Une plateforme pour tester les performances des nouveaux systèmes télécoms

« Au début des années 2000, les industriels commençaient à utiliser des langages de modélisation pour leurs logiciels embarqués, mais ils ne disposaient pas d’un outil permettant de vérifier leur fonctionnement », retrace Ludovic Apvrille, professeur en systèmes embarqués à Télécom Paris. « Or, avant d’intégrer un système dans un dispositif comme un satellite, il vaut mieux s’assurer qu’il fonctionne correctement. »

Après son post-doctorat, à son arrivée à Télécom Paris, le chercheur a souhaité répondre à ce besoin à travers une boîte à outils d’aide à la conception et à la vérification de systèmes embarqués. La plateforme TTool était née. Offrant initialement des modèles simples, celle-ci, labellisée institut Carnot TSN, s’est progressivement enrichie, incluant différents composants matériels, proposant un nombre croissant de techniques de simulation, ou encore supportant de nouveaux langages.

Vérifier la sûreté et la sécurité du système embarqué

TTool prend ainsi la forme d’une boîte à outils permettant, premièrement, de modéliser un système embarqué dans un langage dérivé d‘UML (Unified Modeling Language) ou de SysML (Systems Modeling Language), couramment utilisés en ingénierie système. Une première étape déterminante. « La fiabilité des résultats obtenus dépend, bien sûr, de nos algorithmes, mais également de la qualité du modèle réalisé », note Ludovic Apvrille. « Pour chaque cas, il est donc essentiel de réaliser ce travail d’abstraction, à partir des spécifications ou du code, afin d’obtenir un modèle véritablement représentatif. » En suivant la documentation de TTool, l’utilisateur peut alors décrire toutes les fonctionnalités de son système, qui apparaissent sous la forme de « boîtes », reliées entre elles par des flèches. Et en cas de doute, il peut solliciter l’aide de l’équipe de la plateforme.

Une fois le modèle réalisé, TTool propose de tester sa sûreté, sa sécurité et ses performances. Quelle est la différence entre les deux premiers termes ? « La notion de sûreté renvoie à l’absence de danger vis-à-vis des utilisateurs ou de risque économique majeur », précise Ludovic Apvrille. « Par exemple, un train qui rencontre des problèmes de sûreté présente un risque de défaillance grave, pouvant aller jusqu’à l’accident. » Pour vérifier cette propriété, la plateforme simule tous les cas d’utilisation possibles, en examinant si l’un d’entre eux peut conduire à un tel état catastrophique.

La notion de sécurité correspond, quant à elle, à la capacité du système à faire face à des attaques informatiques, susceptibles d’altérer des données ou de compromettre leur confidentialité. « TTool dispose, par défaut, d’un large arsenal de modèles d’attaque, qu’il simule afin de vérifier si un attaquant peut entrer ou non », expose Ludovic Apvrille. « Et dans le cas où une attaque possible a été trouvée, il en décrit le scénario pas à pas. » Des informations qui peuvent aider l’utilisateur à corriger la faille ainsi mise au jour. Il lui faudra toutefois vérifier la sécurité du système actualisé, un correctif pouvant parfois s’accompagner de nouvelles vulnérabilités…

L’open source, un atout déterminant pour des partenariats industriels

Des fonctionnalités qui rendent la plateforme unique ? « Il existe d’autres outils de modélisation et de simulation, certains développés par des industriels », concède Ludovic Apvrille. « Néanmoins, à ma connaissance, aucun ne présente cette capacité à décrire des composants logiciels et matériels, avec des preuves en sûreté, sécurité et performances. » Il n’est donc pas surprenant que TTool soit utilisé à la fois par des universités, des laboratoires de recherche et des industriels. S’il est difficile de connaître précisément tous ses utilisateurs – l’outil étant proposé en téléchargement libre –, la plateforme jouit d’un attrait particulier auprès des industries automobile, aéronautique, ferroviaire et des télécoms. Par exemple, dans le cadre du projet européen EVITA, en partenariat avec BMW, le recours à TTool a aidé à améliorer des protocoles de sécurité prévus pour une utilisation dans des véhicules.

