Analyse et Conception d'Algorithmes de Chiffrement Légers

The work presented in this thesis has been completed as part of the FUI Paclido project, whose aim is to provide new security protocols and algorithms for the Internet of Things, and more specifically wireless sensor networks. As a result, this thesis investigates so-called lightweight authenticated encryption algorithms, which are designed to fit into the limited resources of constrained environments. The first main contribution focuses on the design of a lightweight cipher called Lilliput-AE, which is based on the extended generalized Feistel network (EGFN) structure and was submitted to the Lightweight Cryptography (LWC) standardization project initiated by NIST (National Institute of Standards and Technology). Another part of the work concerns theoretical attacks against existing solutions, including some candidates of the nist lwc standardization process. Therefore, some specific analyses of the Skinny and Spook algorithms are presented, along with a more general study of boomerang attacks against ciphers following a Feistel construction.Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre du projet FUI Paclido, qui a pour but de définir de nouveaux protocoles et algorithmes de sécurité pour l’Internet des Objets, et plus particulièrement les réseaux de capteurs sans fil. Cette thèse s’intéresse donc aux algorithmes de chiffrements authentifiés dits à bas coût ou également, légers, pouvant être implémentés sur des systèmes très limités en ressources. Une première partie des contributions porte sur la conception de l’algorithme léger Lilliput-AE, basé sur un schéma de Feistel généralisé étendu (EGFN) et soumis au projet de standardisation international Lightweight Cryptography (LWC) organisé par le NIST (National Institute of Standards and Technology). Une autre partie des travaux se concentre sur des attaques théoriques menées contre des solutions déjà existantes, notamment un certain nombre de candidats à la compétition LWC du NIST. Elle présente donc des analyses spécifiques des algorithmes Skinny et Spook ainsi qu’une étude plus générale des attaques de type boomerang contre les schémas de Feistel

Approche novatrice pour la conception et l'exploitation d'avions écologiques

The objective of this PhD work is to pose, investigate, and solve the highly multidisciplinary and multiobjective problem of environmentally efficient aircraft design and operation. In this purpose, the main three drivers for optimizing the environmental performance of an aircraft are the airframe, the engine, and the mission profiles. The figures of merit, which will be considered for optimization, are fuel burn, local emissions, global emissions, and climate impact (noise excluded). The study will be focused on finding efficient compromise strategies and identifying the most powerful design architectures and design driver combinations for improvement of environmental performances. The modeling uncertainty will be considered thanks to rigorously selected methods. A hybrid aircraft configuration is proposed to reach the climatic impact reduction objective.L’objectif de ce travail de thèse est de poser, d’analyser et de résoudre le problème multidisciplinaire et multi-objectif de la conception d’avions plus écologiques et plus économiques. Dans ce but, les principaux drivers de l’optimisation des performances d’un avion seront: la géométrie de l’avion, son moteur ainsi que son profil de mission, autrement dit sa trajectoire. Les objectifs à minimiser considérés sont la consommation de carburant, l’impact climatique et le coût d’opération de l’avion. L’étude sera axée sur la stratégie de recherche de compromis entre ces objectifs, afin d’identifier les configurations d’avions optimales selon le critère sélectionné et de proposer une analyse de ces résultats. L’incertitude présente au niveau des modèles utilisés sera prise en compte par des méthodes rigoureusement sélectionnées. Une configuration d’avion hybride est proposée pouratteindre l’objectif de réduction d’impact climatique

Contribution à l'analyse des séquences de protéines similarité, clustering et alignement

