Offre de thèse
Contrôle et vérification basés sur la blockchain des contrats de service déterministe pour les réseaux temps-réel multi-domaines à grande échelle
Date limite de candidature
13-05-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
SONG Ye Qiong
Encadrement
Réunion d'avancement bimensuelle, comité du suivi de thèse, rapport d'avancement annuel.
Type de contrat
école doctorale
équipe
SIMBIOTcontexte
Réseaux temps réel large échelle, garantie de performance déterministespécialité
Informatiquelaboratoire
LORIA - Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications
Mots clés
Réseaux temps réel, Contrat de service, perfromance déterministe, blockchain, Réseaux multi-domaines, time sensitive networking
Détail de l'offre
Contexte :
Les réseaux temps-réels sont utilisés dans de nombreux systèmes cyber-physiques critiques dans les véhicules, les satellites, les centrales électriques, ... Ces réseaux ont gagné en importance au fil des années et ils sont maintenant utilisés dans une grande variété d'applications, allant des voitures autonomes, des usines intelligentes (industrie 4.0), aux cœurs de réseau 5G. Tandis que les réseaux publics traditionnels visent à améliorer les performances moyennes du service (ping moyen, débit moyen), les réseaux temps-réels fournissent des garanties de pire-cas (garantie d'une latence maximale, garantie d'absence de pertes, etc.).
Les réseaux temps-réels des petits systèmes cyber-physiques (par exemple, un avion) utilisent des technologies spécifiques de couche 2 comme IEEE TSN [TSN] pour fournir une latence déterministe. De plus, leur sûreté de fonctionnement est garantie par des processus de validation et de certification. La plupart du temps, les autorités de certification exigent des preuves formelles du comportement temporel du réseau [LeBoudec01]. Les besoins pour des systèmes cyber-physiques plus grands (par exemple, une usine) commencent seulement à être traités par le groupe de travail IETF DETNET [DETNET23]. Ce groupe vise à fournir des réseaux déterministes à plus grande échelle et sur plusieurs technologies (5G, TSN).
Le contrôle de très grands systèmes cyber-physiques (tels que les systèmes de réseau électrique intelligents, la gestion du trafic des drones, les réseaux de véhicules à grande échelle, etc.) nécessite une expansion supplémentaire de la taille des réseaux temps-réel (par exemple, jusqu'à l'échelle d'un pays, d'un continent). Cette expansion reste un problème ouvert : à cette échelle, les composants du système peuvent être répartis sur des zones éloignées, avec des connexions de bout en bout traversant des frontières administratives, ce qui rend difficile l'identification des responsabilités en cas d'événement catastrophique. Ces problèmes sont si contraignants que le groupe de travail DETNET se 'concentre sur les solutions pour les réseaux qui sont sous un seul contrôle administratif' et 'ne consacrera pas d'énergie aux solutions pour de grands groupes de domaines tels qu'Internet' (traduit) [DETNET23].
Description du projet :
L'objectif de cette thèse est d'aller au-delà du cadre actuel du groupe de travail DETNET et de proposer une approche basée sur la blockchain pour les réseaux déterministes multi-domaines à grande échelle où les acteurs (opérateurs, clients) ne se font pas confiance. Dans la littérature, quelques solutions ont été proposées pour effectuer des mesures de performances vérifiables sur Internet et détecter les violations de contrat de service [Argyraki10]. Cependant, ces solutions ne sont pas applicables aux réseaux temps-réel car elles reposent sur l'échantillonnage et la mesure des performances d'un sous-ensemble de paquets. Or, la sécurité des systèmes critiques repose sur chaque paquet. D'autres approches sont adaptées aux réseaux temps-réel, mais sont limitées à un seul opérateur et ne gèrent pas les situations de conflits [Faisal20]. Pour dépasser les limitations de la littérature actuelle, les objectifs du projet sont donc :
– Étudier les algorithmes distribués qui permettent à un client de demander un service déterministe pour un chemin qui traverse plusieurs opérateurs. Ces algorithmes devraient également encourager les opérateurs à collaborer entre eux grâce à un paiement adéquat de la part du client et à une répartition équitable du paiement aux opérateurs impliqués dans le service de bout en bout.
– Étudier les infrastructures de contrats intelligents pour enregistrer les contrats de service déterministe et effectuer le paiement de la prime et/ou des pénalités en cas de violation du contrat.
– Étudier les approches pour la vérification en fonctionnement du niveau de service déterministe dans un contexte où les parties prenantes ne se font pas confiance.
