Tesis sobre el tema "Réseaux avioniques"

La complexité des architectures de communication avioniques ne cesse de croître avec l’augmentation du nombre des terminaux interconnectés et l’expansion de la quantité des données échangées. Afin de répondre aux besoins émergents en terme de bande passante, latence et modularité, l’architecture de communication avionique actuelle consiste à utiliser le réseau AFDX (Avionics Full DupleX Switched Ethernet) pour connecter les calculateurs et utiliser des bus d’entrée/sortie (par exemple le bus CAN (Controller Area Network)) pour connecter les capteurs et les actionneurs. Les réseaux ainsi formés sont connectés en utilisant des équipements d’interconnexion spécifiques, appelés RDC (Remote Data Concentrators) et standardisé sous la norme ARINC655. Les RDCs sont des passerelles de communication modulaires qui sont reparties dans l’avion afin de gérer l’hétérogénéité entre le réseau cœur AFDX et les bus d’entrée/sortie. Certes, les RDCs permettent d’améliorer la modularité du système avionique et de réduire le coût de sa maintenance; mais, ces équipements sont devenus un des défis majeurs durant la conception de l’architecture avionique afin de garantir les performances requises du système. Les implémentations existantes du RDC effectuent souvent une translation direct des trames et n’implémentent aucun mécanisme de gestion de ressources. Or, une utilisation efficace des ressources est un besoin important dans le contexte avionique afin de faciliter l’évolution du système et l’ajout de nouvelles fonctions. Ainsi, l’objectif de cette thèse est la conception et la validation d’un RDC optimisé implémentant des mécanismes de gestion des ressources afin d’améliorer les performances de l’architecture de communication avionique tout en respectant les contraintes temporelles du système. Afin d’atteindre cet objectif, un RDC pour les architectures réseaux de type CAN-AFDX est conçu, intégrant les fonctions suivantes: (i) groupement des trames appliqué aux flux montants, i.e., flux générés par les capteurs et destinés à l’AFDX, pour minimiser le coût des communication sur l’AFDX; (ii) la régulation des flux descendants, i.e., flux générés par des terminaux AFDX et destinés aux actionneurs, pour réduire les contentions sur le bus CAN. Par ailleurs, notre RDC permet de connecter plusieurs bus CAN à la fois tout en garantissant une isolation entre les flux. Par la suite, afin d’analyser l’impact de ce nouveau RDC sur les performances du système avionique, nous procédons à la modélisation de l’architecture CAN-AFDX, et particulièrement le RDC et ses nouvelles fonctions. Ensuite, nous introduisons une méthode d’analyse temporelle pour calculer des bornes maximales sur les délais de bout en bout et vérifier le respect des contraintes temps-réel. Plusieurs configurations du RDC peuvent répondre aux exigences du système avionique tout en offrant des économies de ressources. Nous procédons donc au paramétrage du RDC afin de minimiser la consommation de bande passante sur l’AFDX tout en respectant les contraintes temporelles. Ce problème d’optimisation est considéré comme NP-complet, et l’introduction des heuristiques adéquates s’est avérée nécessaire afin de trouver la meilleure configuration possible du RDC. Enfin, les performances de ce nouveau RDC sont validées à travers une architecture CAN-AFDX réaliste, avec plusieurs bus CAN et des centaines de flux échangés. Différents niveaux d’utilisation des bus CAN ont été considérés et les résultats obtenus ont montré l’efficacité de notre RDC à améliorer la gestion des ressources du système avionique tout en respectant les contraintes temporelles de communication. En particulier, notre RDC offre une réduction de la bande passante AFDX allant jusqu’à 40% en comparaison avec le RDC actuellement utilisé
The aim of my thesis is to provide a resources-efficient gateway to connect Input/Output (I/O) CAN buses to a backbone network based on AFDX technology, in modern avionics communication architectures. Currently, the Remote Data Concentrator (RDC) is the main standard for gateways in avionics; and the existing implementations do not integrate any resource management mechanism. To handle these limitations, we design an enhanced CAN-AFDX RDC integrating new functions: (i) Frame Packing (FP) allowing to reduce communication overheads with reference to the currently used "1 to 1" frame conversion strategy; (ii) Hierarchical Traffic Shaping (HTS) to reduce contention on the CAN bus. Furthermore, our proposed RDC allows the connection of multiple I/O CAN buses to AFDX while guaranteeing isolation between different criticality levels, using a software partitioning mechanism. To analyze the performance guarantees offered by our proposed RDC, we considered two metrics: the end-to-end latency and the induced AFDX bandwidth consumption. Furthermore, an optimization process was proposed to achieve an optimal configuration of our proposed RDC, i.e., minimizing the bandwidth utilization while meeting the real-time constraints of communication. Finally, the capacity of our proposed RDC to meet the emerging avionics requirements has been validated through a realistic avionics case study

Les nouvelles générations d'aéronefs embarquent de plus en plus de systèmes avioniques, pour augmenter à la fois la sécurité et le confort des passagers. Ces nouvelles fonctions entraînent une forte hausse des échanges de données, ce qui nécessite plus de débit et de possibilités d'interconnexion. Les bus classiques de communications avioniques ne peuvent répondre à cette nouvelle demande, ce qui a poussé les constructeurs (Airbus et Boeing) à installer à bord un réseau de communication utilisant la technologie Ethernet commuté. Le principal apport de cette thèse est le développement d'une méthode d'évaluation de performances de ce type de réseaux basée sur une modélisation en file d'attente et simulation. Nous proposons également des approches pour la classification du trafic qui réduisent l'espace de la simulation afin de permettre une analyse plus fine du comportement moyen du réseau. Les résultats de ces simplifications nous ont permis ainsi d'établir un modèle de simulation générique et d'acquérir des répartitions des délais de bout en bout pour la majorité des chemins, devant être étudiés sur la configuration avionique réelle retenue
The recent aircrafts need to accommodate more passengers or freight, with increasing safety and comfort conditions. The new embedded systems imply a large burst in the number and the volume of exchanged data. The avionic data buses cannot cope anymore with these new communications needs. Both Airbus and Boeing made the choice to replace these buses with a network using the Switched Ethernet technology. The main contribution of this thesis is a method, based on a simulation model, which evaluates the performances of this type of networks. We also propose approaches for the traffic classification allowing the reduction of the simulation space, in order to lead to a more refined analysis of the network behaviour. The results of these simplifications enabled us to establish a generic simulation model and to acquire distributions of the end to end delay for the majority of the virtual links, having to be studied on the selected real avionic configuration

