Spéculation temporelle pour accélérateurs matériels

This thesis is focused on the use of timing speculation to improve the performance and energy efficiency of hardware accelerators. Timing speculation is the use of a circuit using a frequency or a voltage at which its operation is no longer guaranteed. It increases the performance of the circuit (computations per second) but also its energy efficiency (computations per joule). As the correct operation of the circuit is no longer guaranteed, it must be accompanied by an error detection mechanism. This mechanism must have the lowest possible additional cost in terms of resources used, energy and impact on performance. These overheads must indeed be low enough to make the approach worthwhile, but also be as low as possible to maximize the gain obtained. We present a new algorithm-level error detection mechanism for convolutions used in convolutional neural networks that meets these conditions. We show that combining this mechanism with timing speculation can improve the performance and energy efficiency of a convolution hardware accelerator.Résumé : Cette thèse porte sur l’utilisation de la spéculation temporelle pour améliorer les performances et l’efficacité énergétique d’accélérateurs matériels. La spéculation temporelle consiste en l’utilisation d’un circuit en utilisant une fréquence ou une tension à laquelle son fonctionnement n’est plus garanti. Elle permet d’augmenter les performances du circuit (calculs par seconde) mais aussi son efficacité énergétique (calculs par joule). Comme le fonctionnement du circuit n’est plus garanti, elle doit être accompagnée d’un mécanisme de détection d’erreur. Celui-ci doit avoir un coût en ressources utilisées, en énergie et un impact sur les performances les plus faibles possibles. Ces surcoûts doivent effectivement être suffisamment faibles pour que l’approche vaille le coup, mais aussi être le plus bas possible pour maximiser les gains obtenus. Nous présentons un nouveau mécanisme de détection d’erreur au niveau algorithmique pour les convolutions utilisées dans les réseaux de neurones convolutifs qui remplit ces conditions. Nous montrons que la combinaison de ce mécanisme avec la spéculation temporelle permet d’améliorer les performances et l’efficacité énergétique d’un accélérateur matériel de convolution

Allocation temporelle de systèmes avioniques modulaires embarqués

L'évolution des architectures des systèmes embarqués temps réel vers des architectures modulaires a permis d'introduire plus de fonctionnalités grâce à l'utilisation de calculateurs répartis et d'interfaces de communication et de service standardisés. Nous nous intéressons dans cette thèse à l'architecture avionique modulaire (IMA) des standards ARINC 653 et ARINC 664 partie 7. Cette évolution a introduit de nouveaux défis de conception relatifs, entre autres, au respect des contraintes temporelles applicatives nécessaires au bon fonctionnement du système. La conception d'un système modulaire est un problème d'intégration sous contraintes, qui regroupe plusieurs problèmes difficiles (dimensionnement, allocation de ressource spaciale et temporelle). Ces difficulutés requierent la mise en place d'outils d'aide à l'intégration qui passent à l'échelle. C'est dans ce cadre-là que ces travaux de thèse ont été menés. Nous nous intéressons principalement à l'allocation des ressources temporelles du système. Plus particulièrement, nous déterminons les périodes d'exécution des fonctions embarquées distribuées qui garantissent les contraintes temporelles applicatives et qui offrent un degré d'évolutivité du système élevé, étant donné une répartition des fonctions sur les calculateurs. Notre démarche prend en compte la variabilité temporelle (bornée) du réseau de communication. La première contribution de cette thèse est la formulation du problème d'intégration d'un système modulaire IMA en un problème d'optimisation multicritère à contraintes temporelles. Pour une distribution des fonctions avioniques aux calculateurs, la périodicité des partitions IMA est recherchée de façon à garantir la fraîcheur et la non-perte des données transmises. Parmi toutes les allocations temporelles vérifiant les contraintes temporelles, nous réalisons une recherche multi-critères qui optimise à la fois un critère de charge des calculateurs et de marge temporelle dans le réseau. Ces deux critères facilitent les évolutions futures de l’architecture. La seconde contribution de cette thèse est la proposition de deux heuristiques de recherche multicritère adaptées à notre problème. Il faut noter que le nombre d'allocations temporelles valides grandit exponentiellement avec le nombre de modules et de partitions hébergées par module. Nous proposons deux algorithmes d'optimisation multicritères : (i) EXHAUST, un algorithme optimal de recherche exhaustive, (ii) TABOU un algorithme semi-optimal basé sur une métaheuristique Tabou. Pour les deux algorithmes, la cardinalité du problème est réduite par une phase d'optimisation locale à chaque module, rendue possible par la linéarité des deux métriques choisies. Cette première étape d'optimisation locale permet de résoudre à l'optimal le problème d'allocation avec EXHAUST pour un système IMA de taille moyenne. Nous montrons que pour des systèmes de grande taille, l'algorithme TABOU est un très bon candidat car il extrait des solutions satisfaisantes en un temps raisonnable, tout en testant un nombre limité d'allocations valides. Ces deux heuristiques sont appliquées à un système IMA. L'analyse des solutions obtenues nous permet de mettre en exergue la qualité des solutions Pareto-optimales obtenues par les deux algorithmes. Elles présentent les caractéristiques recherchées d'évolutivité de la charge des calculateurs et de la marge réseau. Notre dernière contribution réside dans une analyse fine de ces solutions. L'analyse met en avant différentes classes de solutions Pareto-optimales avec différent compromis entre la charge et la marge réseau. La connaissance de ces classes de solutions permet à l'intégrateur de choisir une solution lui fournissant le compromis qu'il recherche entre les critères de charge et de marge réseau