La prédiction des fonctions biologiques des protéines est primordiale en biologie cellulaire. On peut comprendre facilement tout l'enjeu de pouvoir différencier efficacement les protéines par leurs fonctions, quand on sait que ceci peut rendre possible la réparation des protéines anormales causants des maladies, ou du moins corriger ou améliorer leurs fonctions. Les méthodes expérimentales, basées sur la structure tridimensionnelle des protéines sont les plus fiables pour la prédiction des fonctions biologiques des protéines. Néanmoins, elles sont souvent coûteuses en temps et en ressources, et ne permettent pas de traiter de grands nombres de protéines. Il existe toutefois des algorithmes qui permettent aux biologistes d'arriver à de bons résultats de prédictions en utilisant des moyens beaucoup moins coûteux. Le plus souvent, ces algorithmes sont basés sur la similarité, le clustering, et l'alignement. Cependant, les algorithmes qui sont basés sur la similarité et le clustering utilisent souvent l'alignement des séquences et ne sont donc pas efficaces sur les protéines non alignables. Et lorsqu'ils ne sont pas basés sur l 'alignement, ces algorithmes utilisent souvent des approches qui ne tiennent pas compte de l'aspect biologique des séquences de protéines. D'autre part, l'efficacité des algorithmes d'alignements dépend souvent de la nature structurelle des protéines, ce qui rend difficile le choix de l'algorithme à utiliser quand la structure est inconnue. Par ailleurs, les algorithmes d'alignement ignorent les divergences entre les séquences à aligner, ce qui contraint souvent les biologistes à traiter manuellement les séquences à aligner, une tâche qui n'est pas toujours possible en pratique. Dans cette thèse nous présentons un ensemble de nouveaux algorithmes que nous avons conçus pour l'analyse des séquences de protéines. Dans le premier chapitre, nous présentons CLUSS, le premier algorithme de clustering capable de traiter des séquences de protéines non-alignables. Dans le deuxième chapitre, nous présentons CLUSS2 une version améliorée de CLUSS, capable de traiter de plus grands ensembles de protéines avec plus de de fonctions biologiques. Dans le troisième chapitre, nous présentons SCS, une nouvelle mesure de similarité capable de traiter efficacement non seulement les séquences de protéines mais aussi plusieurs types de séquences catégoriques. Dans le dernier chapitre, nous présentons ALIGNER, un algorithme d'alignement, efficace sur les séquences de protéines indépendamment de leurs types de structures. De plus, ALIGNER est capable de détecter automatiquement, parmi les protéines à aligner, les groupes de protéines dont l'alignement peut révéler d'importantes propriétés biochimiques structurelles et fonctionnelles, et cela sans faire appel à l'utilisateur

Commande robuste pour une gestion énergétique fonction de l'état de santé de la batterie au sein des véhicules hybrides

Un des enjeux actuels de la réduction des émissions polluantes pour les véhicules automobiles concerne l'utilisation de moyens de propulsion hybride (électrique+thermique). Les problématiques principales, pour l'automatique, sont alors d'optimiser l'efficacité énergétique globale du véhicule, mais aussi d'améliorer les performances du véhicule hybride. Nous envisageons ici de développer des méthodes de commande robuste dans cet objectif, tout en prenant en compte les contraintes liées à la mise en oeuvre pratique.In the recent years, growing public concern has been given both on the energy problem and on the environment problem resulted from dramatically increased vehicles equipped with Internal Combustion Engine (ICE). Subsequently, intensive contributions have been made by the automotive industries and research institutes on vehicles that depend less on the fossil fuels, and introduce less pollutant emissions. This has led to the emergence of environment-friendly and energy-saving vehicles such as the Hybrid Electric Vehicle (HEV) that is usually equipped with one or more additional electric motors and the associated power battery compared with the Conventional vehicles (CVs) propelled solely by the ICE. The key point of an HEV is to design a proper Energy Management Strategy (EMS) that decides how to split the demanded power between the engine and the motor (battery). As the most important and expensive part of an HEV, it is important to take into account battery states, such as battery State of Charge (SOC) and battery ageing, aiming at maintain the optimality of the achieved EMS, as well as prolonging the battery life. In this dissertation, an HEV of parallel structure, which is equipped with a Lithiumion battery is considered. This dissertation is focused on accounting for battery related items, i.e. battery SOC and SOH indicated by battery parameters, in the EMS developments leading to a kind of fault tolerant EMS. Some brief introduction on the control methods and realization approaches involved in this work is presented first, followed by two big parts: the first part is focused on the battery modeling and estimation, while the second part is concerned by the vehicle modeling and few kinds of EMS development methods.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Modélisation et commande robuste des systèmes biologiques : exemple de la production d’acide lactique en fermenteur industriel

