Fiabilité et sécurité du stockage distribué pour les réseaux de drones

Reliability and Security of Distributed Storage for Drone Networks

• Auteur / Autrice : Antoine Stevan
• Direction : Jérôme Lacan
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA MOIS MOdélisation et Ingénierie des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DISC/MITT Département d'Ingéniérie des Systèmes Complexes

Mots clés

Mots clés libres

Architectures et stockage distribués

Preuves à divulgation nulle

Réseaux de drones

Tolérance aux pannes

Fiabilité des données

Distributed architectures and storage

Zero-knowledge proofs

Networks of drones

Fault-tolerant

Data reliability

Résumé

## Les architectures distribuées pour les drones Le cadre général de ces travaux concerne les réseaux de drones tolérants aux pannes, accidentelles ou intentionnelles. Des solutions pour améliorer la fiabilité d'un système de stockage distribué existent déjà. Par exemple, les systèmes de type Cloud utilisent les codes à effacement au niveau stockage de fichier afin de réduire la quantité d'information nécessaire pour tolérer un certain niveau de panne. Ainsi, l'information n'est plus dupliquée, mais codée puis répartie sur plusieurs nœuds. Les systèmes de stockage distribués tels qu'ils existent aujourd'hui, ne sont pas nécessairement pensés pour les réseaux de drones. Des problématiques critiques de disponibilité et connectivité peuvent apparaître dans ce cas précis. Il est donc important d'étudier les différentes briques technologiques du stockage distribué susceptibles d'être adaptées dans le contexte d'un réseau de drone. De plus, la topologie du réseau dans une flotte de drone peut être très dynamique. Ceci implique une faible densité de connectivité et même dans certains cas, le partitionnement du réseau. Cela peut donc amener à différentes stratégies de distribution spatiale de l'information (rôles différenciés pour les drones, différents niveaux de criticité pour la donnée). Un des objectifs de la thèse sera de définir une architecture logicielle permettant de déployer et de tester ces différents mécanismes dans un démonstrateur du projet Dragoon. ## Vérifiabilité de la donnée dans un réseau pair a pair Parmi les mécanismes évoqués ci-dessus, les codes à effacement améliorent la disponibilité des données en permettant de tolérer plusieurs pannes de serveurs de stockage (i.e. de drones) sans augmenter drastiquement la quantité d'information redondante. La communication inter-drone peut elle aussi subir des pertes. Des protocoles assurant une meilleure fiabilité ont été développés, et l'ISAE est en train de standardiser l'un d'eux à l'IETF. Ces deux aspects, communication et stockage, s'appuient sur les mêmes techniques pour augmenter la fiabilité. Une des faiblesses de ces codes est que des attaquants peuvent générer des fausses données codées, ce qui peut bloquer l'opération de décodage. Pour éviter ces attaques, nous pensons que certaines preuves à divulgation nulle de connaissance (Zéro-Knowledge - ZK) pourraient être utiles. En effet, ces preuves apportent plusieurs propriétés : • Confidentialité : Les preuves à divulgation nulles permettent de vérifier l'intégrité et éventuellement l'authenticité des données sans révéler les données elles-mêmes. • Fiabilité : les preuves permettent de vérifier la validité d'une donnée sans tiers de confiance • Réduction de la bande passante : ces preuves étant succinctes, elles nécessitent peu de bande passante pour transmettre les données de vérification, ce qui peut être important pour les réseaux de drones qui opèrent dans des zones avec de fortes contraintes de bande passante • Scalabilité : les preuves pouvant être agrégées, elles peuvent permettre la vérification d'une quantité importante de données avec des taille des preuves raisonnables. Nous proposons donc, dans cette partie de la thèse, d'étudier l'intégration de preuves à divulgation nulle de connaissance non interactives dans le contexte d'un réseau de drones. En particulier, nous souhaitons étudier leur usage dans le cadre du système de stockage distribué. En effet, ces preuves pourraient par exemple prouver qu'un fichier a bien été généré par l'exécution d'un programme donné par un drone et que le résultat n'a pas été corrompu. On peut également adapter ces preuves à des algorithmes de génération de redondance comme les codes à effacement. Le principe serait d'adjoindre aux données codées certaines preuves permettant de certifier qu'un drone a bien généré une donnée, même si celle-ci est codée. L'ajout de ces preuves succinctes permettrait de détecter les données codées corrompues et ainsi d'éviter des échecs du décodage. ## Evaluation de performances Dans cette thèse, de nouvelles briques de fiabilisation (codes à effacement) et de sécurisation (preuves à divulgation nulle) seront adaptées au contexte des réseaux de drones. Il sera important d'évaluer et de mesurer leur impact en les comparant aux technologies actuelles. En effet, si les nouvelles propriétés obtenues grâce à ces techniques sont prometteuses, il est important d'évaluer la faisabilité de leur déploiement sur des drones. Ces derniers ayant des capacités limitées, il est important de quantifier et d'identifier les besoins en ressource, que ce soit en termes de puissance de calcul et de consommation mémoire de ces mécanismes. Une évaluation complète des différentes solutions sera nécessaire et devrait donner lieu à une contribution scientifique mettant en avant toute la partie ingénierie du projet AID Dragoon.