La gestion de la qualité de service temps-réel dans les réseaux de capteurs sans fil

In the last years, Wireless Sensor Networks ‘WSN’ knew a tremendous evolution which attracted many applications. WSN has several characteristics that make it a unique research field, such as, WSN nodes’ constraints and the unreliable (lossy) wireless communication. The IEEE 802.15.4 standard is the first standard designed for this type of networks known as LR-WPANs ‘Low-Rate Wireless Personal Area Network’. The energy conservation mechanism proposed by the current standard is quite efficient and very flexible. This flexibility comes from the ability to configure different duty cycles to meet specific applications’ requirements. However, this mechanism has a considerable impact on the end-to-end delay. Our approach resolves the energy/delay trade-off by avoiding the storage of the real-time data in the coordinator during sleep time, more particularly in Multi-source Multi-sink networks. A new superframe structure is adopted and a deterministic reception scheduling is used. In this thesis, we also proposed a new WPAN model for the Network Simulator 3 ‘NS-3’.Le monde des réseaux de capteurs sans fil ‘RCSF’ a connu de grands progrès au cours de ces dernières années. Ainsi, les RCSF ont pu intégrer divers champs d’application (environnement, militaire, médecine, domotique ...) dont quelques-uns ayant des exigences en termes de qualité de service ‘QdS’. Cependant, la garantie de la QdS dans un RCSF pose des problèmes de recherche non triviaux, à cause de la nature peu fiable de la communication sans fil et des limitations des ressources des nœuds RCSF (processeur, mémoire, énergie ...). Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur les protocoles MAC afin d’améliorer le support de QdS dans les RCSF. Plus particulièrement, le standard IEEE 802.15.4. Les mécanismes de conservation d’énergie proposés par ce standard sont efficaces et présentent une flexibilité par rapport aux besoins des applications. Néanmoins, le temps de sommeil des nœuds affecte considérablement le délai de communication, donnant naissance à un compromis énergie/délai. Pour résoudre ce problème, nous avons amélioré ce standard pour un meilleur support des applications temps-réel. L’approche proposée permet de réduire le délai de communication de manière significative, même pour de faibles rapports cycliques, grâce au nouveau format de la supertrame. Les performances ont été validées par simulation et sur des plateformes de nœuds RCSF réelles. Nous avons proposé également un modèle de simulation pour le standard IEEE 802.15.4 sous le simulateur NS-3

Étude et simulation du protocole TTEthernet sur un sous-système de gestion de vols et adaptation de la planification des tâches à des fins de simulation