L'objet de nos travaux porte sur la proposition d'une architecture hybride IEEE 802.11e/AFDX (Avionics Full Duplex switched ethernet) et sur l'étude des techniques permettant l'interconnexion d'un réseau avionique filaire AFDX et d'un réseau sans fil IEEE802.11e pour des applications de maintenance au sol. Ces techniques devront être capables de satisfaire les exigences temporelles des flux AFDX, en particulier la latence de bout à bout et la gigue. Pour des raisons de déterminisme d'accès au médium, nous avons focalisé nos travaux sur l'adaption de la méthode d'accès HCCA (HCF Controlled Channel Access) pour supporter les exigences de QoS du réseau AFDX. L'utilisation de la technologie IEEE 802.11e et de sa méthode d'accès HCCA n'est pas sans contrainte. L'HCCA est plus orientées pour transporter des flux multimédias tels que la voix et la vidéo, ces derniers n'imposant pas les mêmes contraintes temporelles ni le même niveau d'intégrité des données que les flux AFDX. Pour répondre aux exigences des trafics AFDX (gigue et latence), il est primordial d'améliorer l'HCCA. Nous proposons ainsi une méthode d'accès basée sur l'HCCA appelé AFS-HCCA (AFDX Flows Scheduling with HCCA). Notre méthode implémente deux ordonnanceurs: (1) un ordonnanceur local distribué sur toutes les stations (QSTA) et (2) un ordonnanceur centralisé et contrôlé par le point d'accès (HC). L'ordonnanceur local nommé AWS (AFDX Wireless Scheduler) améliore considérablement celui de référence HCCA, car il sérialise les trames en fonction de leurs contraintes temporelles et intègre une méthode de retransmission contrôlée. AWS n'agit pas sur l'optimisation de la bande passante, d'où notre proposition de deux stratégies supplémentaires: Optimized Solution et Released Bandwidth Solution. Les résultats obtenus par l'ordonnancement AWS distribué et ses stratégies de gestion de la bande passante montrent de réelles nouvelles performances par rapport à la norme HCCA. Cependant, il est indispensable d'ordonnancer de façon centralisée l'ensemble de ces flux pour garantir un accès optimal au médium. Nous avons proposé deux méthodes d'ordonnancement hors-ligne : AFBA (Advanced Fixe BandWidth Allocation) et VBA (Variable Bandwidth Allocation). AFBA alloue des bandes passantes fixes calculées à priori pour satisfaire les exigences temporelles de tous les flux AFDX. VBA quant à lui est basé sur une allocation de bandes passantes variables calculée en fonction des arrivées des trames dans les files d'attente de chaque station. Les ordonnanceurs locaux et centraux avec leurs variantes ont été modélisés et simulés avec OPNET à partir de différents scénarios réels de flux AFDX. Les résultats montrent que l'HCCA de référence de la norme 802.11e n'est pas adapté aux fortes contraintes temporelles de l'AFDX. Nos contributions en termes de sérialisation des flux et d'optimisation de la bande passante réduisent les pertes de trames de 93%, même dans un pire cas avec un réseau chargé et un taux d'erreur binaire élevé
The object of our works concerns at the suggestion of hybrid architecture IEEE 802.11e / AFDX (Avionics Full Duplex switched ethernet) and the study of techniques allowing the interconnection of a wired avionic network AFDX and a wireless network IEEE802.11e for applications of maintenance the ground

La révolution technologique majeure des nouveaux aéronefs repose sur une électrification intensive de nombreux constituants de l'appareil et le fait que la vitesse des génératrices électriques n'est plus fixe mais variable. Cette nouvelle manière de générer la puissance électrique engendre des variations de tension sur les réseaux DC. De plus, pour accroître la compacité des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) à puissance donnée, on augmente autant que possible leur vitesse d'entrainement, en les associant pour certaines applications à des réducteurs mécaniques. La variation du niveau de tension du bus DC alimentant une MSAP haute vitesse implique son dimensionnement afin d'assurer sa contrôlabilité sur toute la plage de vitesse reportant d'importantes contraintes sur l'onduleur de tension. Pour pallier ce problème, une solution consiste à intercaler un convertisseur DC/DC entre le filtre d'entrée et l'onduleur de tension pour maintenir la tension DC d'entrée de l'onduleur à une valeur adaptée au fonctionnement de la MSAP et optimiser son dimensionnement. Cependant, cette solution augmente l'ordre du système, ce qui accroît la complexité de son contrôle, accentuée par les contraintes liées à la nature haute-fréquence des MSAP considérées.Les travaux menés dans cette thèse concernent l'étude, l'optimisation et le contrôle des structures d'alimentation des actionneurs haute vitesse connectés aux réseaux DC avioniques à tension variable. Il en résulte que pour les applications avioniques considérées, ces architectures d'alimentation intégrant un convertisseur DC/DC supplémentaire permettent de réduire sa masse et son volume sans dégrader le rendement global de la chaîne de conversion notamment avec les convertisseurs à source impédante qui permettent de supprimer structurellement les ondulations de courant en entrée du convertisseur. De plus, des stratégies de commande Pulse Amplitude Modulation employées avec des architectures de contrôle non-linéaires (platitude, passivité) permettent d'assurer le contrôle de ces MSAP haute-vitesse tout en assurant leur stabilité sur toute la plage de fonctionnement
The main technological revolution of the new aircrafts is based on intensive electrification of many components of the aircraft. Moreover, the speed of electrical generators is no longer fixed but variable. This new way of generating electrical power generates voltage variations on DC networks. Besides, to increase the compactness of the Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) at a given power, their mechanical speed is increased as much as possible by combining them with mechanical reducers for certain applications. The variation of the voltage level of the DC bus supplying a high-speed PMSM implies its sizing in order to ensure its controllability over the entire speed range which carries significant stresses on the Voltage Source Inverter (VSI). To solve this problem, one solution consists in adding an extra DC / DC converter between the input filter and the VSI to maintain the inverter input voltage at a value adapted to the operating point of the PMSM and to optimize its dimensioning. However, this solution increases the order of the system, which increases the complexity of its control, accentuated by the constraints related to the high-frequency nature of the PMSMs considered. The work carried out in this thesis concerns the study, the optimization and the control of the power supply architecture of the high-speed actuators connected to variable-voltage avionic DC networks. As a result, for the avionics applications considered, these power supply architectures integrating an additional DC / DC converter make it possible to reduce the mass and the volume of the power supply structure without degrading the overall efficiency of the conversion chain, in particular by using the impedance-source converters which allow to cancel the DC input current ripples. In addition, Pulse Amplitude Modulation (PAM) control strategies used with non-linear control architectures (flatness, passivity) make it possible to control these high-speed PMSMs while ensuring their stability over the entire operating range

