions un AFDX étendu avec le TSN/BLS. Une analyse préliminaire basée sur de la simulation a donné des résultats encourageants pour poursuivre sur cette voie. En second, nous détaillons une analyse temporelle de l'AFDX étendu, grâce au Network Calculus, pour calculer des bornes maximales des délais pire cas des différents types de trafic, pour prouver le déterminisme du réseau et le respect des contraintes temporelles. Une analyse de performance préliminaire montre l'efficacité de la solution à améliorer les délais de RC, tout en garantissant les contraintes. Cependant, cette analyse a aussi montré certaines limitations du modèle en termes de pessimisme. Notre troisième contribution est par conséquent la réduction de ce pessimisme, grâce à une seconde modélisation de l'AFDX étendu, et à une méthode de paramétrage des variables système. Cette méthode permet d'améliorer les performances de RC tout en garantissant les contraintes temporelles du SCT et RC. Finalement, nous validons notre proposition à travers des études de cas avioniques réalistes pour vérifier son efficacité. Les résultats montrent une forte amélioration des délais de RC ainsi que de l'ordonnançabilité de SCT et RC, en comparaison à l'AFDX actuel et au Deficit Round Robin. / The growing number of interconnected end-systems and the expansion of exchanged data in avionics have led to an increase in complexity of the communication architecture. To cope with this trend, a first communication solution based on a high rate backbone network, i.e., the AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet), has been implemented by Airbus in the A380. Moreover, some low rate data buses, e.g., CAN or ARINC 429, are still used to handle some specific avionics domains. Although this architecture reduces the time to market, it conjointly leads to inherent heterogeneity and new challenges to guarantee the real-time requirements. To handle these emerging issues, a homogeneous avionic communication architecture based the AFDX technology to interconnect different avionics domains may bring significant advantages, such as easier installation and maintenance and reduced weight and costs. Furthermore, this homogeneous communication architecture needs to support mixed-criticality applications, where safety-critical traffic (SCT), current rate constraint AFDX traffic (RC) and best effort traffic (BE) co-exist. To achieve this aim, first, we assess the pros and cons of most relevant existing solutions vs the main avionics requirements, to support mixed-criticality applications on the AFDX network. Afterwards, the Burst Limiting Shaper (BLS) (proposed by IEEE Time Sensitive Networking (TSN) Task group) on top of a Non-Preemptive Static Priority (NP-SP) scheduler has been selected as the most promising solution. Hence, our main contributions in this thesis are fourfold. First, we specify the extended AFDX incorporating the TSN/BLS on top of NP-SP. A preliminary performance analysis based on simulations has been conducted. These first results were encouraging to pursue this proposal. Second, we conduct a timing analysis of the extended AFDX using Network Calculus to compute the delay upper bounds of the different traffic classes and prove the determinism of such a solution. The preliminary performance evaluation has shown the efficiency of the extended AFDX to enhance the RC delay bounds while guaranteeing the constraints. However, they have also highlighted some limitations of the proposed model in terms of pessimism. Third, we introduce a second model of the extended AFDX to enhance the delay bounds tightness. Moreover, we propose a tuning method of TSN/BLS parameters to enhance as much as possible the RC timing performance, while guaranteeing the constraints. Finally, we validate our proposal through representative case studies to assess its efficiency. The results show the enhancements of the RC delay bounds as well as the schedulability level of both SCT and RC traffic, in comparison to the current AFDX and Deficit Round Robin (DRR).