TTEthernet est une technologie réseau déterministe qui permet d’apporter des améliorations à la qualité de services de la couche 2 d’Ethernet. Les composants implémentant ces services enrichissent les fonctionnalités d’Ethernet avec une synchronisation distribuée tolérante aux fautes, un partitionnement temporel robuste de la bande passante et une communication synchrone avec une latence fixe et une très faible gigue. Les services de TTEthernet permettent de faciliter la conception de systèmes distribués robustes, moins complexes et évolutifs capables de tolérer des défaillances multiples. La simulation constitue, de nos jours, une étape incontournable dans le processus de conception de systèmes critiques et représente un support précieux pour la validation et l’évaluation des performances. CoRE4INET est un projet regroupant l’ensemble des modèles de simulation de TTEthernet disponible actuellement. Il se base sur l’extension des modèles du framework INET d’OMNeT++. Notre objectif est d’étudier et de simuler le protocole TTEthernet sur un sous-système de gestion de vols (FMS). L’idée est d’utiliser CoRE4INET pour concevoir le modèle de simulation du système cible. Le problème est que CoRE4INET n’offre pas un outil de planification de tâches pour le réseau TTEthernet. Pour remédier à ce problème on propose une adaptation, pour des fins de simulation, d’une approche de planification de tâches basée sur la spécification formelle des contraintes réseau. L’utilisation du solveur Yices a permis la traduction de l’ensemble des spécifications formelles en un programme exécutable générant le plan de transmission souhaité. Une étude de cas nous a permis, à la fin, d’évaluer l’impact de l’agencement des instants d’envoi des trames TT sur les performances de chaque type de trafic du système

Systèmes véhiculaires à domaines de sécurité et de criticité multiples : une passerelle systronique temps réel

Nowadays, vehicular systems are composed of more and more interconnected systems. Those systems manage a lot of complex functions and must comply with various safety-critical requirements (such as real-time) but also more and more with security requirements. With the new connected vehicles, it is necessary to make these various systems communicate, in order to manage locally or remotely the overall vetronic system. Make these systems communicate, moreover in military vehicles, implies to support various constraints. Theses constraints need to be supported by specific elements, used as gateways between each vehicle system needing external communication. This gateway has to protect each system in term of safety and security, but also has to guarantee an efficient upper-bounded transfer between them. In this thesis, we have proposed a software architecture for these gateways, compliant with the various vehicular security and safety requirements. The solution is proposed as a framework, supporting a modular configuration and able to aggregate various modules on a partitioned software architecture. Such an aggregation is then able to respond to the various vehicular specific needs such as security and real-timeDe nos jours, les véhicules intègrent de plus en plus de systèmes interconnectés. Ces systèmes ont des fonctions aussi nombreuses que complexes et sont soumis à des contraintes de sureté de fonctionnement (dont le temps réel) mais également de plus en plus de sécurité. Avec l'apparition des véhicules connectés, il devient nécessaire de faire communiquer ces différents systèmes, tant pour les gérer au niveau véhiculaire que potentiellement à distance. Faire communiquer ces différents réseaux, a fortiori dans les véhicules militaires, implique la prise en compte de diverses contraintes. Ces contraintes nécessitent d'être traitées par des éléments en coupure entre les différents systèmes. Un tel élément est alors en charge de protéger ces derniers en termes de sûreté de fonctionnement et de sécurité mais doit également assurer un transfert efficace et borné de l'information. Dans cette thèse, nous avons proposé une architecture logicielle de passerelle permettant de répondre à ces différentes contraintes et d'assurer ainsi l'interconnexion de tous ces systèmes. La solution se présente comme un framework permettant d'intégrer divers modules sur une architecture partitionnée et sûre, afin de pouvoir répondre à divers besoins spécifiques aux systèmes véhiculaire

Sécurité des réseaux et infrastructures critiques

Les infrastructures et réseaux critiques commencent à s'ouvrir vers des architectures, protocoles et applications vulnérables. Ainsi, non seulement il est question de sécuriser ces applications (e.g., contre les attaques potentielles), mais il faut également justifier notre confiance dans les mécanismes de sécurité déployés. Pour cela, nous présentons PolyOrBAC, un cadriciel basé sur le modèle de contrôle d'accès OrBAC, les mécanismes de services Web ainsi que les contrats électroniques. Ensuite, nous préconisons l'utilisation de la Programmation Logique par Contraintes (PLC) pour détecter et résoudre les conflits éventuels dans la politique de sécurité. Au niveau de la mise en œuvre, nous proposons le protocole Q-ESP, notre amélioration d'IPSec qui assure à la fois des besoins de sécurité et de QoS. Enfin, nous présentons nos modèles et résultats de test et d'évaluation d'outils de sécurité notamment les Systèmes de Détection d'Intrusions (IDS)