Dans le cadre du projet CRIAQ 6.2, il a été décidé, de communs accords, avec les ingénieurs de la société P&WC (Pratt and Whitney Canada) la réalisation des tests sur le moteur de type PWC67168 D. Il fallait donc développer des capteurs perfomiants qui pemiettent l'acquisition de données et l'analyse de la pression et de la température. En ce qui concerne les capteurs, il faut donc s'occuper de l'empaquetage et de la compatibilité entre les connecteurs et le système d'acquisition. De même, certaines questions telles que le traitement du signal peuvent se poser lors des tests. Notre objectif consiste à assurer la bonne communication d'un réseau de micro capteurs en teclmologies MEMS. Ces applications concernent ceux de l'aérospatiale, spécifiquement dans les turbines des moteurs d'avion où un environnement sévère (hautes températures et coiTOsif) existe. La présence de ces capteurs pemiettrait entre autre le contrôle et la surveillance de la santé des moteurs des avions en temps réels (en vol et lors des tests au sol). C'est dans cette optique que nous avons concentré notre étude sur l'acquisition et le traitement des données dans ce projet. L'équipe de Concordia s'est occupée de la réalisation des capteurs. L'acquisition de donnée est réalisée en trois étapes. Dans un premier temps, la connaissance des équipements et des cartes d'acquisitions de données est essentielle. Elle pemiet de choisir celle qui effectue les opérations de manière confortable. La deuxième étape consiste à réaliser une étude des capteurs et de vérifier leurs caractéristiques. Cette étude pemiet de les implémenter sur la platefonne d'acquisition de donnée. Cette implémentation se réalise par l'alimentation des capteurs, mais également par l'introduction de fonnules et d'équations dans la programmation de routine. La dernière étape consiste à la prise en compte de mesures sécuritaires. Les mesures sécuritaires consistent à la redondance et la protection des capteurs dans un environnement sévère. L'analyse et le traitement de signaux constituent également une part essentielle de notre étude. Elle pemiet de réaliser une étude comparative des signaux de pression. De plus dans le cas d'une perte de vitesse du moteur, la réalisation d'un filtre pemiettra la recomposition du signal. Ces étapes constituent un ensemble des mesures très importantes pour réaliser notre projet.

L'évolution actuelle des systèmes embarqués à bord des systèmes complexes (avions, satellites, navires, automobiles, etc.) les rend de plus en plus vulnérables à des attaques, en raison de : (1) la complexité croissante des applications ; (2) l'ouverture des systèmes vers des réseaux et systèmes qui ne sont pas totalement contrôlés ; (3) l'utilisation de composants sur étagère qui ne sont pas développés selon les méthodes exigées pour les systèmes embarqués critiques ; (4) le partage de ressources informatiques entre applica- tions, qui va de pair avec l'accroissement de puissance des processeurs. Pour faire face aux risques de malveillances ciblant les systèmes embarqués, il est nécessaire d'appli- quer ou d'adapter les méthodes et techniques de sécurité qui ont fait leurs preuves dans d'autres contextes : Méthodes formelles de spécification, développement et vérification ; Mécanismes et outils de sécurité (pare-feux, VPNs, etc.) ; Analyse de vulnérabilités et contre-mesures. C'est sur ce dernier point que portent nos travaux de thèse. En effet, cet aspect de la sécurité a peu fait l'objet de recherche, contrairement aux méthodes formelles. Cependant, il n'existe pas actuellement de modèle formel capable de couvrir à la fois des niveaux d'abstraction suffisamment élevés pour permettre d'exprimer les propriétés de sécurité désirées, et les détails d'implémentation où se situent la plupart des vulnérabilités susceptibles d'être exploitées par des attaquants : fonctions des noyaux d'OS dédiées à la protection des espaces d'adressage, à la gestion des interruptions et au changement de contextes, etc. ; implémentation matérielle des mécanismes de protection et d'autres fonctions ancillaires. C'est sur ces vulnérabilités de bas niveau que se focalise notre étude. Nos contributions sont résumées par la suite. Nous avons proposé une classification des attaques possibles sur un système temps-réel. En nous basant sur cette classification, nous avons effectué une analyse de vulnérabilité sur un système réaliste : une plateforme avionique expérimentale fournie par Airbus. Il s'agit d'un noyau temps-réel critique or- donnancé avec plusieurs autres applications, le tout exécuté sur une plateforme Freescale QorIQ P4080. C'est à travers une application dite " malveillante ", présente parmi l'en- semble des applications, que nous essayons de modifier le comportement des autres appli- cations ou du système global pour détecter des vulnérabilités. Cette méthode d'analyse de vulnérabilités a permis de détecter plusieurs problèmes concernant les accès mémoire, la communication entre applications, la gestion du temps et la gestion des erreurs qui pouvaient conduire à la défaillance du système global. Enfin, nous avons proposé des contre-mesures spécifiques à certaines attaques et des contre-mesures génériques pour le noyau temps-réel qui permet d'empêcher une application d'obtenir des accès privilégiés ou encore de perturber le comportement du système.

La complexité et le besoin en bande passante des architectures de communication avioniquene cessent de croitre avec le nombre des calculateurs et l’expansion des données échangées. Latechnologie AFDX a été introduite pour offrir des communications haut débit (100Mbps) pourles avions de nouvelle génération. Cependant, ce réseau commuté est déployé de manièreentièrement redondante, ce qui conduit à des quantités importantes de câbles, augmentant lepoids et les coûts d’intégration. Pour faire face à ces problèmes, on propose dans cette thèsel’intégration d’un réseau Ethernet en anneau comme une solution principale pour diminuerle poids et la complexité liés au câblage. Dans ce contexte, notre objectif est de concevoir etvalider un nouveau réseau de communication avionique, AeroRing, basé sur de l’EthernetGigabit avec une topologie anneau
The inherent complexity and bandwidth requirement of avionics communication architecturesare increasing due to the growing number of interconnected end-systems and theexpansion of exchanged data. The Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) has beenintroduced to provide high-speed communication (100Mbps) for new generation aircraft.However, this switched network is deployed in a fully redundant way, which leads to significantquantities of wires, and thus increases weight and integration costs. To cope with thesearising issues, integrating ring-based Ethernet network in avionics context is proposed in thisthesis as a main solution to decrease the wiring-related weight and complexity. In this context,our main objective is to design and validate a new avionic communication network, calledAeroRing, based on a Gigabit Ethernet technology and supporting a Full Duplex ring topology.To achieve this aim, first, a benchmarking of the most relevant Real-Time Ethernet (RTE)solutions supporting ring topologies vs avionics requirements has been conducted, and weparticularly assess the main Performance Indicators (PIs), specified in IEC 61784-2. Thisbenchmarking reveals that each existing RTE solution satisfies some requirements better thanothers, but there is no best solution in terms of all the requirements