SpaceWire est un standard de réseau embarqué promu par l'Agence Spatiale Européenne qui envisage de l'utiliser comme réseau bord unique dans ses futures satellites. SpaceWire utilise un mécanisme de routage Wormhole pour réduire la consommation mémoire des routeurs et les coûts associés. Cependant,le routage Wormhole peut engendrer des blocages en cascade dans les routeurs et, par conséquent,d'importantes variations des délais de livraison des paquets.Comme le réseau doit être partagé par des flux critiques et non-critiques, les concepteurs réseau ont besoin d'un outil leur permettant de vérifier le respect des contraintes temporelles des messages critiques. Pour réaliser cet outil, nous avons choisi comme métrique une borne supérieure sur le délai pire-cas de bout en bout d'un paquet traversant un réseau SpaceWire. Au cours de la thèse, nous avons proposé trois méthodes permettant de calculer cette borne. Les trois méthodes utilisent des hypothèses différentes et ont chacune des avantages et des inconvénients. D'une part, les deux premières méthodes sont très générales et ne nécessitent pas d'hypothèses restrictives sur le trafic en entrée du réseau. D'autre part, la troisième méthode nécessite des hypothèses plus précises sur le trafic en entrée. Elle est donc moins générale mais donne la plupart du temps des bornes plus serrées que les deux autres méthodes. Dans cette thèse, nous avons appliqué ces différentes méthodes à une architecture de référence fournie par Thales Alenia Space afin d'en comparer les résultats. Nous avons également appliqué ces méthodes à des exemples plus simples afin de déterminer l'influence de différents paramètres sur les bornes fournies par nos méthodes. / The SpaceWire network standard is promoted by the ESA and is scheduled to be used as the sole onboard network for future satellites. SpaceWire uses a wormhole routing mechanism to reduce memoryconsumption and the associated costs. However, wormhole routing can lead to packet blocking in routerswhich creates large variations in end-to-end delays. As the network will be shared by real-time and nonreal-time traffic, network designers require a tool to check that temporal constraints are verified for allthe critical messages. The metric we chose for this tool is an upper-bound on the worst-case end-to-enddelay of a packet traversing a SpaceWire network. This metric is simpler to compute than the exact delayof each packet and provide enough guarantee to the network designers. During the thesis, we designed three methods to compute this upper-bound. The three methods use different assumptions and have different advantages and drawbacks. On the one hand, the first two methods are very general and do not require strong assumptions on the input traffic. On the other hand, the third method requires more specific assumptions on the input traffic. Thus, it is less general but usually gives tighter bounds than the two other methods. In the thesis, we apply those methods to a case study provided by Thales Alenia Space and compare the results. We also compare the three methods on several smaller networks to study the impact of various parameters on their results.

Cette thèse aborde différents aspects de la conception d'un réseau de télécommunications. Un tel réseau utilise des technologies hétérogènes : liens antennes-satellites, radio, fibres optiques ou bien encore réseaux embarqués dans un satellite. Les problématiques varient en fonction de la partie du réseau considérée, du type de requêtes et de l'objectif. Le cas des requêtes de type paquets est abordé dans le cadre des réseaux en forme de grille, mais le thème principal est le routage de requêtes de type connections (unicast et multicast). Les objectifs considérés sont : la conception d'un réseau embarqué dans un satellite de télécommunication, de taille minimum et tolérant des pannes de composants; le dimensionnement des liens d'un réseau afin qu'il supporte des pannes corrélées ou qu'il offre une bonne qualité de service, ou s'il autorise des connections {\em multicast}; le dimensionnement de la taille des buffers d'un réseau d'accés radio; et l'optimisation de l'utilisation des ressources d'un réseau dynamique orienté connections. Dans tous ces cas la problématique du routage de connections est centrale. Mon approche consiste à utiliser la complémentarité de techniques algorithmique et d'optimisation combinatoire ainsi que d'outils issus de la théorie des graphes tels la pathwidth et des notions reliées -process number, jeux de captures et treewidth-, différents types de coloration -impropre et pondérée, proportionnelle, directed star colouring-, les graphes d'expansion et des techniques de partitions telle la quasi partition.