Modélisation et simulation des réseaux mobiles de 4ème génération

Cette thèse porte sur l'interopérabilité et la qualité de service dans les réseaux de 4ème génération. En particulier, nous proposons des solutions d'intégration entre le réseau WiMAX et le système satellite DVB-RCS en s'appuyant sur le standard IEEE 802.21. Trois solutions peuvent être mises en place pour l'interconnexion de réseaux sans fil. Il s'agit de la technologie GAN soutenue par le 3GPP, du protocole FMIP proposé par l'IETF et du standard IEEE 802.21. Notre choix se porte sur ce denier standard car il propose un cadre générique pour l'interopérabilité des réseaux. En fait, nous proposons une architecture satellitaire à base de WiMAX, DVB-RCS et IEEE 802.21 et nous décrivons aussi la procédure de handover WiMAX/DVB-RCS. Par ailleurs, nous améliorons les performances des réseaux WiMAX en utilisant un handover horizontal avec un mécanisme de réservation de ressources. Ensuite, le réseau WiMAX est intégré dans un système satellite DVB-RCS afin d'étudier les performances de cette convergence avec une réservation de ressources. Les résultats obtenus montrent que les mécanismes de réservation améliorent les performances. Afin de permettre au trafic de passer d'un réseau à l'autre en garantissant une qualité de service, une mise en correspondance de la qualité de service entre les réseaux WiMAX et DVB-RCS est proposée. En outre, nous proposons un mécanisme d'admission de connexion CAC dans le cadre de l'interconnexion WiMAX/DVB-RCS. Plusieurs stratégies sont prises en compte afin de permettre une coopérative efficace entre les deux systèmes. ABSTRACT : This PH.D thesis is based on the interworking and the quality of service in 4th generation mobile wireless networks. In particular, we propose solutions of integration between WiMAX networks and satellite systems (DVB-RCS). Three solutions can be considered for the interconnection of wireless networks: GAN technology supported by the 3GPP, FMIP protocol suggested by the IETF and the IEEE 802.21 standard. Our choice is focused on this last standard because it proposes a generic framework for the interworking of wireless networks. A procedure of handover WiMAX/DVB-RCS is then described. In addition, we improve the performance of WiMAX networks by using a horizontal handover with resource reservation mechanisms. Then, the WiMAX network is integrated in a DVB-RCS satellite system. The performance of this convergence with a resource reservation mechanism is studied. The obtained results show that the reservation mechanisms improve the performance of the system. In order to switch the traffic from one network to the other by guaranteeing an appropriate level of quality of service, a mapping of quality of service between WiMAX networks and DVB-RCS system is proposed. Moreover, we propose a Connection Admission Control (CAC) mechanism within the framework of the WiMAX/DVB-RCS interconnection. Several strategies are taken into account in order to allow an effective co-operative between the two system

ADVICE, Allocation Dynamique des Voies de Circulation : Analyse système et choix technologique, livrable final de la Tache 2

Lutter efficacement contre la congestion routière, améliorer durablement la sécurité des automobilistes sont deux des objectifs majeurs des gestionnaires d'infrastructures routières. En milieu urbain, la congestion du trafic a un impact direct sur la qualité des transports collectifs (TC) de surface. Au-delà de leur extension, l'optimisation des infrastructures existantes et le déploiement de Systèmes de Transport Intelligent (STI), qui rendent possible la gestion dynamique du trafic, sont une solution. Le projet ADViCe, issu d'un travail collaboratif d'un Think Tank du LUTB « Systèmes de transport », propose d'évaluer la pertinence de la mise en place d'une stratégie d'allocation dynamique des voies de circulation. L'objectif étant d'améliorer l'efficacité des transports prioritaires (bus, pompiers, etc.) sans limiter sensiblement l'espace disponible pour les autres véhicules. Les objectifs du projet Advices sont : " Définir une méthodologie pour la mise en place d'une solution innovante de gestion du trafic " Développer les technologies adaptées et les mettre en oeuvre " Expérimenter les stratégies ADViCe " Evaluer et optimiser les scénarios de régulation Ce livrable représente le livrable final de la tache 2. Dans ce rapport nous identifierons les fonctions nécessaires à la gestion du trafic et nous décrirons les technologies permettant de les réaliser

Etude des performances et optimisation d'un réseau d'accès par satellite pour les communications

