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Modèles sûreté/sécurité pour la charactérisation de la sécurité de dispositifs industriels

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Sécurité des Objets et des Systèmes Physiques

Master 2 Cybersecurié

01-10-2021

SL-DRT-21-0031

Cybersécurité : hardware et software (.pdf)

Les systèmes industriels sont souvent utilisés pour surveiller et contrôler un processus physique tel que la production et la distribution d'énergie, le nettoyage de l'eau ou les systèmes de transport. Ils sont souvent simplement appelés systèmes de contrôle de supervision et d'acquisition de données (SCADA). En raison de leur interaction avec le monde réel, la sécurité de ces systèmes est critique et tout incident peut potentiellement nuire aux humains et à l'environnement. Depuis le ver Stuxnet en 2010, ces systèmes font de plus en plus face à des cyberattaques causées par divers intrus, y compris des terroristes ou des gouvernements ennemis[1]. Comme la fréquence de ces attaques augmente, la sécurité des systèmes SCADA devient une priorité pour les organismes gouvernementaux[2]. L'un des principaux axes de recherche en cybersécurité des systèmes industriels porte sur la combinaison des propriétés de sécurité et de sûreté. La sécurité concerne les propriétés applicatives du système (par exemple, les propriétés chimiques d'une usine chimique), tandis que les propriétés de sécurité tiennent compte de la façon dont un intrus peut endommager le système. Comme le montre[3], la combinaison de la sécurité et de la sûreté est un sujet difficile car ces propriétés peuvent être dépendantes, renforçantes, antagonistes ou indépendantes. Comme le montre[4], la combinaison de la sécurité et de la sûreté dans une modélisation commune est un défi, car les deux viennent avec des sources d'explosion combinatoire. De plus, il existe des outils utilisés soit pour les analyses de sécurité, soit pour les analyses de sûreté, mais actuellement aucun outil n'est capable de traiter les deux aspects en même temps. Dans ce contexte, nous proposons une thèse de doctorat autour de la modélisation de systèmes industriels prenant en compte à la fois les propriétés de sécurité du procédé physique et les propriétés de sécurité. En plus de la définition d'un cadre ou d'un langage de modélisation précis, mais analysable automatiquement, de nombreux aspects peuvent faire partie du sujet. Par exemple, des fichiers de configuration d'automates programmables (API) pourraient être générés à partir de ce modèle afin de ne déployer que des programmes préalablement validés. Les vulnérabilités des automates peuvent être étudiées (reverse engineering de firmware, fuzzing de protocole) afin de tester la faisabilité technique des attaques trouvées. Enfin, dans un contexte de certification, les analyses de sécurité sur le modèle pourraient inclure des exigences de normes telles que CEI 62443[5] pour faciliter le processus d'évaluation.

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Injection de fautes et Intégrité des réseaux de neurones embarqués : attaques, protections, évaluation

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Sécurité des Objets et des Systèmes Physiques

Intelligence Artificielle; Microélectronique; Systèmes embarqués

01-02-2021

SL-DRT-21-0159

pierre-alain.moellic@cea.fr

Data intelligence dont Intelligence Artificielle (.pdf)

Une des tendances majeures de l'Intelligence Artificielle aujourd'hui est le déploiement massif des systèmes de Machine Learning sur une multitude de plateformes embarquées. La majorité des fabricants de semi-conducteurs proposent des produits « compatibles A.I. », principalement pour des réseaux de neurones pour de l'inférence. La sécurité est un des grands freins au déploiement de ces systèmes. De nombreux travaux soulèvent des menaces aux impacts désastreux pour leur développement, comme les « adversarial examples » ou le « membership inference ». Ces travaux considèrent les algorithmes de ML selon un point de vue purement algorithmique sans prendre en considérations les particularités de leur implémentation matérielle. De plus, des études plus poussées sont indispensables sur les attaques physiques (side-channel et injection de fautes). En considérant une surface d'attaque regroupant les aspects algorithmiques et matériels, la thèse propose d'analyser des menaces de type Fault Injection Analysis (FIA) ciblant l'intégrité des modèles (tromper une prédiction) des systèmes EML et le développement de protections efficaces. Quelques travaux s'intéressent aux attaques physiques contre des réseaux de neurones embarqués mais avec des architectures très simples sur des microcontrôleurs 8-bit, ou FPGA ou en pure simulation. Ces travaux ne proposent pas encore des liens entre les modèles de fautes ou les fuites mises en évidence et les failles algorithmiques. En se basant sur l'expérience d'autres systèmes critiques (e.g., module cryptographique), la philosophie de la thèse sera de considérer conjointement le monde algorithmique et le monde physique pour mieux appréhender la complexité des menaces et développer des protections appropriées. La thèse s'intéressera aux questions scientifiques suivantes : (1) Caractérisation et exploitation de modèles de fautes : comment exploiter des disfonctionnements par injections de fautes (laser, EM ou glitch) pour tromper la prédiction d'un modèle de type réseau de neurones profond en minimisant la perturbation. (2) Evaluation des mécanismes de protections classiques : quel est la pertinence et l'efficacité des schémas de défenses classiques (e.g. mécanismes de redondances) pour ce type de systèmes et de menaces ? (3) Développement de nouvelles protections appropriées aux réseaux de neurones embarqués.