Dans le domaine des réseaux, deux précieux objectifs doivent être atteints, à savoir la QoS et la sécurité, plus particulièrement lorsqu’il s’agit des réseaux à caractère critique et à fortes contraintes temporelles. Malheureusement, un conflit existe : tandis que la QoS œuvre à réduire les temps de traitement, les mécanismes de sécurité quant à eux requièrent d’importants temps de traitement et causent, par conséquent, des délais et dégradent la QoS. Par ailleurs, les systèmes temps réel, la QoS et la sécurité ont très souvent été étudiés séparément, par des communautés différentes. Dans le contexte des réseaux avioniques de données, de nombreux domaines et applications, de criticités différentes, échangent mutuellement des informations, souvent à travers des passerelles. Il apparaît clairement que ces informations présentent différents niveaux de sensibilité en termes de sécurité et de QoS. Tenant compte de cela, le but de cette thèse est d’accroître la robustesse des futures générations de réseaux avioniques de données en contrant les menaces de sécurité et évitant les ruptures de trafic de données. A cet effet, nous avons réalisé un état de l’art des mécanismes de sécurité, de la QoS et des applications à contraintes temporelles. Nous avons, ensuite étudié la nouvelle génération des réseaux avioniques de données. Chose qui nous a permis de déterminer correctement les différentes menaces de sécurité. Sur la base de cette étude, nous avons identifié à la fois les exigences de sécurité et de QoS de cette nouvelle génération de réseaux avioniques. Afin de les satisfaire, nous avons proposé une architecture de passerelle de sécurité tenant compte de la QoS pour protéger ces réseaux avioniques et assurer une haute disponibilité en faveur des données critiques. Pour assurer l’intégration des différentes composantes de la passerelle, nous avons développé une table de session intégrée permettant de stocker toutes les informations nécessaires relatives aux sessions et d’accélérer les traitements appliqués aux paquets (filtrage à états, les traductions d’adresses NAT, la classification QoS et le routage). Cela a donc nécessité, en premier lieu, l'étude de la structure existante de la table de session puis, en second lieu, la proposition d'une toute nouvelle structure répondant à nos objectifs. Aussi, avons-nous présenté un algorithme permettant l’accès et l’exploitation de la nouvelle table de session intégrée. En ce qui concerne le composant VPN IPSec, nous avons détecté que le trafic chiffré par le protocole ESP d’IPSec ne peut pas être classé correctement par les routeurs de bordure. Afin de surmonter ce problème, nous avons développé un protocole, Q-ESP, permettant la classification des trafics chiffrés et offrant les services de sécurité fournis par les protocoles AH et ESP combinés. Plusieurs techniques de gestion de bande passante ont été développées en vue d’optimiser la gestion du trafic réseau. Pour évaluer les performances offertes par ces techniques et identifier laquelle serait la plus appropriée dans notre cas, nous avons effectué une comparaison basée sur le critère du délai, par le biais de tests expérimentaux. En dernière étape, nous avons évalué et comparé les performances de la passerelle de sécurité que nous proposons par rapport à trois produits commerciaux offrant les fonctions de passerelle de sécurité logicielle en vue de déterminer les points forts et faibles de notre implémentation pour la développer ultérieurement. Le manuscrit s’organise en deux parties : la première est rédigée en français et représente un résumé détaillé de la deuxième partie qui est, quant à elle, rédigée en anglais
QoS and security are two precious objectives for network systems to attain, especially for critical networks with temporal constraints. Unfortunately, they often conflict; while QoS tries to minimize the processing delay, strong security protection requires more processing time and causes traffic delay and QoS degradation. Moreover, real-time systems, QoS and security have often been studied separately and by different communities. In the context of the avionic data network various domains and heterogeneous applications with different levels of criticality cooperate for the mutual exchange of information, often through gateways. It is clear that this information has different levels of sensitivity in terms of security and QoS constraints. Given this context, the major goal of this thesis is then to increase the robustness of the next generation e-enabled avionic data network with respect to security threats and ruptures in traffic characteristics. From this perspective, we surveyed the literature to establish state of the art network security, QoS and applications with time constraints. Then, we studied the next generation e-enabled avionic data network. This allowed us to draw a map of the field, and to understand security threats. Based on this study we identified both security and QoS requirements of the next generation e-enabled avionic data network. In order to satisfy these requirements we proposed the architecture of QoS capable integrated security gateway to protect the next generation e-enabled avionic data network and ensure the availability of critical traffic. To provide for a true integration between the different gateway components we built an integrated session table to store all the needed session information and to speed up the packet processing (firewall stateful inspection, NAT mapping, QoS classification and routing). This necessitates the study of the existing session table structure and the proposition of a new structure to fulfill our objective. Also, we present the necessary processing algorithms to access the new integrated session table. In IPSec VPN component we identified the problem that IPSec ESP encrypted traffic cannot be classified appropriately by QoS edge routers. To overcome this problem, we developed a Q-ESP protocol which allows the classifications of encrypted traffic and combines the security services provided by IPSec ESP and AH. To manage the network traffic wisely, a variety of bandwidth management techniques have been developed. To assess their performance and identify which bandwidth management technique is the most suitable given our context we performed a delay-based comparison using experimental tests. In the final stage, we benchmarked our implemented security gateway against three commercially available software gateways. The goal of this benchmark test is to evaluate performance and identify problems for future research work. This dissertation is divided into two parts: in French and in English respectively. Both parts follow the same structure where the first is an extended summary of the second

La certification des réseaux avioniques requiert une maîtrise des délais de transmission des données. Cepednant, le multiplexage et le partage des ressource de communications dans des réseaux tels que l'AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet) rendent difficile le calcul d'un délai de bout en bout pire cas pour chaque flux. Des outils comme le calcul réseau fournissent une borne supérieure (pessimiste) de ce délai pire cas. Les besoins de communication des avions civils modernes ne cessent d'augmenter et un nombre croissant de flux aux contraintes et aux caractéristiques différentes doivent partager les ressources existantes. Le réseau AFDX actuel ne permet pas de différentier plusieurs classes de trafic : les messages sont traités dans les files des commutateurs selon leur ordre d'arrivée (politique de service FIFO). L'objet de cette thèse est de montrer qu'il est possible de calculer des bornes pire cas des délais de bout en bout avec des politiques de service plus évoluées, à base de priorités statiques (Priority Queueing) ou à répartition équitable de service (Fair Queueing). Nous montrons comment l'approche par trajectoires, issue de la théorie de l'ordonnancement dans des systèmes asynchrones distribués peut s'appliquer au domaine de l'AFDX actuel et futur (intégration de politiques de service plus évoluées permettant la différentiation de flux). Nous comparons les performances de cette approche avec les outils de référence lorsque cela est possible et étudions le pessimisme des bornes ainsi obtenues
The certification process for avionics network requires guaranties on data transmission delays. However, calculating the worst case delay can be complex in the case of industrial AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet) networks. Tools such as Network Calculus provide a pessimistic upper bound of this worst case delay. Communication needs of modern commercial aircraft are expanding and a growing number of flows with various constraints and characteristics must share already existing resources. Currently deployed AFDX networks do not differentiate multiple classes of traffic: messages are processed in their arrival order in the output ports of the switches (FIFO servicing policy). The purpose of this thesis is to show that it is possible to provide upper bounds of end to end transmission delays in networks that implement more advanced servicing policies, based on static priorities (Priority Queuing) or on fairness (Fair Queuing). We show how the trajectory approach, based on scheduling theory in asynchronous distributed systems can be applied to current and future AFDX networks (supporting advanced servicing policies with flow differentiation capabilities). We compare the performance of this approach with the reference tools whenever it is possible and we study the pessimism of the computed upper bounds

