Étude et conception de mécanismes de rupture et de filtrage de protocoles industriels

With the rise of Industry 4.0, many infrastructures were forced to open their networks to the Internet, mainly to meet the growing need for supervision and remote control. But where these infrastructures were previously isolated, spared from external threats, their opening has caused the emergence of new threats, particularly network ones, which were not addressed and present serious risks.Network cybersecurity solutions, like Firewalls, Intrusion Detection Systems or Intrusion Protection Systems are commonly used to address the concern of industrial infrastructures cybersecurity. However the trend of relying on software-based systems to ensure network protection brought to light the vulnerabilities of these systems, due to their inherent software implementation. Furthermore, the industry is tied to its own specificities (low-latency, support of specific network protocols), which are rarely covered by common IT solutions.The main goal of this thesis is to study the use of FPGA-based devices applied to cybersecurity for industrial networks. Either as support for software-based security applications, or to perform critical network analysis operations. First it presents the industrial context, with control systems, their architectures, needs, implementation rules, specific protocols and also gives two examples of control systemsas they can be found in the industry. Then it highlights the security problematic, with a description of the most common threats, cases study about their applications and impact in a control system, and discussions on the state of the art counter-measures available on the market. Through the establishment of a security target, it points the vulnerability of software elements and operating systems as well as the lack of process state aware security analysis.To address these issues, we propose, through a first contribution, to enforce the security of the software system by taking advantage of existing FPGA's protection mechanisms. Finally, to answer specific application threats, we introduce an implementation of a brute force matching architecture with time and operational-process awareness, on FPGA.This thesis was conducted in collaboration between the Montpellier computer science, robotic and microelectronic laboratory (LIRMM) and the SECLAB company.Avec l’essor de l'Industrie 4.0, de nombreuses infrastructures ont été contraintes d’ouvrir leurs réseaux à Internet, principalement pour répondre au besoin croissant de supervision et de contrôle à distance. Mais là où ces infrastructures étaient auparavant isolées, épargnées par les menaces extérieures, leur ouverture a provoqué l’émergence de nouveaux risques, en particulier à travers le réseau, potentiellement sérieux et qui ne sont pas couverts.Les solutions de cybersécurité, comme les pare-feux, les systèmes de détection d’intrusion ou les systèmes de protection contre les intrusions, sont couramment utilisés pour répondre aux préoccupations liées à la cybersécurité des infrastructures industrielles. Cependant, la tendance à se fier aux systèmes logiciels pour assurer la protection du réseau a mis en lumière les vulnérabilités de ces systèmes, en raison de leurs implémentations logicielles inhérentes. En outre, l’industrie est liée à ses propres spécificités (faible latence, support de protocoles réseaux spécifiques), qui sont rarement couvertes par les solutions informatiques communes.L’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’utilisation de dispositifs FPGA appliqués à la cybersécurité pour les réseaux industriels, soit comme support pour des applications de sécurité logicielle, soit pour effectuer des opérations critiques d’analyse réseau. Ce travail présente d’abord le contexte industriel, avec les systèmes de contrôle, leurs architectures, leurs besoins, les règles de mise en œuvre, les protocoles spécifiques et donne également deux exemples de systèmes de contrôle comme on peut en trouver dans l’industrie. Il met ensuite en lumière les problèmes de sécurité, avec une description des menaces les plus courantes, des études de cas sur leurs applications et leurs impacts dans un système de contrôle, et des discussions sur les contre-mesures de pointe disponibles sur le marché. Suite à l'établissement d'une cible de sécurité, nous mettrons en évidence la vulnérabilité des éléments logiciels et des systèmes d’exploitation. Nous verrons aussi comment l’absence d’analyse de sécurité tenant compte de l’état des processus peut mener à certaines vulnérabilités.Pour pallier à ces problèmes, nous proposons, par une première contribution, de renforcer la sécurité des systèmes logiciels en tirant parti des mécanismes de protection existants du FPGA. Enfin, pour répondre à des menaces applicatives spécifiques, nous proposons la mise en œuvre d’une architecture de reconnaissance de motifs, sur FPGA, prenant en considération le cadre temporel et l'état du procédé industriel. Cette thèse a été réalisée en collaboration avec le Laboratoire d'Informatique, de Robotique et de Microélectronique de Montpellier (LIRMM) et la société SECLAB