Étude et conception d'une gestion décentralisée des données du trafic routier basée sur la Blockchain dans un réseau VANET (Réseaux ad hoc véhicules)

Study and Design of Blockchain-based Decentralized Road Traffic Data Management in VANET (Vehicular Ad hoc NETworks)

• Auteur / Autrice : El-hacen Diallo
• Direction : Khaldoun Al Agha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 01/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interdisciplinaire des sciences du numérique (Orsay, Essonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Urien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Houda Labiod, Nadjib Ait Saadi, Guy Pujolle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Potop-Butucaru, Houda Labiod

Mots clés

Mots clés contrôlés

Blockchains

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Réseaux ad hoc de véhicules

Véhicules autonomes

Mots clés libres

Véhicules autonomes

Réseaux ad hoc véhicules (VANET)

Sécurité des données routières

Blockchain

Preuve de travail (PoW)

Tolérance de panne byzantine pratique (PBFT)

Autonomous Vehicles

Vehicular Ad hoc NETworks (VANET)

Road Traffic Data Security

Blockchain

Proof of Work (PoW)

Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)

Résumé

La prolifération des véhicules autonomes a imposé la nécessité d'une gestion plus sécurisée des données du trafic routier (c'est-à-dire les événements liés aux accidents, l'état de la circulation, le rapport d'attaque, etc.) dans les réseaux Ad hoc pour véhicules (VANET). Les systèmes centralisés traditionnels répondent à ce besoin en exploitant des serveurs distants éloignés des véhicules. Cette solution n’est pas optimale, car les données relatives au trafic routier doivent être distribuées et mises en cache de manière sécurisée à proximité des véhicules. Cela améliore la latence et réduit la surcharge sur la bande passante du réseau de communication.La technologie Blockchain est apparue comme une solution prometteuse grâce à sa propriété de décentralisation. Certaines questions restent néanmoins sans réponse. Comment concevoir une validation appropriée des données du trafic routier par blockchain, qui semble plus complexe qu'une transaction financière ? Quelles sont les performances attendues dans les scénarios VANET ?Cette thèse offre des réponses à ces questions en concevant une gestion des données du trafic routier adaptée aux contraintes imposée par la blockchain. La performance ainsi que la validité des protocoles proposés sont ensuite évaluées à travers diverses simulations de scénarios pris d’un trafic routier réel.Nous proposons d'abord une adaptation du mécanisme de consensus Preuve de Travail (PoW) dans un réseau VANET, où les infrastructures situées aux bords de routes (RSUs) maintiennent une base de données décentralisée des données du trafic routier. Ensuite, une évaluation rigoureuse des performances en présence de véhicules malveillants est réalisée. Les résultats ont montré que le schéma proposé permet de construire une base de données sécurisée et décentralisée des données du trafic routier au niveau des RSUs.Ensuite, motivés par nos résultats, nous utilisons PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance), un mécanisme de consensus établi grâce au vote, pour réduire la latence dans le processus de validation dans une blockchain. Les RSUs validatrices de données de trafic sont sélectionnées dynamiquement en fonction de la localisation des événements du trafic. Nous proposons un nouveau schéma de réplication de la blockchain entre les RSUs. Cette réplication choisit un compromis entre les performances en termes de latence et la fréquence de réplication des blocs de la chaine. Les résultats de simulation montrent de meilleures performances, lorsque les RSUs validatrices, sont réduites au minimum.Dans la dernière partie de la thèse, nous proposons un modèle de confiance pour réduire au minimum le nombre de validatrices sans compromettre la décentralisation et l'équité de la création de blocs. Ce modèle de confiance s'appuie sur la distance géographique et la confiance des RSUs pour former dynamiquement un groupe de validateurs pour chaque bloc de la chaîne. Nous formalisons et évaluons ce modèle de réputation, en considérant divers scénarios avec des RSUs malicieuses. Les résultats démontrent l'efficacité de la proposition pour minimiser le groupe de validateurs tout en isolant les RSUs malicieuses.

The prominence of autonomous vehicles has imposed the need for more secure road traffic data (i.e., events related to accidents, traffic state, attack report, etc.) management in VANET (Vehicular Ad hoc NETworks). Traditional centralized systems address this need by leveraging remote servers far from the vehicles. That is not an optimal solution as road traffic data must be distributed and securely cached close to cars to enhance performance and reduce bandwidth overhead. Blockchain technology offers a promising solution thanks to its decentralization property. But some questions remain unanswered: how to design blockchain-adapted traffic data validation, which is more complex than an economic transaction? What is the performance in real-world VANET scenarios?This thesis addresses those questions by designing blockchain-adapted traffic data management. The performance analysis and the validation of the proposed schemes are conducted through various simulations of real scenarios.We first adapt the PoW (Proof of Work) consensus mechanism to the VANET context whereby the RSUs (Road Side Units) maintain the decentralized database of road traffic data. After that, the proposed scheme is evaluated in the presence of malicious vehicles. The results show that the proposed approach enables a secure and decentralized database of road traffic data at the RSUs level.Next, motivated by our findings, we adopt PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance), a voting-based consensus mechanism, to reduce the blockchain latency. The traffic data validators are dynamically selected based on traffic event appearance location. Finally, we propose a novel blockchain replication scheme between RSUs. This scheme offers a trade-off between the blockchain latency and replication frequency. Simulation results show better performance when the validators (i.e., RSUs) are minimized.Finally, we propose a trust model to minimize the validators without compromising the decentralization and fairness of block-creation. This trust model leverages the geographical distance and the RSUs trust to dynamically form a group of validators for each block in the blockchain. We formalize and evaluate this trust model, considering various scenarios with malicious RSUs. Results show the efficiency of the proposed model to minimize the validators group while isolating malicious RSUs.