L'aéronautique connaît de nos jours une confluence d'événements: la connectivité bord-sol et au seinmême de l’avion ne cesse d'augmenter afin, entre autres, de faciliter le contrôle du trafic aérien et lamaintenabilité des flottes d’avions, offrir de nouveaux services pour les passagers tout en réduisant lescoûts. Les fonctions avioniques se voient donc reliées à ce qu’on appelle le Monde Ouvert, c’est-à-direle réseau non critique de l’avion ainsi qu’aux services de contrôle aérien au sol. Ces récentesévolutions pourraient constituer une porte ouverte pour les cyber-attaques dont la complexité necesse de croître également. Cependant, même si les standards de sécurité aéronautique sont encoreen cours d'écriture, les autorités de certification aéronautiques demandent déjà aux avionneursd'identifier les risques et assurer que l'avion pourra opérer de façon sûre même en cas d'attaque.Pour répondre à cette problématique industrielle, cette thèse propose une méthode simple d'analysede risque semi-quantitative pour identifier les menaces, les biens à protéger, les vulnérabilités etclasser les différents niveaux de risque selon leur impact sur la sûreté de vol et de la potentiellevraisemblance de l’attaque en utilisant une série de tables de critères d’évaluation ajustables. Ensuite,afin d'assurer que l'avion opère de façon sûre et en sécurité tout au long de son cycle de vie, notredeuxième contribution consiste en une fonction générique et autonome d'audit du réseau pour ladétection d'intrusions basée sur des techniques de Machine Learning. Différentes options sontproposées afin de constituer les briques de cette fonction d’audit, notamment : deux façons demodéliser le trafic au travers d’attributs descriptifs de ses caractéristiques, deux techniques deMachine Learning pour la détection d’anomalies : l’une supervisée basée sur l’algorithme One ClassSupport Vector Machine et qui donc requiert une phase d’apprentissage, et l’autre, non superviséebasée sur le clustering de sous-espace. Puisque le problème récurrent pour les techniques dedétection d’anomalies est la présence de fausses alertes, nous prônons l’utilisation du Local OutlierFactor (un indicateur de densité) afin d’établir un seuil pour distinguer les anomalies réelles desfausses alertes
Aeronautics is actually facing a confluence of events: connectivity of aircraft is graduallyincreasing in order to ease the air traffic management and aircraft fleet maintainability, andto offer new services to passengers while reducing costs. The core avionics functions are thuslinked to what we call the Open World, i.e. the non-critical network of an aircraft as well asthe air traffic services on the ground. Such recent evolutions could be an open door to cyberattacksas their complexity keeps growing. However, even if security standards are still underconstruction, aeronautical certification authorities already require that aircraft manufacturersidentify risks and ensure aircraft will remain in a safe and secure state even under threatconditions.To answer this industrial problematic, this thesis first proposes a simple semi-quantitative riskassessment framework to identify threats, assets and vulnerabilities, and then rank risk levelsaccording to threat scenario safety impact on the aircraft and their potential likelihood byusing adjustable attribute tables. Then, in order to ensure the aircraft performs securely andsafely all along its life-cycle, our second contribution consists in a generic and autonomousnetwork monitoring function for intrusion detection based on Machine Learning algorithms.Different building block options to compose this monitoring function are proposed such as:two ways of modeling the network traffic through characteristic attributes, two MachineLearning techniques for anomaly detection: a supervised one based on the One Class SupportVector Machine algorithm requiring a prior training phase and an unsupervised one based onsub-space clustering. Since a very common issue in anomaly detection techniques is thepresence of false alarms, we prone the use of the Local Outlier Factor (a density indicator) toset a threshold in order to distinguish real anomalies from false positives.This thesis summarizes the work performed under the CIFRE (Convention Industrielle deFormation par la Recherche) fellowship between THALES Avionics and the CNRS-LAAS atToulouse, France

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)

Les systèmes avioniques sont soumis à de fortes contraintes de criticité et de temps réel. Pour certifier de telssystèmes, il est nécessaire de calculer une borne supérieure du délai de bout en bout de chaque message transmisdans le réseau. Cette thèse se focalise principalement sur l'étude des systèmes avioniques civils utilisant le réseauAFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet), qui a été par exemple introduit dans l'architecture de l'AirbusA380.Dans ce contexte, nous nous sommes focalisés sur le calcul des délais de bout en bout des messages circulant dansle réseau. Parmi les méthodes existantes, nous nous sommes intéressés à la méthode des trajectoires proposéedans la littérature. Cette méthode permet de calculer des bornes supérieures du temps de traversée des messagesdans les noeuds d'un réseau AFDX. Notre première contribution a été de démontrer que cette méthode peutcalculer des délais bout en bout optimistes. Cette méthode ne peut donc pas sans modification être utilisée pourvalider les délais de bout en bout des messages transmis dans l'AFDX. Malgré l'identification des problèmes ausein de la méthode des trajectoires, il ne nous apparaît pas simple d'apporter une correction aux problèmes misen évidence. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une nouvelle approche pour calculer ces délais quirepose sur la caractérisation pire cas du trafic que peut rencontrer un paquet, sur chaque noeud
Avionics systems are subject to hard real-time constrainst and criticality. To certify these systems, it is neccessaryto compute the upper bound of the end-to-end delay of each message transmitted in the network. In this thesis,we mainly focus on civils avionics systems that use AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet) networkand that has been introduced in the Airbus A380 architecture.In this context, we focus in the computation of the end-to-end delays of messages crossing the network. Amongthe existing methods, we interested in the trajectory approach precedently proposed by researchers. The goal ofthis method is to compute end-to-end delay upper bounds of messages in the nodes of AFDX network. As a firstcontribution, we prove that the end-to-end delays computed by this method can be optimistic. This means thatwithout any modification, it cannot be used to validate transmission end-to-end delays for the AFDX. Despitethe identification of these optimistic problems in the trajectory approach, a solution to remove them seems notto be simple from our point of view. Hence, as a second contribution, we propose a new approach to computethese delays based on the characterization of the worst-case traffic encountered by a packet on each crossednode

