Plateforme de gestion distribuée basée sur la technologie blockchain pour les environnements de l'industrie 4.0

The evolution of the Internet of Things (IoT) started decades ago as part of the first face of the digital transformation, its vision has further evolved due to a convergence of multiple technologies, ranging from wireless communication to the Internet and from embedded systems to micro-electromechanical systems. As a consequence thereof, IoT platforms are being heavily developed, smart factories are being planned to revolutionize the industry organization and both security and trust requirements are becoming more and more critical. The integration of such technologies within the manufacturing environment and processes in combination with other technologies has introduced the fourth industrial revolution referred to also as Industry 4.0. In this future world machines will talk to machines (M2M) to organize the production and coordinate their actions. However opening connectivity to the external world raises several questions about data and IT infrastructure security that were not an issue when devices and machines were controlled locally and just few of them were connected to some other remote systems. That’s why ensuring a secure communication between heterogeneous and reliable devices is essential to protect exchanged information from being stolen or tampered by malicious cyber attackers that may harm the production processes and put the different devices out of order. Without appropriate security solutions, these systems will never be deployed globally due to all kinds of security concerns. That’s why ensuring a secure and trusted communication between heterogeneous devices and within dynamic and decentralized environments is essential to achieve users acceptance and to protect exchanged information from being stolen or tampered by malicious cyber attackers that may harm the production processes and put the different devices out of order. However, building a secure system does not only mean protecting the data exchange but it requires also building a system where the source of data and the data itself is being trusted by all participating devices and stakeholders. In this thesis our research focused on four complementary issues, mainly (I) the dynamic and trust based management of access over shared resources within an Industry 4.0 based distributed and collaborative system, (ii) the establishment of a privacy preserving solution for related data in a decentralized architecture while eliminating the need to rely on additional third parties, (iii) the verification of the safety, the correctness and the functional accuracy of the designed framework and (iv) the evaluation of the trustworthiness degree of interacting parties in addition to the secure storage and sharing of computed trust scores among them in order to guarantee their confidentiality, integrity and privacy. By focusing on such issues and taking into account the conventional characteristics of both IoT and IoT enabled industries environments, we proposed in this thesis a secure and distributed framework for resource management in Industry 4.0 environments. The proposed framework, enabled by the blockchain technology and driven by peer to peer networks, allows not only the dynamic access management over shared resources but also the distribute governance of the system without the need for third parties that could be their-selves vulnerable to attacks. Besides and in order to ensure strong privacy guarantees over the access control related procedures, a privacy preserving scheme is proposed and integrated within the distributed management framework. Furthermore and in order to guarantee the safety and the functional accuracy of our framework software components, we focused on their formal modeling in order to validate their safety and compliance with their specification. Finally, we designed and implemented the proposal in order to prove its feasibility and analyze its performances.En raison de l'avancement technologique dans les domaines des communications sans fil ainsi que ceux de l’informatique mobile et embarquée, les frontières entre les mondes physique et digital se rétrécissent pour introduire une nouvelle technologie également appelée l’internet des objets. Cette technologie est en train de devenir une partie intégrante de nos vies. Allant des capteurs de puissance et capabilités réduites, aux Appareils électroménagers intelligents et objets de télé santé jusqu’aux usines interconnectées et intelligentes dans lesquelles les employés, les machines, les processus, les services et même les produits interagissent de manière à fournir une meilleure adaptabilité dans la production ainsi qu’une allocation plus efficace des ressources, et ce, pour répondre plus rapidement au marché, d’une façon plus personnalisée et à moindre coût. L'intégration de ces technologies dans l'environnement et les processus de fabrication en combinaison avec d'autres technologies telles que le cloud computing, les systèmes physiques cybernétiques, les technologies de l'information et de la communication ainsi que l’analyse des données et l’intelligence artificielle a introduit la quatrième révolution industrielle appelée également Industrie 4.0. Dans ce futur monde, les machines parleront aux machines (M2M) pour organiser la production et coordonner leurs actions en fonction des informations collectées et échangées entre les différents capteurs et entités. Cependant, l'ouverture de la connectivité au monde externe soulève plusieurs questions sur la sécurité des données qui n'étaient pas un problème lorsque les appareils étaient contrôlés localement et que seuls quelques-uns d'entre eux étaient connectés à d'autres systèmes distants. Les risques de sécurité de tels objets représentent des ressources potentielles pour des acteurs malveillants. Une fois compromises, ces ressources peuvent être utilisées dans des attaques à large échelle contre d’autres systèmes. C’est pourquoi il est essentiel d’assurer une communication sécurisée entre les différents appareils hétérogènes déployés dans des environnements dynamiques et décentralisés pour protéger les informations échangées contre le vol ou la falsification par des cyber attaquants malveillants et par conséquent obtenir l'acceptation des utilisateurs de telles solutions. Dans cette direction, cette thèse est concentrée sur quatre questions complémentaires, principalement (1) la Gestion dynamique, basée sur la confiance de l'accès aux ressources partagées au sein d'un système distribué et collaboratif de l’industrie 4.0, (2) le protection des données personnelles et sensibles des utilisateurs tout au long des procédures de gestion d’accès et tout en éliminant le besoin de s'appuyer sur des tiers supplémentaires, (3) la vérification de la sécurité ainsi que l'exactitude fonctionnelle du cadre conçu et enfin (4) l'évaluation de degré de confiance fiabilité des parties en interaction en plus du stockage sécurisé des informations relatives afin de garantir leur confidentialité, intégrité et traçabilité. En se concentrant sur ces questions et en tenant compte des caractéristiques conventionnelles des environnements IoT et IIoT, nous avons proposé dans cette thèse un environnement générique sécurisé et décentralisé de gestion des ressources dans les environnements Industrie 4.0. Le cadre spécifié basé sur la technologie blockchain et piloté par un réseau peer to peer permet non seulement la gestion dynamique d’accès aux ressources partagées mais aussi la gouvernance distribuée du système, la protection de vie privée, la gestion de confiance et la vérification formelle des spécifications établies afin de valider leur respect des spécifications établies. Enfin, une conception et mise en œuvre de la plateforme est assurée afin de prouver sa faisabilité et d'analyser ses performances