Automating System-Level Data-Interchange Software Through a System Interface Description Language

RÉSUMÉ Les plates-formes d'aujourd'hui, telles que les simulateurs de missions (FMS), présentent un niveau sans précédent d'intégration de systèmes matériels et logiciels. Dans ce contexte, les intégrateurs de systèmes sont confrontés à une hétérogénéité d'interfaces système qui doivent être alignées et reliées ensemble afin de fournir les capacités prévues d'une plate-forme. Le seul aspect des échanges de données système est problématique allant de données désalignées jusqu'à des environnements multi-architecturaux utilisant différents types de protocoles de communication. Les intégrateurs sont également confrontés à des défis similaires lors de l'interaction de multiples plates-formes ensemble à travers des environnements de simulation distribuée où chaque plate-forme peut être considérée comme un système avec sa propre interface distincte. D'autre part, permettre la réutilisation de système à travers diverses plates-formes en support aux gammes de produits est un défi pour les fournisseurs de systèmes, car ils doivent adapter leurs interfaces système à des plates-formes hétérogènes faisant donc face aux mêmes difficultés que les intégrateurs. En outre, l'introduction de modifications aux interfaces système afin de répondre aux besoins tardifs d'affaires, ou à des contraintes de performance imprévues, par exemple, est d'autant plus ardue que leurs impacts sont difficiles à prévoir et que leurs effets sont souvent décelés tard dans le processus d'intégration. En conséquence, cette thèse aborde la nécessité de simplifier l'intégration et l'interopérabilité système afin de réduire leurs coûts associés et d'accroître leur efficacité ainsi que leur efficience. Elle est destinée à apporter de nouvelles avancées dans les domaines de l'intégration système et de l'interopérabilité système. Notamment, en établissant une taxonomie commune, et en augmentant la compréhension des interfaces système, des divers aspects impactant les échanges de données système, des considérations des environnements multi-architecturaux, ainsi que des facteurs permettant la gouvernance d'interface ainsi que de la réutilisation système. À cette fin, deux objectifs de recherche ont été formulés. Le premier objectif vise à définir un langage utilisé pour décrire les interfaces système et les divers aspects entourant leurs échanges de données. Par conséquent, trois aspects principaux sont étudiés relatifs aux interfaces système: les éléments de langage pertinents utilisés pour les décrire, la modélisation des interfaces système avec ce langage, et la capture des considérations multi-architecturales. Le second objectif vise à définir une méthode pour automatiser le logiciel responsable des échanges de données système comme moyen pour simplifier les tâches impliquées dans l'intégration et l'interopérabilité système. Par conséquent, les compilateurs de modèles et les techniques de génération de code sont étudiés. La démonstration de ces objectifs apporte de nouvelles avancées dans l'état de l'art de l'intégration système et de l'interopérabilité système. Notamment, ceci culmine en un nouveau langage de description d'interface système, SIDL, utilisé pour capturer les interfaces système et les divers aspects entourant leurs échanges de données, ainsi qu'en une nouvelle méthode pour automatiser le logiciel d'échange de données au niveau système à partir des interfaces systèmes capturées dans ce langage. L'avènement de SIDL contribue également une nouvelle taxonomie fournissant une perspective complète sur l'interopérabilité système ainsi qu'en un langage commun qui peut être partagé entre les parties prenantes, tels que les intégrateurs, les fournisseurs et les experts système. Étant agnostique aux architectures, SIDL fournit un seul point de vue architectural supervisant toutes les interfaces système et capture les considérations multi-architecturales ce qui n'a jamais été réalisé avant ce travail. D'autant plus, un générateur de code SIDL est introduit présentant la nouveauté de générer le logiciel d'échange de données à partir d'un bassin plus riche d'information, notamment à partir des relations système de haut niveau allant jusqu'au bas niveau couvrant les détails protocolaires et d'encodage. En raison des considérations multi-architecturales qui sont capturées nativement dans SIDL, ceci permet au générateur de code d'être agnostique aux architectures le rendant réutilisable dans d'autres contextes. Cette thèse ouvre également la voie à de futures recherches bâtissant sur ses contributions. Elle propose même une vision pour le développement d'applications logicielles avec comme objectif final de repousser encore plus loin les limites de la simplification et de l'automatisation des tâches liées à l'intégration et à l'interopérabilité système.----------ABSTRACT Today’s platforms, such as full mission simulators (FMSs), exhibit an unprecedented level of hardware and software system integration. In this context, system integrators face heterogeneous system interfaces which need to be aligned and interconnected together in order to deliver a platform's intended capabilities. The sole aspect of the data systems exchange is problematic ranging from data misalignment up to multi-architecture environments over varying kinds of communication protocols. Similar challenges are also faced by integrators when interoperating multiple platforms together through distributed simulation environments where each platform can be seen as a system with its own distinct interface. On the other hand, enabling system reuse across multiple platforms for product line support is challenging for system suppliers, as they need to adapt system interfaces to heterogeneous platforms therefore facing similar challenges as integrators. Furthermore, the introduction of system interface changes in order to respond to late business needs, or unforeseen performance constraints for instance, is even more arduous as impacts are challenging to predict and their effect are often found late into the integration process. Consequently, this thesis tackles the need to simplify system integration and interoperability in order to reduce their associated costs and increase their effectiveness along with their efficiency. It is meant to bring new advances in the fields of system integration and system interoperability. Notably, by establishing a common taxonomy, and by increasing the understanding of system interfaces, the various aspects impacting system data exchanges, multi-architecture environment considerations, and the factors enabling interface governance as well as system reuse. To this end, two research objectives have been formulated. The first objective aims at defining a language used to describe system interfaces and the various aspects surrounding their data exchanges. Therefore, three key aspects are studied relating to system interfaces: the relevant language elements used to describe them, modeling system interfaces with the language, and capturing multi-architecture considerations. The second objective aims at defining a method to automate the software responsible for system data exchanges as a way of simplifying the tasks involved in system integration and interoperability. Therefore, model compilers and code generation techniques are studied. The demonstration of these objectives brings new advances in the state of the art of system integration and system interoperability. Notably, this culminates in a novel system interface description language, SIDL, used to capture system interfaces and the various aspects surrounding their data exchanges, as well as a new method for automating the system-level data-interchange software from system interfaces captured in this language. The advent of SIDL also contributes a new taxonomy providing a comprehensive perspective over system interoperability as well as a common language which can be shared amongst stakeholders, such as integrators, suppliers, and system experts. Being architecture-agnostic, SIDL provides a single architectural viewpoint overseeing all system interfaces and capturing multi-architecture considerations which was never achieved prior to this work. Furthermore, a SIDL code generator is introduced which has the novelty of generating the data-interchange software from a richer pool of information, notably from the high-level system relationships down to the low-level protocol and encoding details. Because multi-architecture considerations are captured natively in SIDL, this enables the code generator to be architecture-agnostic making it reusable in other contexts. This thesis also paves the way for future research building upon its contributions. It even proposes a vision for software application development with the end goal being to push further the boundaries of simplifying and automating the tasks involved in system integration and interoperability