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Solution autonome de gestion des réseaux déterministes en utilisant les techniques de l'Intelligence Artificielle (IA)

Département Intelligence Ambiante et Systèmes Interactifs (LIST)

Laboratoire Systèmes Communiquants

01-02-2021

SL-DRT-21-0178

siwar.benhadjsaid@cea.fr

Réseaux de communication, internet des objets, radiofréquences et antennes (.pdf)

L'objectif de la thèse est d'étudier l'apport de l'Intelligence Artificielle (IA) dans le cadre de la gestion des réseaux déterministes afin d'assurer la préservation de la qualité de service (QoS) lors de l'acheminement des flux de données de bout-en-bout. Ceci permettra de concevoir une solution autonome de gestion des réseaux, capable de configurer les réseaux déterministes de la manière la plus appropriée et d'adapter la configuration selon le besoin (par exemple, nouveau terminal qui se connecte au réseau, forte latence inattendue pour certains flux critiques, changement de la topologie causé par la réorganisation/reconfiguration de composants de la chaine de production dans l'usine etc.). Cette solution utilisera les méthodes de l'intelligence artificielle pour apprendre par l'expérience les conditions qui amènent au non-respect des exigences des flux applicatifs (forte latence, faible bande passante?). L'apprentissage intervient pour reconnaitre, en amont, les situations pouvant amener le non-respect des contraintes des flux applicatifs et également prévoir les effets de modifications des données d'entrées (nouveau terminal, réorganisation de la topologie sous-jacente, etc.) sur les niveaux de QoS assurés aux flux en cours d'acheminement. En se basant sur une telle connaissance, la solution anticipera les situations de dégradation de la QoS et, en conséquence, mettra en place une reconfiguration du réseau déterministe pour préserver la QoS qui permettra de respecter les contraintes associées à chaque flux applicatif.

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Allocation de ressources distribuée pour des réseaux maillés d'utilisateurs mobiles en spectre partagé

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Sans fils Haut Débit

Ecole d'ingénieur/ Master2 informatique / télécom

01-09-2021

SL-DRT-21-0186

mickael.maman@cea.fr

Réseaux de communication, internet des objets, radiofréquences et antennes (.pdf)

Dans les futurs réseaux 5G, il sera important de pouvoir déployer et gérer facilement un réseau privé d'utilisateurs mobiles comme une flotte de véhicules ou de drones. L'objectif de cette thèse est de définir une allocation de ressources distribuée pour des réseaux maillés d'utilisateurs mobiles dans le spectre partagé grâce à une mise en commun de ressources (temps/fréquence) et au management efficace des faisceaux d'antennes directives. Alors que les études existantes portent principalement sur la maximisation des performances de réseaux maillés multi-beam de type backhaul statique, nous nous intéresseront à un apprentissage local/distribué collaboratif entre des utilisateurs mobiles. La première étape de cette thèse sera d'intégrer un modèle réaliste d'antennes directives sub 6-GHz et/ou mmW dans un simulateur réseau. Le premier objectif sera de faire un compromis entre la spatialité de la directivité, l'efficacité de l'antenne et la complexité de l'algorithme pour des communications point à point et point à multi-point. Le second objectif sera de contextualiser les fonctionnalités de l'antenne entre les phases de communication, de découverte ou de suivi. La seconde étape de cette thèse concernera le design du protocole d'allocation de ressources distribuée durant différentes étapes de la vie du réseau: le déploiement, l'auto-optimisation et l'auto-guérison. Un compromis sera fait entre le type et le temps de (re)configuration des antennes, la précision de l'alignement des faisceaux, le temps de cohérence du canal pour des utilisateurs mobiles (connectivité volatile) et le temps de convergence du protocole d'allocation.

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Capteurs piézoélectriques souples & innovants pour interface tactile et acoustique - Capteurs multifonctions

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

Ecoles d'ingénieurs / Master 2 en nanotechnologies, physique du solide, expérimentation et simulations (COMSOL), ou mécatronicien avec des connaissances en électronique, architectures électroniques et programmation.