La complexité et l'hétérogénéité des réseaux avioniques militaires actuels sont des freins au besoin d'accroissement de connectivité des fonctions embarquées dans les aéronefs de nouvelle génération. Ces facteurs rendent difficile la détermination des délais de communication et la vérification des contraintes temps réel. Cette thèse est une proposition de remplacement de ces réseaux par une architecture homogène basée sur la technologie de l'Ethernet commuté full duplex. Les contributions principales résident dans la conception et la validation de deux nouvelles architectures avioniques. La première est à contrôle décentralisé, basée sur un schéma de communication asynchrone ; tandis que la deuxième est à contrôle centralisé , basée sur un schéma de communication synchrone. Nous avons détaillé le principe de fonctionnement et les caractéristiques de chacune d'elles. Puis, nous avons évalué analytiquement les garanties déterministes offertes par chaque architecture avionique proposée
The current military interconnection system in no longer effective in meeting the emerging needs of next generation military applications. In fact, the complexity and heterogeneity of this network limit system modularity and make the real time constraints guarantees difficult to prove. In this thesis, Full Duplex Switched Ethernet is put forward as a future interconnection technology to replace the current military avionic architecture. Our main contributions lie in the design and validation of two new avionics architectures. The first is based on decentralized control with an asynchronous communication pattern; while the second is based on a centralized control with a synchronous communication scheme. First, we detailed the characteristics of each one. Then, delay bound analysis are conducted to evaluate the deterministic guarantees offered by each proposed architecture. Theoretical analysis are then investigated in the case of a realistic military aircarft network

Cette thèse traite de la vérification formelle de systèmes critiques où la correction du système dépend du respect des contraintes temporelles. La première partie étudie la modélisation et la vérification formelle par model-checking de systèmes temps réel dans le contexte de l’industrie aéronautique et spatiale. La deuxième partie décrit notre méthode d’exploitation des symétries pour les réseaux de Petri temporels. Nous définissons un opérateur de composition symétrique pour la construction de réseaux. Puis nous proposons des solutions pour la construction d’espaces d’états quotients par la relation d’équivalence induite par les symétries. Notre méthode s’applique aux réseaux de Petri, temporels ou non. A notre connaissance il s’agit de la première méthode applicable aux réseaux de Petri temporels. Des résultats expérimentaux encourageants sont présentés
This thesis deals with formal verification of critical systems where the system’s correction depends on compliance with time constraints. The first part studies the formal modeling and verification by model-checking of realtime systems in the context of the aerospace industry. The second part describes our method for symmetry reduction of Time Petri Net. We define a symmetric composition operator for building Net. Then we present our solution for construction of quotients of the state spaces by the equivalence relation induced by symmetries. Our method applies to Petri nets, temporal or not, but to our knowledge this is the first methodology for Time Petri Nets. Encouraging experimental results are presented

L'objectif de cette thèse est la proposition de nouvelles solutions dans le domaine des systèmes de test et de simulation avioniques et ce, à plusieurs niveaux. Dans un premier temps, nous avons proposé un modèle d'exécution dynamique permettant d'unifier les métiers du test et de la simulation, de répondre aux contraintes imposées, d'apporter de nouvelles possibilités et ainsi d'accélérer le cycle de développement des futurs équipements embarqués. Ensuite, un support matériel basé sur une architecture hétérogène CPU-FPGA a été défini afin de répondre à la problématique proposée et aux contraintes imposées par le domaine d'application telles que le respect du temps-réel et la capacité de reconfiguration dynamique hétérogène. A ce support matériel, est venue s'ajouter une méthodologie de développement permettant une meilleure prise en charge du code "legacy" de l'industriel. Enfin, un environnement unifié temps réel mou pour le test et la simulation avionique a été mis en avant, permettant de diminuer les coûts liés à la maîtrise et à la maintenance d'un nouvel environnement. Finalement, une étude de cas a permis de mettre en avant les capacités de reconfiguration dynamique et les performances de l'environnement développé.

Les avions du futur auront une topologie tout électrique. Pour cela, les constructeurs augmentent la puissance et la tension d'utilisation du réseau d'énergie embarqué. Cependant, le défaut d'arc électrique est un risque qui est souvent la cause d'incidents d'exploitation voire de crash. La contribution de cette thèse porte sur la problématique de l'identification et la détection de défauts électriques sur un réseau de distribution d'énergie de type HVDC ±270VDC destiné à l'aéronautique. Dans ce manuscrit, le premier axe suivi est exploratoire. Il porte sur l'observation du comportement et de la phénoménologie d'arc dans le milieu proche de l'aéronautique (notamment par l'émulation de l'altitude par la pression). Le second axe de recherche porte sur l'analyse, la mise au point et le développement de méthode de détection fiable d'un défaut d'arc électrique par un coeur de distribution d'énergie (SSPC) sur charges résistive et légèrement inductive. Cinq méthodes ont été développées au cours de ce travail de thèse. Elles sont basées sur l'analyse des caractéristiques temporelles, fréquentielles et temps-fréquence du courant de ligne. À l'issue de chaque méthode est produit un indicateur qui est ensuite utilisé par une logique de discrimination dépendant de chaque critère. Le comportement non-déterministe des arcs notamment aux conditions d'expérimentation (courant, tension, matériaux des électrodes, longueur de l'arc, etc.) rendent la détection difficile par un simple seuil sur le résultat des critères. Dans ces travaux, une approche proportionnelle au défaut est proposée pour la discrimination à l'aide de seuils variables selon le courant, la variation de charge ou le bruit électrique du système. Le résultat combiné des méthodes aboutit à une décision de mise en protection. Pour valider expérimentalement les algorithmes proposés, une vaste base de données a été constituée comprenant aussi bien des signaux de nature résistive que selfique avec à la fois des arcs et des variations de charges sans arcs afin de vérifier qu'aucune détection n'opère à tort. Le fruit de ces travaux a été en partie implémenté dans un prototype d'analyse en temps réel de la ligne de distribution
Tomorrow’s aircraft will have an all-electric topology. This mean, manufacturers boost power and voltage of the embedded energy network. Nevertheless, the lack of an electric arc is a risk that is often the cause of the crash or operated occurrences. This thesis contributions concerns identification issue and electric arc fault detection on an energy distribution smart grid of HVDC network dedicated to avionic. The first line of this manuscript is exploratory. It covers behavioural observation and arc phenomenology in the grounded sphere of aeronautic (in particular emulated altitude by pressure). The second line of research deals with analysis, clarification and development of reliable approach of electric arc default detection through a central energy distribution on resistive charges. Five methods have been initiated throughout this thesis paper. They are based on several characteristic (time, frequency and time-frequency) of the line current. An indicator is produced at the end of each method. Subsequently, the indicator is used by a logic of discrimination according to each criterion. The non-deterministic behaviour of arc notably testing conditions (current, voltage, electrode materials, etc. makes detection difficult by a simple threshold on result of criteria. In this work, a new approach of arc fault discrimination is proposed. This used a proportional and variable threshold according to the current, load or noise variations from the system. The combined outcome of method results to a decision providing protection. To confirm experimentally proposed algorithms, a wide range database has been established. That included equally resistive and inductive signals with both arcs and load variations without arc fault so as to ensure that any detection is not mistakenly occurring. The upshot of this research work has been implemented in real time protection device prototype for HVDC +-270V smart-grid

