Intégration de la blockchain à l'Internet des objets

L'Internet des objets (IdO) est en train de transformer l'industrie traditionnelle en une industrie intelligente où les décisions sont prises en fonction des données. L'IdO interconnecte de nombreux objets (ou dispositifs) qui effectuent des tâches complexes (e.g., la collecte de données, l'optimisation des services, la transmission de données). Toutefois, les caractéristiques intrinsèques de l'IdO entraînent plusieurs problèmes, tels que la décentralisation, une faible interopérabilité, des problèmes de confidentialité et des failles de sécurité. Avec l'évolution attendue de l'IdO dans les années à venir, il est nécessaire d'assurer la confiance dans cette énorme source d'informations entrantes. La blockchain est apparue comme une technologie clé pour relever les défis de l'IdO. En raison de ses caractéristiques saillantes telles que la décentralisation, l'immuabilité, la sécurité et l'auditabilité, la blockchain a été proposée pour établir la confiance dans plusieurs applications, y compris l'IdO. L'intégration de la blockchain a l'IdO ouvre la porte à de nouvelles possibilités qui améliorent intrinsèquement la fiabilité, la réputation, et la transparence pour toutes les parties concernées, tout en permettant la sécurité. Cependant, les blockchains classiques sont coûteuses en calcul, ont une évolutivité limitée, et nécessitent une bande passante élevée, ce qui les rend inadaptées aux environnements IdO à ressources limitées. L'objectif principal de cette thèse est d'utiliser la blockchain comme un outil clé pour améliorer l'IdO. Pour atteindre notre objectif, nous relevons les défis de la fiabilité des données et de la sécurité de l'IdO en utilisant la blockchain ainsi que de nouvelles technologies émergentes, notamment l'intelligence artificielle (IA). Dans la première partie de cette thèse, nous concevons une blockchain qui garantit la fiabilité des données, adaptée à l'IdO. Tout d'abord, nous proposons une architecture blockchain légère qui réalise la décentralisation en formant un réseau superposé où les dispositifs à ressources élevées gèrent conjointement la blockchain. Ensuite, nous présentons un algorithme de consensus léger qui réduit la puissance de calcul, la capacité de stockage, et la latence de la blockchain. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous concevons un cadre sécurisé pour l'IdO tirant parti de la blockchain. Le nombre croissant d'attaques sur les réseaux IdO, et leurs graves effets, rendent nécessaire la création d'un IdO avec une sécurité plus sophistiquée. Par conséquent, nous tirons parti des modèles IA pour fournir une intelligence intégrée dans les dispositifs et les réseaux IdO afin de prédire et d'identifier les menaces et les vulnérabilités de sécurité. Nous proposons un système de détection d'intrusion par IA qui peut détecter les comportements malveillants et contribuer à renforcer la sécurité de l'IdO basé sur la blockchain. Ensuite, nous concevons un mécanisme de confiance distribué basé sur des contrats intelligents de blockchain pour inciter les dispositifs IdO à se comporter de manière fiable. Les systèmes IdO existants basés sur la blockchain souffrent d'une bande passante de communication et d’une évolutivité limitée. Par conséquent, dans la troisième partie de cette thèse, nous proposons un apprentissage machine évolutif basé sur la blockchain pour l'IdO. Tout d'abord, nous proposons un cadre IA multi-tâches qui exploite la blockchain pour permettre l'apprentissage parallèle de modèles. Ensuite, nous concevons une technique de partitionnement de la blockchain pour améliorer l'évolutivité de la blockchain. Enfin, nous proposons un algorithme d'ordonnancement des dispositifs pour optimiser l'utilisation des ressources, en particulier la bande passante de communication.Abstract : The Internet of Things (IoT) is reshaping the incumbent industry into a smart industry featured with data-driven decision making. The IoT interconnects many objects (or devices) that perform complex tasks (e.g., data collection, service optimization, data transmission). However, intrinsic features of IoT result in several challenges, such as decentralization, poor interoperability, privacy issues, and security vulnerabilities. With the expected evolution of IoT in the coming years, there is a need to ensure trust in this huge source of incoming information. Blockchain has emerged as a key technology to address the challenges of IoT. Due to its salient features such as decentralization, immutability, security, and auditability, blockchain has been proposed to establish trust in several applications, including IoT. The integration of IoT and blockchain opens the door for new possibilities that inherently improve trustworthiness, reputation, and transparency for all involved parties, while enabling security. However, conventional blockchains are computationally expensive, have limited scalability, and incur significant bandwidth, making them unsuitable for resource-constrained IoT environments. The main objective of this thesis is to leverage blockchain as a key enabler to improve the IoT. Toward our objective, we address the challenges of data reliability and IoT security using the blockchain and new emerging technologies, including machine learning (ML). In the first part of this thesis, we design a blockchain that guarantees data reliability, suitable for IoT. First, we propose a lightweight blockchain architecture that achieves decentralization by forming an overlay network where high-resource devices jointly manage the blockchain. Then, we present a lightweight consensus algorithm that reduces blockchain computational power, storage capability, and latency. In the second part of this thesis, we design a secure framework for IoT leveraging blockchain. The increasing number of attacks on IoT networks, and their serious effects, make it necessary to create an IoT with more sophisticated security. Therefore, we leverage ML models to provide embedded intelligence in the IoT devices and networks to predict and identify security threats and vulnerabilities. We propose a ML intrusion detection system that can detect malicious behaviors and help further bolster the blockchain-based IoT’s security. Then, we design a distributed trust mechanism based on blockchain smart contracts to incite IoT devices to behave reliably. Existing blockchain-based IoT systems suffer from limited communication bandwidth and scalability. Therefore, in the third part of this thesis, we propose a scalable blockchain-based ML for IoT. First, we propose a multi-task ML framework that leverages the blockchain to enable parallel model learning. Then, we design a blockchain partitioning technique to improve the blockchain scalability. Finally, we propose a device scheduling algorithm to optimize resource utilization, in particular communication bandwidth