01-09-2021

SL-DRT-21-0205

elise.saoutieff@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

Le CEA a mis au point un nano capteur piézoélectrique apte à restituer des efforts mécaniques selon les 3 axes. Ce capteur est composé de nanofils de GaN obtenus par croissance organisée, lesquels présentent des propriétés piézoélectriques. Un des objets de la thèse est d'utiliser ce capteur pour former une matrice tactile et déformable via l'assemblage et l'intégration de plusieurs de ces capteurs dans un substrat souple. Cette surface tactile doit permettre ensuite de restituer les efforts/déformations appliqués en chacun de ses points via une structuration particulière de la surface et une électronique d'interrogation adaptée. Cette technologie a fait l'objet de plusieurs développements, dont une thèse, en interne CEA et avec des collaborations extérieures ; le candidat s'appuiera sur une électronique développée au laboratoire. Des efforts de compréhension et d'optimisation sont encore à poursuivre, notamment pour modéliser l'interaction entre les nanofils, la matrice et le substrat souple, l'ensemble étant sollicité par l'environnement extérieur. Pour cela le candidat pourra s'appuyer sur les compétences du laboratoire et sur des outils de simulations multi-physique mis à sa disposition. Les résultats de la modélisation permettront de dimensionner la matrice idéale (épaisseur du substrat, longueur des nano-fils, structuration de la surface, disposition des électrodes de collecte des charges?). A partir de ce dimensionnement, et à l'aide de l'équipe du laboratoire, il fabriquera un prototype qui permettra notamment de confronter les simulations avec les résultats expérimentaux. Les travaux proposés visent également à répondre à des questions fondamentales autour du couplage d'effets piézoélectriques avec les effets pyroélectriques, optique voir acoustique, intrinsèques au GaN. Les effets de la température ou du couplage piézoélectrique/pyroélectrique sur le comportement physique (et électronique) du capteur seront étudiés. Ces aspects pourront venir complémenter le modèle existant. De plus, de nombreux axes d'amélioration demeurent par l'utilisation de nouveaux matériaux qu'il conviendra de caractériser en vue de l'application (caractérisations structurale, mécanique, électrique, optique, thermique). Les applications visées sont typiquement la peau électronique pour la robotique, la mesure de textures, la reconnaissance de la forme des objets, les interfaces tactiles intégrant notamment la mesure d'effort multipoints et multi-directions et la mesure des efforts en glissement. De plus, la multifonctionnalité du capteur peut ouvrir la voie à de nouvelles applications innovantes.

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Architectures et circutis recepterus RF mmW large bande pour modulations innovants

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Architectures Intégrées Radiofréquences

Master recherche en RF et ou microelectronique

01-03-2021

SL-DRT-21-0216

joseluis.gonzalezjimenez@cea.fr

Réseaux de communication, internet des objets, radiofréquences et antennes (.pdf)

Les réseaux de télécommunication existants évoluent vers des besoins de très haute capacité et haut débit de communication qui nécessiteront des architectures d'émetteur-récepteur innovantes. Pour les liaisons de données sans fil dans le cadre des systèmes 5G et au-delà de la 5G des nouvelles solutions d'émetteurrécepteur seront nécessaires dans les 5 à 10 prochaines années pour pouvoir fournir des débits de données de l0irdre de 100Gb/s ou supérieurs en utilisant efficacement le large spectre disponible aux fréquences millimétriques (mmW). L'architecture traditionnelle des émetteurs-récepteurs qui a été utilisée dans le passé peut entraîner une consommation d'énergie trop importante ou tout simplement une performance insuffisante pour répondre à ce défi. L'institut de recherche LETI a mené des investigations au cours des dernières année dans le domaine des schémas de modulation et des architectures d'émetteurs-récepteurs novateurs afin de répondre aux défis liés a l'augmentation du débit susmentionné dans les environnements sans fil, compte tenu des limites imposées par les dispositifs électroniques existants nécessaires à la construction des émetteursrécepteurs. Actuellement, certaines solutions ont été proposées d'un point de vue théorique qui doivent être avancées afin de trouver une mise en oeuvre optimale avec les technologies de pointe pour la conception et la fabrication de circuits intégrés. Cette thèse s'inscrit dans la continuité de ces travaux précédents et explorera la mise en oeuvre pratique de circuits basés sur des schémas de modulation et des architectures innovantes pour des récepteurs mmW à haute vitesse, à large bande passante et à l'épreuve des imperfections.

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