Les études présentées dans cette thèse font l'objet d'un travail innovant concernant la conception des antennes pour les réseaux de type BAN et la modélisation des canaux associés. L'ouvrage de thèse est réparti en quatre chapitres. Deux chapitres sont consacrés à la modélisation de la propagation le long du corps où l'on montre que les formulations analytiques d'ondes de surface et d'ondes rampantes sont applicables dans ce contexte. L'effet des tissus adipeux est également pris en compte par le biais d'un modèle à trois couches (peau, graisse et muscle) et renseigne sur la variabilité du bilan de liaison suivant les personnes. Ce type de modélisation est le premier à inclure les formes du corps, les caractéristiques électriques des tissus biologiques et les caractéristiques de rayonnement des antennes. Une méthode basée sur l'autocorrélation du canal est également présentée afin de connaître les temps de cohérences des évanouissements lents et rapides. Par la suite, il est montré comment les évanouissements lents sont extraits par le biais d'un filtrage FFT fonction du temps de cohérence associé. L'étude des canaux se termine sur une série de mesures en chambre anéchoïde qui a permis de vérifier la validité des modèles analytiques. Des mesures en milieu indoor ont abouti à la proposition de plusieurs modèles statistiques basés sur une loi de Nakagami-m fonction de la distance sur le corps. Deux autres chapitres sont consacrés à la conception d'antennes à proximité de tissus biologiques et devant être intégrées dans des biocapteurs ou des vêtements. Pour cela, nous nous sommes particulièrement intéressés aux structures en F-inversé comme les IFA imprimées et les PIFA. Nous avons également réalisé des monopôles courts ayant un comportement de type magnétique. Nous montrons par le biais de simulations et de mesures sur un fantôme que seules les antennes du type monopôle et PIFA permettent une bonne excitation des ondes de surface. On montre par la suite l'influence du facteur de qualité d'une antenne sur son rendement et l'on en conclue qu'une antenne doit présenter un facteur de qualité faible pour avoir un bon rendement. La désensibilisation d'une antenne face au corps est également présentée. L'emploi de feuilles de ferrites aide à concentrer le champ réactif et limite ainsi les inévitables désadaptations dues au corps. Le coefficient de qualité joue également un rôle important dans le comportement de l'antenne face aux variabilités des tissus biologiques. L'estimation du rendement est un autre point difficile à réaliser lorsque les antennes sont sur le corps. Malgré tout nous proposons une nouvelle méthode que nous vérifions par simulation. Finalement, une structure à diversité est également proposée. Cette dernière tient compte des connaissances acquises au long de ce travail de recherche. Une sélection des meilleurs types d'antennes du point de vu canal et rendement est réalisée. La structure choisie est composée d'une PIFA et d'un monopôle court découplés par le biais de fentes λ/4. Des mesures in situ en milieu indoor donnent un gain en diversité maximum de 8.1 dB pour un schéma de type sélection

Les études présentées dans cette thèse font l’objet d’un travail innovant concernant la conception des antennes pour les réseaux de type BAN et la modélisation des canaux associés. L’ouvrage de thèse est réparti en quatre chapitres. Deux chapitres sont consacrés à la modélisation de la propagation le long du corps où l’on montre que les formulations analytiques d’ondes de surface et d’ondes rampantes sont applicables dans ce contexte. L’effet des tissus adipeux est également pris en compte par le biais d’un modèle à trois couches (peau, graisse et muscle) et renseigne sur la variabilité du bilan de liaison suivant les personnes. Ce type de modélisation est le premier à inclure les formes du corps, les caractéristiques électriques des tissus biologiques et les caractéristiques de rayonnement des antennes. Une méthode basée sur l’autocorrélation du canal est également présentée afin de connaître les temps de cohérences des évanouissements lents et rapides. Par la suite, il est montré comment les évanouissements lents sont extraits par le biais d’un filtrage FFT fonction du temps de cohérence associé. L’étude des canaux se termine sur une série de mesures en chambre anéchoïde qui a permis de vérifier la validité des modèles analytiques. Des mesures en milieu indoor ont abouti à la proposition de plusieurs modèles statistiques basés sur une loi de Nakagami-m fonction de la distance sur le corps. Deux autres chapitres sont consacrés à la conception d’antennes à proximité de tissus biologiques et devant être intégrées dans des biocapteurs ou des vêtements. Pour cela, nous nous sommes particulièrement intéressés aux structures en F-inversé comme les IFA imprimées et les PIFA. Nous avons également réalisé des monopôles courts ayant un comportement de type magnétique. Nous montrons par le biais de simulations et de mesures sur un fantôme que seules les antennes du type monopôle et PIFA permettent une bonne excitation des ondes de surface. On montre par la suite l’influence du facteur de qualité d’une antenne sur son rendement et l’on en conclue qu’une antenne doit présenter un facteur de qualité faible pour avoir un bon rendement. La désensibilisation d’une antenne face au corps est également présentée. L’emploi de feuilles de ferrites aide à concentrer le champ réactif et limite ainsi les inévitables désadaptations dues au corps. Le coefficient de qualité joue également un rôle important dans le comportement de l’antenne face aux variabilités des tissus biologiques. L’estimation du rendement est un autre point difficile à réaliser lorsque les antennes sont sur le corps. Malgré tout nous proposons une nouvelle méthode que nous vérifions par simulation. Finalement, une structure à diversité est également proposée. Cette dernière tient compte des connaissances acquises au long de ce travail de recherche. Une sélection des meilleurs types d’antennes du point de vu canal et rendement est réalisée. La structure choisie est composée d’une PIFA et d’un monopôle court découplés par le biais de fentes λ/4. Des mesures in situ en milieu indoor donnent un gain en diversité maximum de 8.1 dB pour un schéma de type sélection / BAN antennas conception and channel modelling