## Distributed Architectures for Drones The general framework of these works concerns fault-tolerant networks of drones, whether the faults are accidental or intentional. Solutions already exist to enhance the reliability of a distributed storage system. For instance, cloud-type systems use erasure codes at the file storage level to reduce the amount of information needed to tolerate a certain level of failure. Thus, information is no longer duplicated but encoded and distributed across multiple nodes. Distributed storage systems as they exist today are not necessarily designed for drone networks. Critical issues of availability and connectivity can arise in this specific case. Hence, it is important to study the various technological components of distributed storage that can be adapted in the context of a drone network. Moreover, the network topology in a drone fleet can be highly dynamic. This implies low connectivity density and, in some cases, network partitioning. This can lead to different strategies for spatial information distribution (different roles for drones, varying levels of data criticality). One of the objectives of the thesis will be to define a software architecture to deploy and test these different mechanisms in a demonstrator for the Dragoon project. ## Data Verifiability in a Peer-to-Peer Network Among the mechanisms mentioned above, erasure codes improve data availability by allowing tolerance of multiple storage server (i.e., drone) failures without significantly increasing redundant information. Inter-drone communication can also suffer losses. Protocols ensuring better reliability have been developed, and ISAE is in the process of standardizing one of them at IETF. These two aspects, communication and storage, rely on the same techniques to increase reliability. One weakness of these codes is that attackers can generate false encoded data, which can disrupt the decoding process. To counter these attacks, we believe that certain zero-knowledge proof mechanisms could be useful. Indeed, these proofs offer several properties: - Confidentiality: Zero-knowledge proofs allow verifying data integrity and potentially authenticity without revealing the actual data. - Reliability: The proofs enable data validity verification without the need for a trusted third party. - Bandwidth reduction: These succinct proofs require minimal bandwidth to transmit verification data, which is crucial for drone networks operating in bandwidth-constrained areas. - Scalability: As proofs can be aggregated, they can facilitate verifying a significant amount of data with reasonable proof sizes. In this part of the thesis, we propose to study the integration of non-interactive zero-knowledge proofs in the context of a drone network. Particularly, we want to explore their use within the framework of distributed storage systems. For example, these proofs could verify that a file was indeed generated by the execution of a specific program by a drone and that the result has not been corrupted. These proofs can also be adapted to redundancy generation algorithms like erasure codes. The idea is to append certain proofs to the encoded data to certify that a drone did generate a piece of data, even if it's encoded. Adding these succinct proofs could detect corrupted encoded data and prevent decoding failures. ## Performance Evaluation In this thesis, new reliability components (erasure codes) and security features (zero-knowledge proofs) will be adapted to the context of drone networks. It will be important to evaluate and measure their impact by comparing them to current technologies. Indeed, if the new properties obtained through these techniques are promising, it's crucial to assess their feasibility for deployment on drones. Since drones have limited capabilities, quantifying and identifying resource requirements, both in terms of computing power and memory consumption of these mechanisms, is essential. A comprehensive evaluation of various solutions will be necessary and should lead to a scientific contribution highlighting the entire engineering aspect of the AID Dragoon project.