Safe and secure model-driven design for embedded systems

La présence de systèmes et d'objets embarqués communicants dans notre vie quotidienne nous a apporté une myriade d'avantages, allant de l'ajout de commodité et de divertissement à l'amélioration de la sûreté de nos déplacements et des soins de santé. Cependant, les défauts et les vulnérabilités de ces systèmes exposent leurs utilisateurs à des risques de dommages matériels, de pertes financières, et même des dommages corporels. Par exemple, certains véhicules commercialisés, qu'ils soient connectés ou conventionnels, ont déjà souffert d'une variété de défauts de conception entraînant des blessures et la mort. Dans le même temps, alors que les véhicules sont de plus en plus connectés (et dans un avenir proche, autonomes), les chercheurs ont démontré la possibilité de piratage de leurs capteurs ou de leurs systèmes de contrôle interne, y compris l'injection directe de messages sur le bus CAN.Pour assurer la sûreté des utilisateurs et des passants, il faut considérer plusieurs facteurs. La sûreté conventionnelle suggère qu'un système ne devrait pas contenir de défauts logiciels et matériels qui peuvent l'empêcher de fonctionner correctement. La "sûreté de la fonction attendue" consiste à éviter les situations que le système ou ses composants ne peuvent pas gérer, comme des conditions environnementales extrêmes. Le timing peut être critique pour certains systèmes en temps réel, car afin d'éviter des situations dangereuses, le système devra réagir à certains événements, comme l'évitement d'obstacles, dans un délai déterminé. Enfin, la sûreté d'un système dépend de sa sécurité. Un attaquant qui peut envoyer des commandes fausses ou modifier le logiciel du système peut changer son comportement et le mettre dans diverses situations dangereuses. Diverses contre-mesures de sécurité et de sûreté pour les systèmes embarqués, en particulier les véhicules connectés, ont été proposées. Pour mettre en oeuvre correctement ces contre-mesures, il faut analyser et vérifier que le système répond à toutes les exigences de sûreté, de sécurité et de performance, et les faire la plus tôt possible dans les premières phases de conception afin de réduire le temps de mise sur le marché, et éviter les reprises. Cette thèse s'intéresse à la sécurité et la sûreté des les systèmes embarqués, dans le contexte du véhicule autonome de l'Institut Vedecom. Parmi les approches proposées pour assurer la sûreté et la sécurité des les systèmes embarqués, l'ingénierie dirigée par modèle est l'une de ces approches qui couvre l'ensemble du processus de conception, depuis la définition des exigences, la conception du matériel et des logiciels, la simulation/vérification formelle et la génération du code final. Cette thèse propose une méthodologie de modélisation pour une conception sûre et sécurisée, basée sur la méthodologie SysML-Sec, qui implique de nouvelles méthodes de modélisation et de vérification. La modélisation de la sécurité est généralement effectuée dans les dernières phases de la conception. Cependant, la sécurité a un impact sur l'architecture/allocation; les décisions de partitionnement logiciel/matériel devraient être prises en fonction de la capacité de l'architecture à satisfaire aux exigences de sécurité. Cette thèse propose comment modéliser les mécanismes de sécurité et l'impact d'un attaquant dans la phase de partitionnement logiciel/matériel. Comme les protocoles de sécurité ont un impact négatif sur le performance d'un système, c'est important de mesurer l'utilisation des composants matériels et les temps de réponse du système. Des composants surchargés peuvent entraîner des performances imprévisibles et des retards indésirables. Cette thèse traite aussi des mesures de latence des événements critiques pour la sécurité, en se concentrant sur un exemple critique pour les véhicules autonomes : le freinage/réponse après la détection d'obstacles. Ainsi, nos contributions soutiennent la conception sûre et sécurisée des systèmes embarqués.The presence of communicating embedded systems/IoTs in our daily lives have brought a myriad of benefits, from adding conveniences and entertainment, to improving the safety of our commutes and health care. However, the flaws and vulnerabilities in these devices expose their users to risks of property damage, monetary losses, and personal injury. For example, consumer vehicles, both connected and conventional, have succumbed to a variety of design flaws resulting in injuries and death. At the same time, as vehicles are increasingly connected (and in the near future, autonomous), researchers have demonstrated possible hacks on their sensors or internal control systems, including direct injection of messages on the CAN bus.Ensuring the safety of users or bystanders involves considering multiple factors. Conventional safety suggests that a system should not contain software and hardware flaws which can prevent it from correct function. `Safety of the Intended Function' involves avoiding the situations which the system or its components cannot handle, such as adverse extreme environmental conditions. Timing can be critical for certain real-time systems, as the system will need to respond to certain events, such as obstacle avoidance, within a set period to avoid dangerous situations. Finally, the safety of a system depends on its security. An attacker who can send custom commands or modify the software of the system may change its behavior and send it into various unsafe situations. Various safety and security countermeasures for embedded systems, especially connected vehicles, have been proposed. To place these countermeasures correctly requires methods of analyzing and verifying that the system meets all safety, security, and performance requirements, preferably at the early design phases to minimize costly re-work after production. This thesis discusses the safety and security considerations for embedded systems, in the context of Institut Vedecom's autonomous vehicle. Among the proposed approaches to ensure safety and security in embedded systems, Model-Driven Engineering is one such approach that covers the full design process, from elicitation of requirements, design of hardware and software, simulation/formal verification, and final code generation. This thesis proposes a modeling-based methodology for safe and secure design, based on the SysML-Sec Methodology, which involve new modeling and verification methods. Security modeling is generally performed in the last phases of design. However, security impacts the early architecture/mapping and HW/SW partitioning decisions should be made based on the ability of the architecture to satisfy security requirements. This thesis proposes how to model the security mechanisms and the impact of an attacker as relevant to the HW/SW Partitioning phase. As security protocols negatively impact performance, it becomes important to measure both the usage of hardware components and response times of the system. Overcharged components can result in unpredictable performance and undesired delays. This thesis also discusses latency measurements of safety-critical events, focusing on one critical to autonomous vehicles: braking as after obstacle detection. Together, these additions support the safe and secure design of embedded systems