Secure Control and Operation of Energy Cyber-Physical Systems Through Intelligent Agents

The operation of the smart grid is expected to be heavily reliant on microprocessor-based control. Thus, there is a strong need for interoperability standards to address the heterogeneous nature of the data in the smart grid. In this research, we analyzed in detail the security threats of the Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE) and Sampled Measured Values (SMV) protocol mappings of the IEC 61850 data modeling standard, which is the most widely industry-accepted standard for power system automation and control. We found that there is a strong need for security solutions that are capable of defending the grid against cyber-attacks, minimizing the damage in case a cyber-incident occurs, and restoring services within minimal time. To address these risks, we focused on correlating cyber security algorithms with physical characteristics of the power system by developing intelligent agents that use this knowledge as an important second line of defense in detecting malicious activity. This will complement the cyber security methods, including encryption and authentication. Firstly, we developed a physical-model-checking algorithm, which uses artificial neural networks to identify switching-related attacks on power systems based on load flow characteristics. Secondly, the feasibility of using neural network forecasters to detect spoofed sampled values was investigated. We showed that although such forecasters have high spoofed-data-detection accuracy, they are prone to the accumulation of forecasting error. In this research, we proposed an algorithm to detect the accumulation of the forecasting error based on lightweight statistical indicators. The effectiveness of the proposed algorithms was experimentally verified on the Smart Grid testbed at FIU. The test results showed that the proposed techniques have a minimal detection latency, in the range of microseconds. Also, in this research we developed a network-in-the-loop co-simulation platform that seamlessly integrates the components of the smart grid together, especially since they are governed by different regulations and owned by different entities. Power system simulation software, microcontrollers, and a real communication infrastructure were combined together to provide a cohesive smart grid platform. A data-centric communication scheme was selected to provide an interoperability layer between multi-vendor devices, software packages, and to bridge different protocols together