La croissance rapide du trafic aérien et les besoins en nouveaux services notamment pour les passagers imposent l'introduction de nouveaux moyens de communication pour les avions avec une bande passante globale fortement accrue. Les satellites sont appelés à jouer un rôle important dans ce contexte, non seulement en complément des systèmes terrestres pour les services « cockpit » (services ATM, Air Traffic Management) mais aussi pour les services « cabine » (In-Flight Entertainment). L'objectif de la thèse est d'étudier l'architecture d'un système satellite supportant l'ensemble de ces services, en se focalisant sur l'architecture du terminal embarqué à bord des aéronefs. L'architecture retenue repose sur des liaisons DVB-S2/DVB-RCS normalisées par l'ETSI. Cette option permet d'utiliser efficacement l'importante bande passante disponible en bande Ka pour les services mobiles aéronautiques (allocation primaire) ou en bande Ku (allocation secondaire). Ces normes ont été conçues pour les applications multimédia (Broadband Satellite Multimedia). Le défi est alors d'utiliser de telles liaisons satellite pour des services aux caractéristiques et besoins fortement hétérogènes. Par ailleurs, l'utilisation de la bande Ka n'est pas concevable sans l'activation de techniques de lutte contre les affaiblissements (FMT – Fade Mitigation Techniques). L'utilisation d'une marge statique conduit à une perte importante de capacité. Les techniques FMT reposent sur une évaluation dynamique du bilan de liaison et permettent une modification de la forme d'onde. Le système utilise ainsi la forme d'onde la plus efficace spectralement pour chaque terminal et maximise la capacité globale du système. Par contre, chaque terminal observe une modification de la ressource allouée au fil du temps. L'objectif de la thèse est de concevoir une architecture au niveau terminal qui permette d'exploiter les liaisons DVB-S2/RCS afin de fournir les services passagers (Internet et téléphonie mobile de type GSM/UMTS) et un canal haute fiabilité pour les services aéronautiques. Deux approches ont été retenues. La première repose sur une application du modèle ETSI BSM (Broadband Satellite Multimedia) en couches séparant strictement les couches dépendantes satellite et les couches indépendantes satellite. Les simulations de cette architecture montrent que les liaisons ne peuvent être utilisées de façon efficace sans une interaction entre couches afin de tenir compte de l'évolution de la capacité disponible. La seconde approche consiste en la concentration de la gestion de la ressource et la gestion de la qualité de service dans la même couche protocolaire. L'idée de départ est d'utiliser la méthode d'encapsulation générique Generic Stream Encapsulation (GSE). GSE a été conçu pour la projection des paquets de couches supérieures à l'intérieur des trames DVB-S2. GSE tient compte de la taille variable des trames DVB-S2 et introduit une capacité de multiplexage entre différents flux (identification de fragments). Sur cette base, une gestion de l'accès est introduite pour gérer la liaison DVB-RCS au format MF-TDMA. Nous introduisons ainsi une utilisation conjointe de GSE, d'une politique de service différentiée et de flux de signalisation inter-couches (« cross-layer »). Les performances des deux approches sont étudiées à l'aide d'un modèle de simulation développé à l'aide du logiciel OPNET Modeler (simulations à événements discrets). Les résultats obtenus démontrent le meilleur comportement de la seconde architecture avec une meilleure utilisation de la ressource et des performances de transmission satisfaisant les objectifs

Vers la convergence de réseaux dans l'avionique

AFDX est le standard Ethernet commuté utilisé pour la transmission des flux avioniques. Pour des raisons de certification, le réseau AFDX déployé à présent dans les avions civils est très peu chargé. Cette thèse vise à étudier la possibilité envisagée par les avionneurs d’utiliser la bande passante AFDX restante pour transporter des flux non-avioniques additionnels (vidéo, audio, service). Ces flux ne doivent pas affecter les délais de transmission des flux avioniques. Pour multiplexer des flux avioniques et non-avioniques des politiques d’ordonnancement sont nécessaires au niveau des systèmes d’extrémité (end systems) et des commutateurs. Dans cette thèse, nous considérons l’exemple de la transmission sur AFDX de flux vidéo provenant des caméras de surveillance de l’avion. Le multiplexage des flux avioniques et vidéo est réalisé par l’introduction d’une table d’ordonnancement au niveau des end systems émetteurs et d’une politique de type SPQ dans les ports de sortie du commutateur. Cette solution préserve les contraintes temps-réel des flux avioniques, mais peut introduire des variations sur les délais de bout-en-bout des flux vidéo. Une allocation appropriée des flux avioniques dans la table d’ordonnancement peut réduire le retard d’émission des flux vidéo et ainsi, limiter les variations de délai. Nous proposons deux stratégies d’allocation des flux avioniques dans la table d’ordonnancement : une heuristique simple et une allocation optimale. L’allocation optimale est dérivée en résolvant un problème d’optimisation par contraintes qui minimise le retard d’émission des flux vidéo. Dans le cas des end systems moins chargés, l’allocation par heuristique est proche de l’optimale