This PhD thesis focuses on the optimization of the bioprocess of lactic acid production from wheat flour. Indeed, lactic acid has received much attention for the production of PLA (Poly Lactic Acid), a biopolymer, since different inexpensive raw material such as wheat flour are now used as carbon source for its production. This work was performed in three main steps. In the first step, an innovative wheat transformation process is proposed, whose main steps are the following: a liquefaction followed by a simultaneous saccharification, proteins hydrolysis (SSPH) and and a final simultaneous saccharification, proteins hydrolysis and fermentation (SSPHF). Secondly, the modeling of the SSPHF (limiting step) in a continuous bioreactor is considered. The determination and validation of model parameters is performed by means of experimental campaigns in a 5 L bioreactor.In the last step, the development of control strategies to maintain the process at its optimal operating point is considered. To do so, due to the absence of sensors for real-time measurement of the concentrations of key variables of the bioreactor, estimators of these concentrations and of the lactic acid production rate are first developed. Then, control strategies for regulating the lactic acid concentration at its optimal value are designed and compared in simulation. An adaptive control combining a state feedback linearizing control and an estimator of the lactic acid production rate is finally chosen to be experimentally validated on an instrumented reactor. This strategy showed good robustness features with respect to modeling mismatches and was able during experiments to increase twice the lactic acid productivity.Cette thèse de doctorat porte sur l’optimisation du bioprocédé de production d’acide lactique à partir de la farine de blé. L'acide lactique s’avère en effet de plus en plus attractif pour la production de PLA (acide poly lactique), un bio polymère, d’autant plus que différentes matières premières peu coûteuses comme la farine de blé sont désormais utilisées comme sources de carbone pour sa production. Cette thèse comprend trois parties principales. Une première partie propose pour l’optimisation du procédé de transformation du blé un schéma innovant composé de trois étapes successives : une liquéfaction, suivi d’une étape de saccharification et hydrolyse des protéines simultanées (SSPH) et une étape finale de saccharification, hydrolyse des protéines et fermentation simultanées (SSPHF). La deuxième partie s’intéresse à la modélisation de l’étape SSPHF (étape limitante) dans un bioréacteur continu. La détermination des paramètres du modèle ainsi que leur validation sont réalisées à l’aide de campagnes d’essais sur un bioréacteur de 5 L.Enfin, la dernière partie développe la mise en oeuvre de stratégies de commande permettant de maintenir le bioprocédé à son point optimal de fonctionnement. Pour ce faire, du fait de l’absence de capteurs pour la mesure en temps réel des concentrations des variables clé dans le bioréacteur, des estimateurs de ces concentrations ainsi que du taux de production en acide lactique sont tout d’abord élaborés. Des stratégies de commande régulant la concentration d’acide lactique à sa valeur optimale sont ensuite synthétisées et comparées en simulation. Une commande adaptative combinant une commande linéarisante par retour d’état et un estimateur du taux de production en acide lactique est finalement retenue et validée expérimentalement sur un réacteur instrumenté. Cette dernière s’est avérée robuste vis-à-vis des erreurs de modélisation et a permis lors des expériences de doubler la productivité de l’acide lactique

