Soutenance mémoire
CONTEXTE D’AMELIORATION DES COMMUNICATIONS DE DONNEES EN ENVIRONNEMENT CONTRAINT
Le contexte aéronautique
Mutualisation d’un lien unique de communication
Un des besoins de l’aéronautique concerne le multiplexage des flux sol-bord : actuellement, les réseaux avioniques sont fermés et ne communiquent pas entre eux. Les moyens de communication sol/bord sont dupliqués pour chaque domaine réseau s’étendant de l’avion au sol, garantissant ainsi la disponibilité du lien et dédiant toute la capacité au domaine utilisant le lien. Cela entraîne une augmentation du nombre de liens et d’équipements (et donc des coûts associés).
Une solution consiste à mutualiser la liaison sol/bord, quand les moyens techniques et la capacité du lien le permettent. La liaison transporte alors simultanément plusieurs flux issus de domaines différents. On parle alors de multiplexage des flux de données sur un lien. Le multiplexage est assuré par le routeur lorsque les données provenant d’interfaces réseaux différentes sont envoyées vers l’équipement de télécommunication embarqué, via une même interface réseau du routeur. Le démultiplexage, opération inverse du multiplexage, est alors effectué par un ou plusieurs routeurs au sol.
Traitement conjoint des approches « security » et « safety »
Le développement des systèmes embarqués à bord des aéronefs est fortement contraint, que ce soit en terme de sûreté de fonctionnement qu’en terme de sécurité. En aéronautique, on parle de « safety » pour la sécurité ou encore la sûreté de fonctionnement des systèmes aéronautiques, c’est-à-dire les propriétés intrinsèques des systèmes leur permettant de « résister » aux dysfonctionnements. Le terme « security » désigne la sûreté des systèmes aéronautiques, c’est-à-dire les protections contre les menaces volontaires (attaques de pirates…). Nous emploierons par suite les termes techniques anglais « safety » et « security » afin de ne pas les confondre avec les définitions françaises de sécurité et de sûreté. Le domaine avionique est depuis toujours fortement contraint en terme de « safety ». Un dysfonctionnement général de l’appareil peut en effet conduire à sa destruction partielle ou totale, des vies humaines sont alors menacées. Différents standards aéronautiques spécifient les contraintes de « safety » devant être respectées afin que l’appareil soit autorisé à voler. Les logiciels avioniques embarqués critiques, tels que les pilotes automatiques par exemple, sont ainsi soumis au standard RTCA DO-178B (DO-178B, 1992).
A l’origine, seule la « safety » était prise en compte de manière approfondie par les avionneurs. Ceux-ci considéraient que la complexité des systèmes embarqués et la fermeture des réseaux avioniques garantissaient leur « security ». Depuis les attentats du 11 septembre 2001, la « security » est désormais devenue une préoccupation majeure pour la conception des systèmes et introduit de nouvelles contraintes et de nouvelles pratiques dans le monde aéronautique. Les produits sensibles doivent être validés d’un point de vue sécuritaire, cette validation de la « security » est appelée « évaluation ». Les exigences de « security » peuvent être regroupées dans des «paquetages» d’exigences permettant leur « évaluation » dans le produit final. Il existe ainsi 7 paquetages constitués uniquement d’exigences d’assurance et appelés «Niveaux d’assurance d’évaluation» («Evaluation Assurance Level» ou EAL). Ces paquetages d’exigences sont numérotés de 1 à 7. L’EAL-2 reprend l’ensemble EAL-1 et y ajoute des exigences supplémentaires. Il en est de même jusqu’à l’EAL-7, le plus haut niveau d’assurance de sécurité que peut recevoir un produit dans la nomenclature CC ITSEC «Common Criteria for Information Technology Security Evaluation». Cette norme ISO référencée sous le numéro ISO CEI 15408, souvent appelée en abrégé les «Critères Communs» ou « CC », permet d’évaluer un système complet vis-àvis d’exigences de sécurité. Elle est publiée en quatre parties : (cc1, 2009 ; cc2, 2009 ; cc3, 2009 & cc4, 2009).
Cependant, malgré l’existence de ces deux standards (DAL vs EAL), les processus de certification (pour garantir la « safety » du système) et d’évaluation (garantissant sa « security ») sont actuellement traités de manière parallèle et indépendante, certaines vérifications similaires étant ainsi effectuées deux fois. Nous reviendrons sur cet aspect dans la section 2.3 relative à notre contribution sur les approches orientées modèles en aéronautique.
Le contexte UAS (Unmaned Aerial Systems)
Les principaux types de réseaux sans fil
Un réseau sans fil ad hoc (Mobile ad hoc Network – MANET) est une collection de nœuds mobiles qui communiquent les uns avec les autres sans avoir recours à une infrastructure préexistante. Il se forme de manière non planifiée et imprévisible. Il constitue un système autonome dynamique qui peut avoir plusieurs hôtes et interfaces de communication. Ces derniers communiquent avec des liaisons sans fil, sans l’utilisation d’une infrastructure fixe et sans administration centralisée. Les nœuds sont libres de bouger aléatoirement sans contraintes et s’organisent arbitrairement. Les nœuds étant mobiles et communicant sans fil, ils peuvent à tout moment quitter ou joindre le réseau. De fait, à mesure que les connexions entre les nœuds se créent et se détruisent, la topologie du réseau évolue de façon dynamique. Ainsi, les chemins empruntés par les paquets peuvent rapidement être modifiés au cours du temps (Corson & Macker, 1999).