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

Les fibres optiques sont de plus en plus une technologie de choix dans les transmissions à haut débit embarqué de type avionique. Elles offrent plusieurs avantages en comparaison aux câbles en cuivre, en termes d'immunité aux interférences électromagnétiques, de poids réduit et surtout des capacités en hauts débits. Les lasers à cavité verticale à émission par la surface (VCSEL) sont également une solution aux performances attrayantes et peu onéreuses. Dans le cadre d'une convention de thèse CIFRE ISAE-Airbus, nous avons étudié la faisabilité d'un système Datacoms à base de VCSELs et à haut débit sur fibre optique multimode. En partant des équations d'évolution monomodes des porteurs et des photons, nous avons élaboré un modèle de la réponse d'un VCSEL émettant à 850nm, en termes de délai d'émission et de jitter induit. L'impact de la prépolarisation en dessous du seuil, avantageuse pour maximiser le rapport d'extinction, sur les performances du VCSEL est étudié. Ce modèle a été appliqué à une liaison optique sur 100m et à 1 Gb/s. De plus, dû principalement au Spatial Hole Burning, le comportement multimode d'un VCSEL et son influence sur la dispersion modale ont été analysés. Des expérimentations ont été effectuées pour caractériser la réponse en modulation du VCSEL afin de valider les prédictions issues de la théorie. Le système d'application est une liaison avionique de type AFDX (Avionic Full Duplex Switched Ethernet) qui respecte les exigences de l'IEEE 802. 3. Nous avons caractérisé une liaison optique à 1 Gb/s sur 100m et en bidirectionnel. Ce système se base sur une liaison fibrée de transmissions de données utilisant des modules intégrant un VCSEL et conçus pour une application embarquée Datacoms, aux contraintes environnementales sévères.

Dans un avion, un hélicoptère ou un lanceur actuel, des milliers de capteurs, pour la plupart non critiques sont utilisés pour la mesure de divers paramètres (températures, pressions, positions...) Les résultats sont ensuite acheminés par des fils vers les calculateurs de bord qui les traitent. Ceci implique la mise en place de centaines de kilomètres de câbles (500 km pour un avion de ligne) dont le volume est considérable. Il en résulte une grande complexité de conception et de fabrication, des problèmes de fiabilité, notamment au niveau des connexions, et une masse importante. Par ailleurs l'instrumentation de certaines zones est impossible car leur câblage est difficilement envisageable par manque d'espace. En outre, s'il est souvent intéressant d'installer de nouveaux capteurs pour faire évoluer un aéronef ancien, l'installation des câbles nécessaires implique un démantèlement partiel, problématique et coûteux, de l'appareil. Pour résoudre ces problèmes, une idée innovante a émergé chez les industriels de l'aéronautique : commencer à remplacer les réseaux filaires reliant les capteurs d'un aéronef et leur centre de décision par des réseaux sans fil. Les technologies de communication sans fil sont aujourd'hui largement utilisées dans les marchés de l'électronique de grande consommation. Elles commencent également à être déployées pour des applications industrielles comme l'automobile ou le relevé à distance de compteurs domestiques. Cependant, remplacer des câbles par des ondes représente un défi technologique considérable comme la propagation en milieu confiné, la sécurité, la sureté de fonctionnement, la fiabilité ou la compatibilité électromagnétique. Cette thèse est motivée d'une part par l'avancée non négligeable dans le milieu aérospatial que pourrait être l'établissement d'un réseau sans fil à bord d'aéronefs dans la résolution de problématique classiques comme l'allégement et l'instrumentation. Il en résulterait donc : * Une meilleure connaissance de l'environnement et de la santé de l'aéronef * Un gain sur le poids. * Un gain en flexibilité. * Un gain en malléabilité et en évolutivité. * Un gain sur la complexité. * Un gain sur la fiabilité D'autre part, étant donnée la complexité de la conception de ce réseau de capteur sans fil, il a été nécessaire d'appliquer une méthodologie évolutive et adaptée mais inspirée de l'ingénierie système. Il est envisageable, vu le nombre de sous-systèmes à considérer, que cette méthodologie soit réutilisable pour d'autre cas pratiques. Une étude aussi complète que possible a été réalisée autour de l'existant déjà établi sur le sujet. En effet, on peut en lisant ce mémoire de thèse avoir une idée assez précise de ce qui a été fait. Une liste a été dressée de toutes les technologies sans fil en indiquant leur état de maturité, leurs avantages et leurs inconvénients afin de préciser les choix possibles et les raisons de ces choix. Des projets de capteurs sans fil ont été réalisés, des technologies sans fil performantes et personnalisables ont été développées et arrivent à maturité dans des secteurs variés tels que la domotique, la santé, l'automobile ou même l'aéronautique. Cependant aucun capteur sans fil n'a été véritablement installé en milieu aérospatial car de nombreux verrous technologiques n'ont pas été levés. Fort des expériences passées, et de la maturité qu'ont prise certaines technologies, des conclusions ont été tirées des projets antérieurs afin de tendre vers des solutions plus viables. Une fois identifiés, les verrous technologiques ont été isolés. Une personnalisation de notre solution a été à envisager afin de remédier tant que faire se peut à ces points bloquants avec les moyens mis à disposition. La méthodologie appliquée nous a permis d'identifier un maximum de contraintes, besoins et exigences pour mieux focaliser les efforts d'innovation sur les plus importantes et choisir ainsi les technologies les plus indiquées.

Les lanceurs spatiaux actuels, et en particulier Ariane 5, utilisent le réseau déterministe MIL-STD-1553B. Compte tenu des nouveaux objectifs de réduction des coûts et de la masse du système global ainsi que du support de trafic de télémesure multimédia, cette technologie n'est plus forcément optimale. Parmi les différents candidats de remplacement, cette thèse met en évidence les capacités du standard Ethernet à répondre à ces nouveaux objectifs tout en s'appuyant sur une utilisation de composants matériels et d'outils de développement existants à moindre coût (COTS). La première contribution porte sur l'évaluation de performances temporelles des architectures commutées. Les travaux mettent ainsi en évidence les gains et limites liés au choix d'une part du mode de communication (de maître/esclaves à producteurs/consommateur) et d'autre part à une future distribution de l'avionique. Pour cela, cette étude s'appuie sur une évaluation déterministe des délais de bout en bout par calcul réseau, simulations et expérimentations. Ces résultats ont été validés pour deux architectures commutées pour un scénario représentatif des vols actuels. La seconde contribution concerne l'amélioration de la disponibilité du système de communication. Il est proposé une stratégie de reconfiguration "temps réel" des chemins par supervision active du réseau. Dans le cadre d'exigences critiques, il est également proposé l'utilisation d'arbres couvrants multiples permettant d'anticiper la défaillance d'éléments d'interconnexion. Enfin, le choix d'architectures commutées et segmentées ne permet plus d'observer en tout point le réseau comme sur un bus. Pour cela, cette thèse met en avant les conditions et performances dans lesquelles un protocole de synchronisation d'horloges pourra contribuer à générer à partir de plusieurs points de captures une trace unique des échanges sur le réseau. Ce travail permettra d'identifier les tests pour une future validation du standard Ethernet pour les lanceurs spatiaux
Current space launchers, and particularly Ariane 5, use the deterministic network MIL-STD-1553B. According to the new objectives of cost and system mass reduction and of multimedia traffic support, this technology is not optimal anymore. Among the potential candidates, this thesis highlights the fact that such objectives can be achieved through the use of Ethernet standard based on components-on-the-shelf. The first contribution focuses on time performance evaluation of switched architectures. The gain and limits related to the communication mode (from master/slaves to producers/consummers) and future avionic distribution are studied. This study relies on a deterministic evaluation of the end-to-end delay by using network calculus, simulations and experiments. These results are validated with two switched architectures by using a scenario considered as representative of current flights. The second contribution is the network availability improvement. A real-time path reconfiguration strategy is proposed through active network supervision. Based on critical requirements, it is also suggested to use multiple spanning-trees for anticipating network element failures. The last contribution deals with the issue that in switched and segmented architectures it is not possible to collect all the traffic as in a bus. In order to do so, this thesis introduces the configurations under which a clock synchronization protocol could contribute to generate a single network trace from many collecting points. This work will enable to identify the tests for a future Ethernet standard validation in the framework of space launchers