Large-scale tree-based unfitted finite elements for metal additive manufacturing

This thesis addresses large-scale numerical simulations of partial differential equations posed on evolving geometries. Our target application is the simulation of metal additive manufacturing (or 3D printing) with powder-bed fusion methods, such as Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS) or Electron-Beam Melting (EBM). The simulation of metal additive manufacturing processes is a remarkable computational challenge, because processes are characterised by multiple scales in space and time and multiple complex physics that occur in intricate three-dimensional growing-in-time geometries. Only the synergy of advanced numerical algorithms and high-performance scientific computing tools can fully resolve, in the short run, the simulation needs in the area. The main goal of this Thesis is to design a a novel highly-scalable numerical framework with multi-resolution capability in arbitrarily complex evolving geometries. To this end, the framework is built by combining three computational tools: (1) parallel mesh generation and adaptation with forest-of-trees meshes, (2) robust unfitted finite element methods and (3) parallel finite element modelling of the geometry evolution in time. Our numerical research is driven by several limitations and open questions in the state-of-the-art of the three aforementioned areas, which are vital to achieve our main objective. All our developments are deployed with high-end distributed-memory implementations in the large-scale open-source software project FEMPAR. In considering our target application, (4) temporal and spatial model reduction strategies for thermal finite element models are investigated. They are coupled to our new large-scale computational framework to simplify optimisation of the manufacturing process. The contributions of this Thesis span the four ingredients above. Current understanding of (1) is substantially improved with rigorous proofs of the computational benefits of the 2:1 k-balance (ease of parallel implementation and high-scalability) and the minimum requirements a parallel tree-based mesh must fulfil to yield correct parallel finite element solvers atop them. Concerning (2), a robust, optimal and scalable formulation of the aggregated unfitted finite element method is proposed on parallel tree-based meshes for elliptic problems with unfitted external contour or unfitted interfaces. To the author’s best knowledge, this marks the first time techniques (1) and (2) are brought together. After enhancing (1)+(2) with a novel parallel approach for (3), the resulting framework is able to mitigate a major performance bottleneck in large-scale simulations of metal additive manufacturing processes by powder-bed fusion: scalable adaptive (re)meshing in arbitrarily complex geometries that grow in time. Along the development of this Thesis, our application problem (4) is investigated in two joint collaborations with the Monash Centre for Additive Manufacturing and Monash University in Melbourne, Australia. The first contribution is an experimentally-supported thorough numerical assessment of time-lumping methods, the second one is a novel experimentally-validated formulation of a new physics-based thermal contact model, accounting for thermal inertia and suitable for model localisation, the so-called virtual domain approximation. By efficiently exploiting high-performance computing resources, our new computational framework enables large-scale finite element analysis of metal additive manufacturing processes, with increased fidelity of predictions and dramatical reductions of computing times. It can also be combined with the proposed model reductions for fast thermal optimisation of the manufacturing process. These tools open the path to accelerate the understanding of the process-to-performance link and digital product design and certification in metal additive manufacturing, two milestones that are vital to exploit the technology for mass-production.Aquesta tesi tracta la simulació a gran escala d'equacions en derivades parcials sobre geometries variables. L'aplicació principal és la simulació de procesos de fabricació additiva (o impressió 3D) amb metalls i per mètodes de fusió de llit de pols, com ara Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS) o Electron-Beam Melting (EBM). La simulació d'aquests processos és un repte computacional excepcional, perquè els processos estan caracteritzats per múltiples escales espaitemporals i múltiples físiques que tenen lloc sobre geometries tridimensionals complicades que creixen en el temps. La sinèrgia entre algorismes numèrics avançats i eines de computació científica d'alt rendiment és la única via per resoldre completament i a curt termini les necessitats en simulació d'aquesta àrea. El principal objectiu d'aquesta tesi és dissenyar un nou marc numèric escalable de simulació amb capacitat de multiresolució en geometries complexes i variables. El nou marc es construeix unint tres eines computacionals: (1) mallat paral·lel i adaptatiu amb malles de boscs d'arbre, (2) mètodes d'elements finits immersos robustos i (3) modelització en paral·lel amb elements finits de geometries que creixen en el temps. Algunes limitacions i problemes oberts en l'estat de l'art, que són claus per aconseguir el nostre objectiu, guien la nostra recerca. Tots els desenvolupaments s'implementen en arquitectures de memòria distribuïda amb el programari d'accés obert FEMPAR. Quant al problema d'aplicació, (4) s'investiguen models reduïts en espai i temps per models tèrmics del procés. Aquests models reduïts s'acoplen al nostre marc computacional per simplificar l'optimització del procés. Les contribucions d'aquesta tesi abasten els quatre punts de dalt. L'estat de l'art de (1) es millora substancialment amb proves riguroses dels beneficis computacionals del 2:1 balancejat (fàcil paral·lelització i alta escalabilitat), així com dels requisits mínims que aquest tipus de mallat han de complir per garantir que els espais d'elements finits que s'hi defineixin estiguin ben posats. Quant a (2), s'ha formulat un mètode robust, òptim i escalable per agregació per problemes el·líptics amb contorn o interface immerses. Després d'augmentar (1)+(2) amb un nova estratègia paral·lela per (3), el marc de simulació resultant mitiga de manera efectiva el principal coll d'ampolla en la simulació de processos de fabricació additiva en llits de pols de metall: adaptivitat i remallat escalable en geometries complexes que creixen en el temps. Durant el desenvolupament de la tesi, es col·labora amb el Monash Centre for Additive Manufacturing i la Universitat de Monash de Melbourne, Austràlia, per investigar el problema d'aplicació. En primer lloc, es fa una anàlisi experimental i numèrica exhaustiva dels mètodes d'aggregació temporal. En segon lloc, es proposa i valida experimental una nova formulació de contacte tèrmic que té en compte la inèrcia tèrmica i és adequat per a localitzar el model, l'anomenada aproximació per dominis virtuals. Mitjançant l'ús eficient de recursos computacionals d'alt rendiment, el nostre nou marc computacional fa possible l'anàlisi d'elements finits a gran escala dels processos de fabricació additiva amb metalls, amb augment de la fidelitat de les prediccions i reduccions significatives de temps de computació. Així mateix, es pot combinar amb els models reduïts que es proposen per l'optimització tèrmica del procés de fabricació. Aquestes eines contribueixen a accelerar la comprensió del lligam procés-rendiment i la digitalització del disseny i certificació de productes en fabricació additiva per metalls, dues fites crucials per explotar la tecnologia en producció en massa.Postprint (published version