Architecture de communication à QoS garantie pour la simulation distribuée

Les travaux décrits dans cette thèse s'articulent autour des architectures de communication en réseaux locaux et réseaux distants pour les applications de simulation distribuée interactive, particulièrement dans le cadre du projet Platsim. Nous avons traité dans un premier temps, les aspects gestion de la QoS pour les simulations distribuées basées sur les middlewares HLA et DDS en réseaux locaux, et ensuite nous avons étendu cette contribution avec DDS sur des réseaux grandes distances. La première contribution consiste à enrichir PlatSim par un modèle formel pour la gestion de la QoS que nous avons implémentée sur HLA pour combler les manques de QoS dont souffre ce middleware. Ensuite, nous avons proposé une architecture pour l'interconnexion des simulateurs distribués avec le middleware DDS. L'utilisation de DDS est intéressante pour la simplicité de son implémentation et ses performances de communication déjà prouvées sur des systèmes complexes. Dans la deuxième contribution, nous avons développé un algorithme de navigation à l'estime (dead-reckoning) pour l'anticipation du comportement des entités simulées. Cette approche permet d'émuler leur comportement lors de la détermination de l'erreur maximale admissible satisfaisant les contraintes de la QoS requise, ce qui, en cas de défaillance du système de communication, permet d'estimer le comportement des objets simulés. Ensuite, nous avons présenté une proposition pour l'interconnexion des simulations distribuées DDS et cette approche de dead-reckoning, par deux mécanismes différents: dans un premier temps, nous avons montré qu'il est possible d'utiliser le service de routage DDS pour mettre en place un "pont-fédéré" DDS permettant d'interconnecter des domaines DDS différents dans un même domaine IP, et ensuite nous avons proposé un "Proxy DDS" qui permet d'interconnecter des simulations DDS situées dans des domaines DDS différents et des domaines IP hétérogènes. Enfin, nos deux dernières contributions concernent l'étude et la mise en place d'une architecture de communication à grande distance à QoS garantie pour les simulations distribuées sur DDS. Tout d'abord, nous avons présenté une architecture de signalisation de la QoS pour en se basant sur l'utilisation conjointe du protocole COPS et de la signalisation SIP. Ensuite, nous avons étendu des travaux réalisés au LAAS-CNRS dans le cadre du projet européen EuQoS. Nous avons alors utilisé des composants de cette architecture que nous avons adaptés pour fournir, à l'utilisateur final ou à l'administrateur de l'application, des interfaces simples lui permettant de demander le type de service requis pour son application sans avoir besoin de changer le protocole de signalisation.Stimulated by the growth of network-based applications, middleware technologies for Distributed Interactive Simulation (DIS) applications are taking an increasing importance in large scale systems, and motivate the need to achieve end-to-end Quality-of-Service (QoS) over local and large-scale networks. The aims of this thesis revolve around network communication architecture for DIS applications in LAN and WAN. Its first contribution is to design and implement high performance Distributed Interactive Simulation (DIS) application using the HLA (High Level Architecture) and DDS (Data Distribution Service) middleware in LANs: HLA is used in conjonction with Hierarchical Timed Stream Petri Nets (HTSPN) to allow a powerful analysis techniques for validating and implementing QoS mechanisms in the application layer. Then, we show how DDS can successfully deliver the needed capabilities of DIS applications, provides fast and predictable distribution of real-time critical data in local area network. In the second contribution we suggest a novel extension of Dead Reckoning to increase the network availability and fulfill the required QoS in large-scale DIS applications. The proposed algorithm is based on a fuzzy inference system which is trained by the learning algorithm derived from the neuronal networks and fuzzy inference theory. The proposed mechanism is based on the optimization approach to calculate the error threshold violation in networking games. Then, We show the limitations of the usage DDS Routing Services over the Internet and suggests a Proxy DDS to overcome those shortcomings. In the last contributions we present a dynamic ressource allocation SIP-based framework for the signaling plane DDS-based DIS applications. We give the design and implementation of this framework, the new concepts of the extended SIP to improve the QoS management mechanisms. Then, we present an QoS approach using the EuQoS (End-to-End QoS over Heterogeneous Networks) architecture to define a NGN (Next Generation Network) architecture for distributed interactive simulation that builds, uses and manages end-to-end QoS across different administrative domains and heterogeneous networks

A CONFIGURABLE GATEWAY FOR DDS-HLA INTEROPERABILITY

Interoperability is a challenge for constructing Live-Virtual-Constructive (LVC) systems. This study is a step toward LVC interoperability adhering to a gateway-based approach with a particular focus on two standard middleware, namely, Data Distribution Service for Real-Time Systems (DDS) and High-Level Architecture (HLA) for distributed simulation. A gateway is designed and implemented to achieve DDS-HLA interoperability. This gateway has the ability to realize two-way data transfer between DDS and HLA systems. The gateway design is based on the idea of a configurable connector that is equipped with variability capabilities. It can perform data-type conversions between these two systems according to the mappings specified by the user. In a case study, the gateway is integrated into a distributed tactical environment simulation system