Dans une aviation où la sécurité des vols est au cœur des préoccupations des constructeurs, le contrôle de santé des structures est l'un des nouveaux pôles majeurs de recherche et développement engagé par la communauté aéronautique depuis ces dix dernières années. Un système SHM (structural Heath monitoring) intégré aux structures avioniques (tels que le sont déjà les systèmes de monitoring des moteurs) permettrait de : * rendre l'aviation plus sûre et éviterait certains des accidents aériens ; * réduire les coûts de maintenance ; * alléger, à terme, le poids total car cela permettrait de d'éviter les sur-renforcements structuraux actuels. Le travail développé durant cette thèse, dans le cadre d'un projet industriel, concerne le développement de solutions exploitant l'utilisation de nœuds piezoélectriques au sein de microsystèmes reconfigurables dédiés à la détection de défauts dans des éléments de structure d'avion. L'exploitation de données issues de la génération/capture d'ondes de Lamb ainsi que des techniques se basant sur l'étude de l'impédance électromécanique du capteur ont été développées et étudiées sur différents types de défauts identifiés tels que cracks, corrosion etc... La méthode proposée repose sur la comparaison et l'évolution dans le temps de signatures de réseaux de capteurs utilisant l'effet piezoélectrique et placés sur des éléments choisis de structures avioniques. L'interface capteur-matériau a été spécialement étudiée afin de garantir le couplage le plus efficace possible. Les techniques de " monitoring " ainsi développées ont été testées sur des structures aéronautiques extraites d'ATR72 et des structures sandwichs en matériaux composites. Différentes solutions d'intégration de ces capteurs et nœuds ont été passées en revue et une démarche a été proposée, allant de l'architecture des effecteurs au conditionnement et à la transmission des signaux et informations d'intéret. Une nouvelle vision de l'électronique de détection de défauts, permettant de développer une instrumentation " universelle " de capteurs à travers une combinaison de circuits numériques/analogiques reconfigurables à entrées/sorties versatiles, a été implémentée et testée avec succès.

Les nouvelles générations d'aéronefs embarquent de plus en plus de systèmes avioniques, pour augmenter à la fois la sécurité et le confort des passagers. Ces nouvelles fonctions entraînent une forte hausse des échanges de données, ce qui nécessite plus de débit et de possibilités d'interconnexion. Les bus classiques de communications avioniques ne peuvent répondre à cette nouvelle demande, ce qui a poussé les constructeurs (Airbus et Boeing) à installer à bord un réseau de communication utilisant la technologie Ethernet commuté. Le principal apport de cette thèse est le développement d'une méthode d'évaluation de performances de ce type de réseaux basée sur une modélisation en file d'attente et simulation. Nous proposons également des approches pour la classification du trafic qui réduisent l'espace de la simulation afin de permettre une analyse plus fine du comportement moyen du réseau. Les résultats de ces simplifications nous ont permis ainsi d'établir un modèle de simulation générique et d'acquérir des répartitions des délais de bout en bout pour la majorité des chemins, devant être étudiés sur la configuration avionique réelle retenue.

L'objet des travaux de cette thèse est de proposer de nouveaux processus de définition de tests (testabilité), de nouvelles méthodes de tests, ainsi que de nouvelles méthodes d'interprétation des tests (diagnostic). Ces travaux ont été menés dans le cadre de l'aéronautique et ont porté dans un premier temps sur l'identification des besoins en diagnostic des hélicoptères. Les problématiques liées au test et au diagnostic des hélicoptères portaient sur : - La non-détection de certaines défaillances - L'occurrence de nombreuses fausses alarmes - L'ambiguïté de localisation de défaillances Dans un premier temps nous avons réalisé l'état de l'art des recherches en diagnostic, ceci afin de sélectionner les technologies et méthodologies permettant de répondre aux problématiques identifiées. Les technologies candidates ont ensuite été architecturées afin de proposer un traitement intégré permettant de répondre à l'ensemble des besoins identifiés. Ainsi nous avons travaillé sur les méthodologies de définition du test, aux moyens d'outils de simulation de la testabilité. Nous avons aussi défini de nouvelles méthodes de test permettant de déterminer l'état de capteurs analogiques aux moyens d'algorithmes basés sur des évaluateurs de calcul de variation de l'écart type, du facteur de forme et du rapport signal sur bruit. Nous avons ensuite travaillé sur l'amélioration du diagnostic au niveau système à l'aide d'automates temporisés afin de simuler le fonctionnement des arbres de tests élémentaires. Ces travaux ont ensuite conduit à la modélisation et au diagnostic des systèmes complexes à l'aide des diagrammes d'état, des arbres de défaillances dynamiques, ainsi que leur simulation à l'aide des réseaux de Petri. Les modèles utilisés ont été complétés au moyen de nouvelles portes dynamiques. Ces travaux ont été appliqués au monde aéronautique, sur plusieurs hélicoptères et ont fait l'objet de deux brevets.

La complexité et l'hétérogénéité des réseaux avioniques militaires actuels sont des freins au besoin d'accroissemnt de connectivité des fonctions embarquées dans les aéronefs de nouvelle génération. Ces facteurs rendent difficile la détermination des délais de communication et la vérification des contraintes temps réel. Cette thèse est une proposition de remplacement de ces réseaux par une architecture homogène basée sur la technologie de l'Ethernet commuté full duplex. Les contributions principales résident dans la conception et la validation de deux nouvelles architectures avioniques. La première est à contrôle décentralisé, basée sur un schéma de communication asynchrone; tandis que la deuxième est à contrôle centralisé , basée sur un schéma de communication synchrone. Nous avons détaillé le principe de fonctionnement et les caractéristiques de chacune d'elles. Puis, nous avons évalué analytiquement les garanties déterministes offertes par chaque architecture avionique proposée.