Les réseaux VANETs constituent un nouvel aspect des réseaux ad hoc mobiles MANET. Ils apparaissent depuis quelques années comme un moyen effectif d’améliorer la sécurité routière. Ils permettent d’établir des communications entre véhicules ou avec une infrastructure située aux bords des routes. Comparativement à un réseau ad hoc classique, les réseaux VANET sont caractérisés par une forte mobilité des nœuds due à la vitesse des véhicules et rendant la topologie du réseau fortement dynamique (Liu & He, 2010).
La problématique de la gestion de ces environnements fortement contraints par définition va être présentée dans la suite. La question du routage dans ce type d’environnement doit être considérée comme un enjeu particulièrement important. Elle fera l’objet d’un paragraphe spécifique dans la suite de cette section. De plus, il nous semble important de considérer également les problématiques de gestion de la qualité de service dans ces environnements ainsi que la sécurisation des échanges, c’est la raison pour laquelle des sections spécifiques sont dédiées à ces deux enjeux à la fin de cette section.
Réseaux ad hoc à base d’UAVs (UAANET – UAv Ad hoc Network)
Un réseau UAANET est un réseau ad hoc entre un groupe d’UAVs. Nous considérons dans ce travail les UAVs dit « légers » (ou mini-drônes). Un exemple des caractéristiques d’un UAV commercial (société Delair Tech) sera donné plus loin dans ce chapitre (cf. Tableau 7). Ils possèdent une petite taille, un faible poids et vole à une altitude proche du sol (Bento, 2008). Les MANET qui incluent traditionnellement les réseaux d’UAV, possèdent des limites en termes de capacité de transfert, sécurité ou encore consommation d’énergie. La mobilité des nœuds du réseau rajoute de la complexité à ce type de réseau. En effet, les UAVs sont libres de se déplacer arbitrairement (dans la limite des trajectoires planifiées pour leurs opérations). Dès lors, la topologie du réseau peut changer de façon aléatoire et parfois très rapidement ce qui peut induire des perturbations dans la connectivité du réseau à cause des modifications fréquentes des liens entre les différents nœuds du réseau. De plus, l’utilisation de systèmes de communications sans fil induit des problématiques supplémentaires (perturbations par exemple) qui ne sont pas présentes dans les communications filaires.
Si l’on compare les UAANET aux autres types de réseaux MANET : VANET ou encore AANET (Aeronautical Ad hoc network), ils possèdent des particularités au niveau des spécificités de leur environnement. En effet, les UAANET doivent prendre en compte des besoins nouveaux. Par exemple, un UAV a de très faibles ressources énergétiques si on le compare à un véhicule (VANET) ou un avion (AANET). Ainsi, dans la définition des systèmes pour UAV, il est très important de prendre en compte dès le départ le critère de consommation de l’énergie afin de rendre la solution proposée optimale pour l’environnement final. Une autre différence porte sur les trajectoires suivies par les nœuds d’un réseau UAANET. Pour un VANET l’ensemble des nœuds suivent la même trajectoire et se déplace dans le même sens. Ceci a pour conséquence de créer moins de perturbation dans le réseau. Les modèles de mobilité utilisés dans les VANET ne peuvent donc pas être utilisés tel quel pour les UAANET. En effet, dans un UAANET, un UAV a la possibilité de se déplacer librement en fonction des besoins de la mission qu’il s’est vu assigner. De plus, les UAANET permettent à leurs entités (UAV) d’avoir un comportement semi autonome voire complètement autonome. Pour cela, ils doivent échanger des messages de façon fiable étant donné que ces informations peuvent être utilisées pour réaliser un processus de décision propre et local à chaque UAV. C’est une grosse différence avec d’autres types de réseaux ad hoc sans fil tel que les réseaux de capteurs (WSN pour Wireless Sensor Network) où les informations vont la plupart du temps dans un seul sens : c’est-à-dire du capteur vers la station de contrôle. De plus, les capteurs n’échangent pas d’informations entre eux ce qui n’est pas le cas dans les UAANET.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1- CURRICULUM VITAE DETAILLE
