Amélioration de la sécurité des systèmes cyber-physiques : stratégies de détection et d'atténuation

Enhancing Cyber-Physical System Security : Detection and Mitigation Strategies

• Auteur / Autrice : Álan E sousa
• Direction : Noureddine Manamanni, Nadhir Messai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : ATS - Automatique et Traitement de Signal
• Date : Soutenance le 26/09/2024
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Reims, Marne ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe ATS-CRESTIC
• Jury : Président / Présidente : Christophe Sueur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Noureddine Manamanni, Nadhir Messai, Taous-Meriem Laleg Kirati, Valter Júnior de Souza Leite, Mohamed Djemai, Frédéric Hamelin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Taous-Meriem Laleg Kirati, Valter Júnior de Souza Leite

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liapounov, Stabilité de

Attaques par déni de service

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Cyberdéfense

Fiabilité

Industrie 4.0

Objets coopérants (informatique)

Mots clés libres

Systèmes Cyber-Physiques

Smart Factories

Sûreté de fonctionnement

Surveillance distribuée

Détection d'attaque

Cyber-Physical systems

Smart Factories

Guarantee of working condition

Distributed monitoring

Attack detection

Résumé

Les systèmes cyber-physiques (SCP) se situent à l'intersection des opérations physiques, des technologies informatiques et des communications réseau. Ces systèmes sont fondamentaux pour l'infrastructure des environnements de fabrication intelligente, fournissant les moyens d'un contrôle amélioré, d'une optimisation et d'une adaptabilité au sein de divers processus de production. Cette thèse se penche sur les défis associés à la protection des SCP contre une large gamme de menaces cybernétiques qui posent des risques pour la sécurité de ces systèmes. À travers l'application de stratégies de contrôle de pointe telles que l'Observabilité Fonctionnelle et la Théorie des Échelles de Temps, ce travail introduit des méthodes innovantes visant la détection et l'atténuation de l'Injection de Données Fausses (IDF), des Attaques de Dynamique Nulle (ADN), et du Déni de Service (DoS). Ces menaces cybernétiques sont identifiées comme prévalentes et dommageables dans le contexte des SCP industriels. L'incorporation stratégique des textit{observateurs fonctionnels}, l'application du cadre analytique des Échelles de Temps, et l'utilisation du critère de stabilité de Lyapunov se démarquent comme contributions notables au domaine de la sécurité des SCP. Ces approches offrent de nouvelles perspectives et des solutions robustes aux défis multifacettes que rencontrent les systèmes cyber-physiques. De plus, l'efficacité des solutions proposées est testée et validée à travers une combinaison d'études expérimentales et de simulation. Ces efforts de validation soulignent la capacité des améliorations de sécurité proposées à élever les mesures protectrices au sein des environnements de fabrication intelligente. En conséquence, cette travail de thèse repousse non seulement les limites des connaissances actuelles dans le domaine de la sécurité des SCP, mais établit également une base solide pour les recherches en cours et futures visant à renforcer l'infrastructure numérique essentielle au fonctionnement des industries intelligentes. À travers cette étude, la thèse aspire à contribuer de manière significative au développement de systèmes cyber-physiques plus sûrs, fiables et résilients, soutenant ainsi l'évolution continue des technologies de fabrication intelligente.

Cyber-physical systems (CPS) stand at the intersection of physical operations, computing technologies, and network communications. These sophisticated systems are fundamental to the infrastructure of smart manufacturing environments, providing the means for improved control, optimization, and adaptability within various production processes. This thesis delves into addressing the significant challenges associated with safeguarding CPS from a wide range of cyber threats that pose risks to the operational integrity and overall safety of these systems. Through the application of cutting-edge control strategies like Functional Observability and Time-Scale Theory, this work introduces innovative methods aimed at the early detection and effective mitigation of False Data Injection (FDI), Zero-Dynamics Attacks (ZDA), and Denial of Service (DoS). These particular cyber threats are identified as especially prevalent and damaging within the context of industrial CPS. The strategic incorporation of textit{functional observers}, the application of the Time-Scale analytical framework, and the use of the Lyapunov stability criterion stand as notable contributions to the domain of CPS security. These approaches provide fresh insights and robust solutions to the multifaceted challenges that cyber-physical systems encounter. Moreover, the efficacy of the proposed solutions is tested and validated through a combination of simulation and hands-on experimental studies. These validation efforts underscore the capability of the proposed security enhancements to elevate the protective measures within smart manufacturing environments. Consequently, this thesis not only pushes the boundaries of current knowledge in the field of CPS security but also establishes a solid foundation for ongoing and future researches aimed at fortifying the digital infrastructure essential to the operation of smart industries. Through this study, the thesis aspires to contribute meaningfully to the development of more secure, reliable, and resilient cyber-physical systems, thereby supporting the continued evolution of smart manufacturing technologies.