Keywords
Real-time networks, smart contract, deterministic performance, blockchain, multi-domain networks, time sensitive networking
Subject details
Background: Time-sensitive networks are used for safety-critical cyber-physical systems (CPSs) in vehicles, planes, satellites or even power plants. Their significance has been increasing over the years and they are now used in many more applications, ranging from autonomous cars, automated manufactures (industry 4.0) to 5G backbone networks. While traditional public networks aim at improving the mean service performances (mean round trip time, mean throughput), time-sensitive networks provide guarantees for the worst case (e.g. guarantee of a maximal latency, guarantee of no loss, …). Time-sensitive networks for small-scale CPSs (e.g., a car, a plane) use specific layer-2 technologies like IEEE TSN [TSN] for providing deterministic latency. Moreover, safety-critical CPSs rely on extensive validation and certification processes. Most of the time, certification authorities require formal proofs of the network timing behavior [LeBoudec01]. The need for larger CPSs (e.g., a factory) starts being addressed only with the IETF DETNET working group [DETNET23] that aims to provide larger-scale deterministic networks across several technologies (5G, TSN). Controlling large-scale CPSs (such as smart-grid systems, unmanned traffic management, large-scale vehicular networks, ...) requires further expanding the size of time-sensitive networks (e.g., up to the scale of a country, continent). This expansion remains an open issue: At this scale, system components can be spread over remote areas, with end-to-end connections crossing administrative boundaries, making liabilities hard to assess in case of catastrophic events. These non-technical issues are so restraining that the DETNET working group “focus[es] on solutions for networks that are under a single administrative control” and “will not spend energy on solutions for large groups of domains such as the Internet” [DETNET23]. Project description: The goal of this Ph.D. is to go beyond the current charter of the DETNET working group and to provide a blockchain-based approach of multi-domain large-scale deterministic networking where the stakeholders (multiple operators, multiple customers) do not trust each other. In the literature, a few solutions have been proposed for performing verifiable network-performance measurements and detecting service-level agreement (SLA) violations in the multi-domain Internet [Argyraki10]. However, these solutions are not applicable to time-sensitive networks because they rely on sampling and measuring the performance of a subset of packets, whereas the safety of critical CPSs rely on each and every packet. Other approaches are tailored to time-sensitive flows, but are limited to a single operator and do not address conflicts [Faisal20]. To address the limitations of the literature, the project goals are: – To investigate the distributed algorithms that allow a customer to request a deterministic service for a path that crosses several operators. These algorithms should also encourage the operators to collaborate with each other through adequate payment from the customer and equitable distribution of the payment to the operators involved in the end-to-end service. – To investigate smart-contract infrastructures for recording the deterministic service agreements and executing payment of premium and/or service-violation penalties. – To investigate the approaches for the on-line verification of the deterministic service in a context where the stakeholders do not trust each other.
Profil du candidat
– Très bonnes connaissances en réseaux informatiques (couches, protocoles).
– Compétences en programmation.
– Un intérêt pour les réseaux temps-réels et/ou l'analyse de performance des réseaux est un plus.
– Un intérêt pour les blockchains et les contrats intelligents est un plus.
Candidate profile
– Very good knowledge of computer networks (layered approach, protocols).
– Programming skills
– Interest in time-sensitive networks and/or performance analysis of networks is a plus.
– Interest in blockchains, smart contracts is a plus.
Référence biblio
[DETNET23] IETF DETNET: “Deterministic Networking (Detnet) WG. Charter.” (2023). Version 4. https://datatracker.ietf.org/doc/charter-ietf-detnet/
[TSN] “Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group |.” Accessed November 6, 2022. https://1.ieee802.org/tsn/.
[LeBoudec01] Le Boudec, Jean-Yves, and Patrick Thiran. Network Calculus. Vol. 2050. Lecture Notes in Computer Science. Berlin, Heidelberg: Springer, 2001. https://doi.org/10.1007/3-540-45318-0.
[Faisal20] Faisal, Tooba, Damiano Di Francesco Maesa, Nishanth Sastry, and Simone Mangiante. “AJIT: Accountable Just-in-Time Network Resource Allocation with Smart Contracts.” In Proceedings of the ACM MobiArch 2020 The 15th Workshop on Mobility in the Evolving Internet Architecture, 48–53. MobiArch'20. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery, 2020. https://doi.org/10.1145/3411043.3412506.
[Argyraki10] Argyraki, Katerina, Petros Maniatis, and Ankit Singla. “Verifiable Network-Performance Measurements.” In Proceedings of the 6th International COnference, 1–12. Co-NEXT '10. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery, 2010. https://doi.org/10.1145/1921168.1921170.