Conception d’un récepteur AIS détectant les falsifications de messages : développement de stratégies et prototypage sur FPGA
Maelic Louart · 2023
L’AIS est un système de communication pour bateaux très répandu. Il permet l’échange automatique d’informations de navigation comme la position, la vitesse, la route, l’identité, le port de départ et d’arrivée, etc. Ces informations aident à la navigation, sécurisent le trafic maritime et simplifient la surveillance des autorités de contrôle. Cependant, ayant été développé dans les années 90, l’AIS est peu sécurisé. [...]. Partant de ce constat, dans ce manuscrit, trois stratégies ont été développées pour détecter ces attaques. La première suit les bateaux avec un filtre IMM pour détecter les falsifications de position et de vitesse. La deuxième vérifie le respect, par les bateaux, du mode d’accès TDMA lorsqu’ils communiquent. La vérification de ce mode d’accès, spécifié par la norme AIS, permet de détecter l’émission de faux messages et la création de bateaux fantômes. Enfin, la dernière stratégie calcule une signature radiométrique, à partir des signaux transmis par chaque transpondeur, afin de les identifier matériellement et non par l’identité qu’ils transmettent dans leurs messages [...]. Ces trois stratégies sont appliquées conjointement et ont été testées avec des signaux réels enregistrés dans la rade de Brest. Des taux d’erreur de première et de deuxième espèce respectivement de 0.0035 et 0.0171 sur la détection de l’usurpation d’identité ont été obtenus. Par ailleurs, des simulations de Monte Carlo ont montré une sensibilité aux falsifications de position allant de 35m à 250m. Une partie de ces stratégies a été implémentée sur un système embarqué de type FPGA pour être utilisée par la douane ou la marine française. Toute la chaîne de démodulation des signaux AIS a aussi été implémentée sur la même carte pour récupérer les signaux et les informations des messages utilisés par ces stratégies. La génération du code implémentant le FPGA s’est faite en utilisant la HLS qui est un outil de synthèse haut niveau. Ce cas d’application a montré que cet outil était aujourd’hui une technologie mature pouvant synthétiser efficacement et automatiquement des systèmes complets de grande taille à partir d’une modélisation haut niveau, supprimant ainsi la séparation qui existait autrefois entre les activités de traitement de signal et les activités de conception matérielle. Le récepteur AIS intelligent ainsi conçu peut, à partir de signaux en bande de base, détecter, en temps réel, les falsifications de position. Pour finir, un laboratoire virtuel sur FPGA, simulant, en même temps, le récepteur et son environnement, a été aussi développé. Il permet de générer facilement des scénarios de test variés afin de vérifier le comportement du récepteur dans ses conditions limites d’utilisation. La considération conjointe du récepteur, de son environnement et de leurs interactions nous a amené à parler des systèmes cyber-physiques et des difficultés, toujours actuelles, associées à la modélisation et la simulation de tels systèmes. Une nouvelle méthode a été proposée pour résoudre ces difficultés. Cette méthode modélise le CPS comme un ensemble d’acteurs s’exécutant de manière concurrente, utilise le FPGA comme plateforme de simulation et applique la HLS pour générer automatiquement la description matérielle à partir de la modélisation à base d’acteurs. Un laboratoire virtuel a été créé sur FPGA pour vérifier le comportement de notre récepteur. Il permet de simuler en même temps notre récepteur et son environnement maritime, pour lequel le nombre de bateaux communiquant, leur trajectoire, le SNR de leurs signaux transmis et le CFO de leur transpondeur peuvent être modifiés. En plus, des falsifications de position et des usurpations d’identité peuvent aussi être ajoutées aux messages échangés durant la simulation.