CHAPITRE 2- ACTIVITE EN MATIERE DE RECHERCHE
1- INTRODUCTION
1.1- CONCEPT DE RESEAU DE COMMUNICATION CONTRAINT
1.2- CONTEXTE D’AMELIORATION DES COMMUNICATIONS DE DONNEES EN ENVIRONNEMENT CONTRAINT
1.2.1- Le contexte aéronautique
1.2.2- Le contexte UAS (Unmaned Aerial Systems)
1.3- STRUCTURATION DE LA CONTRIBUTION D’HDR
1.3.1- Travail de thèse et de post-doctorat : septembre 2002 – aout 2006
1.3.2- Activités de recherche au sein de l’ENAC : depuis septembre 2006
2- CONTRIBUTION A L’AMELIORATION DES COMMUNICATIONS DE DONNEES EN ENVIRONNEMENT RESEAU CONTRAINT
2.1- CARACTERISATION DU TRAFIC AERONAUTIQUE
2.1.1- Trafics ATSC, AOC et AAC : modélisation à l’aide de machines à état
2.1.2- Trafic APC : modélisation à l’aide de sources ON-OFF
2.2- EXEMPLE DE LIEN ENTRE GESTION DE LA QDS ET DE LA SECURITE POUR LES ENVIRONNEMENTS AERONAUTIQUES
2.2.1- Projet FAST (septembre 2008 – mars 2012) : définition d’une architecture de communication sécurisée pour les communications sol-bord dans le contexte aéronautique
2.2.2- Contribution à l’amélioration de la QdS et de la sécurité pour les environnements aéronautiques
2.3- DE L’INGENIERIE ORIENTEE MODELE POUR LA CERTIFICATION DE SYSTEMES COMPLEXES
2.3.1- De l’intérêt des approches orientées modèles pour la conception aéronautique
2.3.2- Les techniques de validation formelle basées sur les modèles
2.3.3- Projet MILSAvion : définition d’un routeur avionique sécurisé de nouvelle génération (septembre 2010 – septembre 2013)
2.3.4- Méthodologie de développement rapide pour systèmes embarqués critiques
2.4- CONTRIBUTION A LA SECURISATION DU TRAFIC EN ENVIRONNEMENT AERONAUTIQUE
2.4.1- Un routeur sécurisé pour la gestion du trafic aéronautique
2.4.2- Analyse de risque quantitative pour les environnements aéronautiques
2.5- CONTRIBUTION A LA ROBUSTESSE DES COMMUNICATIONS POUR LES FLOTTES DE DRONES
2.5.1- Architecture de qualité de service pour agents coopératifs
2.5.2- Architecture sécurisée pour une flotte de drones
3- ACTIVITES D’ENCADREMENTS (DEPUIS 2002)
3.1- ETUDIANTS DE DEUXIEME CYCLE EN STAGE INGENIEUR, MASTER PROFESSIONNEL OU MASTER RECHERCHE
3.1.1- Encadrement pendant mon travail de doctorat (2002 – 2006)
3.1.2- Encadrement en tant qu’enseignant-chercheur au sein de l’ENAC (depuis septembre 2006)
3.2- ETUDIANTS DE TROISIEME CYCLE EN THESE DE DOCTORAT
4- DEVELOPPEMENTS LOGICIELS
5- CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES DES TRAVAUX DE RECHERCHE
5.1- METHODOLOGIE DE PROTOTYPAGE RAPIDE DE SYSTEMES COMPLEXES POUR D’AUTRES DOMAINES QUE LA SECURITE DES COMMUNICATIONS
5.1.1- Développement d’un axe certification pour la safety des logiciels : exemple du système ACAS-X
5.1.2- Application de cette méthodologie au contexte des drones pour faciliter une certification de ces systèmes
5.2- TRAITEMENT CONJOINT DE LA QDS ET DE LA SECURITE DANS LE CADRE DE L’ARCHITECTURE DE COMMUNICATION SESAR
5.3- NOUVELLES FONCTIONNALITES POUR LES RESEAUX DE DRONES COMMUNIQUANTS
5.3.1- Routage basé sur la QdS
5.3.2- Interconnexion avec l’environnement extérieur : intégration dans l’espace aérien classique
5.4- CONTRIBUTION A LA SECURISATION DES COMMUNICATIONS POUR LES RESEAUX AD HOC AERONAUTIQUES
CHAPITRE 3- ACTIVITE EN MATIERE DE RESPONSABILITES COLLECTIVES
1- ORGANISATION DU WORKSHOP WAS’COM 2014 : IEEE WORKSHOP ON ADAPTIVE TECHNIQUES FOR COMMUNICATION NETWORKS
2- MEMBRE DU GROUPE DE TRAVAIL EUROCAE WG 82 : « NEW AIR-GROUND DATALINK TECHNOLOGIES »
3- PARTICIPATION AUX COMITES DE RELECTURE
4- ADMINISTRATION PEDAGOGIQUE AU SEIN DE L’ENAC
5- CHARGES COLLECTIVES AU SEIN DE L’ENAC
CHAPITRE 4- ACTIVITE EN MATIERE D’ENSEIGNEMENT
1- PERIODE 10/2002-08/2006 : MONITEUR PUIS ATER A L’INSA DE TOULOUSE
2- PERIODE A PARTIR DE 09/2006 : ENSEIGNANT-CHERCHEUR
3- RECAPITULATIF DES ENSEIGNEMENTS
CONCLUSION