Le rôle de la reconnexion magnétique dans la formation de cordes de flux et "switchbacks" dans l'héliosphère

En physique des plasmas, la reconnexion magnétique est un processus fondamental, omniprésent dans les systèmes astrophysiques. Ce mécanisme remarquable convertit l'énergie magnétique en énergie cinétique et thermique sur des échelles cinétiques, de ce fait accélérant et chauffant le plasma tout en permettant une reconfiguration globale de la topologie du champ magnétique. De façon spectaculaire, les changements induits à l'échelle microscopique conduisent, par exemple, à un remodelage complet et à grande échelle du champ magnétique d'une planète ou d'une étoile. De par son accessibilité, l'environnement proche de la Terre est un parfait laboratoire astrophysique pour étudier les plasmas spatiaux. Ces dernières années, de nombreuses missions spatiales ont été lancées pour étudier les propriétés in situ des plasmas dans l'environnement Soleil-Terre, ainsi que le processus de reconnexion magnétique. Equipées pour dévoiler de nouvelles caractéristiques sur ces milieux, elles ont notamment mis en lumière des structures qui n'avaient pas été observées auparavant de part une résolution instrumentale insuffisante ou une absence de données antérieures. Ce manuscrit se concentre sur des structures observées à la magnétopause terrestre d'une part et dans le vent solaire d'autre part, et qui ont un impact significatif sur leur environnement. Notre approche a pour but d'expliquer les processus de formation en jeu pour ces structures à travers des études statistiques. Dans une première partie, nous étudions des structures magnétiques qui se propagent le long de la magnétopause terrestre, transportant des quantités importantes d'énergie et appelées Evènements de Transfert de Flux (FTE). Plus particulièrement, des FTE d'un nouveau genre ont été observées ces dernières années, présentant une signature de reconnexion magnétique en leur centre. Une telle observation remet en cause les modèles classiquement mis en avant pour expliquer leur structure interne. A travers une étude statistique des FTEs, nous avons pu mieux comprendre leur topologie magnétique et déterminer les facteurs environnementaux jouant un rôle dans leur apparition. Ces analyses nous renseignent sur les mécanismes de formation des FTE qui implique le processus de reconnexion magnétique sur le côté jour de la magnétopause. Nous présentons également des observations de structures similaires dans le vent solaire, soulignant que le processus en jeu à la magnétopause terrestre est probablement également à l'œuvre dans le vent solaire. Dans une seconde partie, nous passons de l'environnement terrestre à l'héliosphère interne, où les switchbacks magnétiques sont omniprésents dans le vent solaire proche du Soleil. Les switchbacks sont des déflections du champs magnétique qui vont jusqu'à renverser sa composante radiale, et qui sont de plus accélérées par rapport au vent solaire de fond. A travers une étude systématique de leurs échelles caractéristiques ainsi que de leur orientation, nous montrons que les switchbacks sont probablement liés à des structures de surfaces tels que la granulation ou la supergranulation. Nous concluons que leurs propriétés sont cohérentes avec une formation dans la basse atmosphère à travers le processus de reconnexion d'interchange. La reconnexion magnétique est un fil conducteur dans ce travail, omniprésente à la magnétopause terrestre et dans le vent solaire, et menant à la formation de structures impactant significativement leur environnement. Dans la dernière partie du manuscrit, nous présentons une nouvelle méthode prometteuse de détection automatique des signatures de jets de reconnexion, inspirée du processus d'identification visuelle de ces jets. Un tel algorithme de détection automatique permet d'envisager des études statistiques de jets de reconnexion observés dans le vent solaire, ce qui serait une avancée importante dans la compréhension du phénomène de