Blockchain Integration with the Internet of Things

L'Internet des objets (IdO) est en train de transformer l'industrie traditionnelle en une industrie intelligente où les décisions sont prises en fonction des données. L'IdO interconnecte de nombreux objets qui effectuent des tâches complexes. Toutefois, les caractéristiques intrinsèques de l'IdO entraînent plusieurs problèmes, tels que la décentralisation et les problèmes de confidentialité et sécurité. La blockchain est apparue comme une technologie clé pour relever les défis de l'IdO. En raison de ses caractéristiques saillantes telles que la décentralisation, l'immuabilité, et la sécurité, la blockchain a été proposée pour établir la confiance dans plusieurs applications, y compris l'IdO. L'intégration de la blockchain a l'IdO ouvre la porte à de nouvelles possibilités qui améliorent intrinsèquement la fiabilité, la réputation, et la transparence pour toutes les parties concernées, tout en permettant la sécurité. Cependant, les blockchains classiques sont coûteuses en calcul, ont une évolutivité limitée, et nécessitent une bande passante élevée, ce qui les rend inadaptées aux environnements IdO à ressources limitées. L'objectif principal de cette thèse est d'utiliser la blockchain comme un outil clé pour améliorer l'IdO. Pour atteindre notre objectif, nous relevons les défis de la fiabilité des données et de la sécurité de l'IdO en utilisant la blockchain ainsi que de nouvelles technologies émergentes, notamment l'intelligence artificielle.The Internet of Things (IoT) is transforming traditional industry into a smart industry where decisions are made based on data. The IoT interconnects many objects that perform complex tasks. However, the intrinsic characteristics of the IoT lead to several problems, such as decentralization and privacy and security issues. Blockchain has emerged as a key technology to address the challenges of IoT. Due to its salient features such as decentralization, immutability, and security, blockchain has been proposed to establish trust in several applications, including IoT. The integration of blockchain with IoT opens the door to new possibilities that inherently improve trustworthiness, reputation, and transparency for all parties involved, while enabling security. However, conventional blockchains are computationally expensive, have limited scalability, and require high bandwidth, making them unsuitable for resource constrained IoT environments. The main objective of this thesis is to use blockchain as a key tool to improve IoT. To achieve our goal, we address the challenges of data reliability and security in IoT by using blockchain as well as new emerging technologies, including artificial intelligence

Data-Quality Based Scheduling for Federated Edge Learning

FEderated Edge Learning (FEEL) has emerged as a leading technique for privacy-preserving distributed training in wireless edge networks, where edge devices collaboratively train machine learning (ML) models with the orchestration of a server. However, due to frequent communication, FEEL needs to be adapted to the limited communication bandwidth. Furthermore, the statistical heterogeneity of local datasets' distributions, and the uncertainty about the data quality pose important challenges to the training's convergence. Therefore, a meticulous selection of the participating devices and an analogous bandwidth allocation are necessary. In this paper, we propose a data-quality based scheduling (DQS) algorithm for FEEL. DQS prioritizes reliable devices with rich and diverse datasets. In this paper, we define the different components of the learning algorithm and the data-quality evaluation. Then, we formulate the device selection and the bandwidth allocation problem. Finally, we present our DQS algorithm for FEEL, and we evaluate it in different data poisoning scenarios.Comment: 2021 IEEE 46th Conference on Local Computer Networks (LCN

An IoT Blockchain Architecture Using Oracles and Smart Contracts: the Use-Case of a Food Supply Chain

International audienceThe blockchain is a distributed technology which allows establishing trust among unreliable users who interact and perform transactions with each other. While blockchain technology has been mainly used for crypto-currency, it has emerged as an enabling technology for establishing trust in the realm of the Internet of Things (IoT). Nevertheless, a naive usage of the blockchain for IoT leads to high delays and extensive computational power. In this paper, we propose a blockchain architecture dedicated to being used in a supply chain which comprises different distributed IoT entities. We propose a lightweight consensus for this architecture, called LC4IoT. The consensus is evaluated through extensive simulations. The results show that the proposed consensus uses low computational power, storage capability and latency

Towards a Scalable and Trustworthy Blockchain: IoT Use Case

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Towards a Secure and Reliable Federated Learning using Blockchain

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Prediction and Detection of FDIA and DDoS Attacks in 5G Enabled IoT

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