la reconnexion magnétique.Plasmas are ubiquitous in the universe where most matter is in such a state, constituting stars, the interplanetary, interstellar and intergalactic medium, nebulae, and so forth. In the solar system for instance, a plasma sphere (the Sun) continuously ejects into the interplanetary medium a plasma (the solar wind) that interacts with the plasma (magnetospheres) surrounding the Earth or other planets. This makes the near-Earth environment a perfect astrophysical laboratory to study space plasmas. In plasma physics, magnetic reconnection is a fundamental process omnipresent in astrophysical systems. This unique mechanism converts magnetic energy into kinetic and thermal energy at kinetic scales, accelerating and heating the plasma while allowing a global reconfiguration of the magnetic topology. Spectacularly, changes induced on microscopic scales lead for instance to the drastic large-scale remodeling of a planet's or a star's magnetic field. In the past decades, various space missions have been launched to investigate the in-situ properties of astrophysical plasmas in the Sun-Earth environment, as well as to study the process of magnetic reconnection. They were equipped to unveil new features of their surrounding media, and in that they succeeded, particularly in bringing to light structures that were not observed before, either due to a lack of instrumental resolution or to the absence of previous data. In this manuscript, we focus on structures observed at the Earth's magnetopause and in the solar wind, and of significant importance to the dynamics of their environment. In our approach, we aim to shed light on the physical processes at stake for the formation of these structures, using modeling and statistical analysis to infer their properties and potential formation models. In the first part of the manuscript, we present the investigation of a type of coherent magnetic structure often observed traveling along the Earth's magnetopause and carrying a significant amount of energy, called Flux Transfer Events (FTE). Particularly, a new type of FTE was observed with magnetic reconnection resolved in its core. Such a signature questions the usual model put forward to explain the internal structure of FTEs. Through a statistical analysis of FTE, we were able to better understand their magnetic topology and determine the factors playing a role in their occurrence, gaining insights on how they may be produced through magnetic reconnection at the dayside magnetopause. We also report on observations of similar structures in the solar wind, underlining that the process at work at the magnetopause is probably occurring in the solar wind as well. In the second part of the manuscript, we move from the near-Earth environment to the inner heliosphere, focusing on magnetic switchbacks that are a key feature of the near-Sun solar wind. Magnetic switchbacks are deflections of the magnetic field, sometimes reversing the radial component of the field, and made of accelerated plasma relative to the background solar wind. Through a systematic study of their characteristic scales and orientation, we highlight that switchbacks are probably linked to solar surface features like granulation and supergranulation, and we show that their properties are consistent with a formation through the process of interchange reconnection in the low solar atmosphere. Magnetic reconnection is a common thread of this work, being ubiquitous at the Earth's magnetopause and in the solar wind, and most probably involved in the formation of switchbacks in the low corona as well. In the last part of the manuscript, we describe a new promising approach, based on visual identification, that permits to automatically detect magnetic reconnection exhausts in-situ in the solar wind. An automated detection algorithm may lead to large statistical analysis of reconnection jets in the solar wind, a significant step forward in understanding the process of magnetic reconnection