Ce succès s’explique également par une orientation prise dès le début de l’aventure : il s’agit d’un logiciel libre et open source. « Cet élément est essentiel à nos yeux, et certainement à ceux d’autres entreprises utilisant TTool », souligne Laurent Roullet, responsable du département de recherche Enterprise Industrial Platforms (EIP) de Nokia Bell Labs. « En tant qu’industriel, nous pouvons difficilement nous permettre de partager du code propriétaire. Alors, lorsque nous travaillons avec le monde académique, nous avons besoin d’un environnement partagé de développement et de test, une exigence à laquelle l’open source répond parfaitement. » Des conditions idéales, donc, pour une collaboration, preuve en est avec le projet Programmation Orientée Modèle (POM), réunissant des chercheurs de Télécom Paris et de Nokia Bell Labs.

POM : évaluer les performances des systèmes télécoms cloudifiés

« C’est un changement de paradigme dans les télécoms qui a été à l’origine de ce projet : l’avènement de la « cloudification » », explique Laurent Roullet. « Jusqu’alors, les principales fonctions des réseaux étaient embarquées dans les stations de base. Mais les exigences croissantes des télécoms ont poussé les acteurs du secteur à déporter une partie de ces fonctionnalités vers le cloud, afin de bénéficier d’une plus grande capacité de calcul. Une nouvelle architecture qui offrait, de surcroît, de nombreux avantages, tels qu’une réduction des coûts matériels ou une meilleure agilité. » Cette démarche s’accompagne cependant de nombreuses questions : quelles fonctionnalités déployer dans le cloud ou conserver au sein des stations de base ? Comment concevoir un système distribué optimal ? Avec quels composants ?

C’est ce que l’équipe de recherche a exploré dans le cadre du projet POM, en s’appuyant sur TTool. À cette occasion, la plateforme a d’ailleurs connu une mise à jour pour pouvoir prendre en compte des composants essentiels du cloud, à l’image des outils d’orchestration, chargés d’allouer dynamiquement les ressources en fonction de la charge.

TTool a ainsi permis de tester différents designs de systèmes télécoms distribués et de vérifier leur capacité à répondre aux demandes, y compris les plus exigeantes. « La connectivité est devenue un enjeu fondamental pour des secteurs comme l’industrie manufacturière ou les transports », observe Laurent Roullet. « Les systèmes télécoms présentent tous les atouts afin de satisfaire cette demande, mais ils doivent dès lors s’adapter à des exigences qu’ils n’avaient pas initialement intégrées, notamment quant à la sûreté de fonctionnement. » Il leur faut également présenter des garanties strictes de débit et de délai – un robot industriel connecté ou un véhicule autonome devant pouvoir prendre des décisions en temps réel. Des performances que les chercheurs ont pu vérifier grâce à TTool.

Quel rôle pour l’IA dans TTool ?

Le projet POM a ainsi livré des résultats précieux à Nokia Bell Labs, même si leur intégration nécessite du temps. « À l’origine, nos travaux portaient sur la 5G, mais en réalité, c’est plutôt la 6G qui bénéficiera de ces avancées », indique Laurent Roullet. « Et cela tombe bien : cette future génération de réseaux mobiles sera « cloud native« . » Ces résultats alimenteront aussi d’autres projets de recherche, comme UNEXT – qui vise à transformer le réseau en un système d’exploitation programmable, inspiré d’UNIX – ou des initiatives autour des véhicules connectés, un sujet sur lequel Nokia Bell Labs se montre très actif.

Du côté de TTool, POM a permis d’apporter des améliorations à la plateforme, qui cherche toujours à suivre les mutations du secteur. « Par exemple, auparavant, les systèmes embarqués étaient rarement connectés », remarque Ludovic Apvrille. « Aujourd’hui, étant donné les nouveaux usages, notamment industriels, nous devons ajouter une dimension réseau, ce qui n’est pas simple, et prendre en compte la variété de technologies : Wi-Fi, Bluetooth, LoRa… » TTool fait ainsi l’objet d’une amélioration continue, avec de nouvelles fonctionnalités régulièrement ajoutées, comme l’évaluation du coût d’un système, dans le but de l’optimiser.

Quant à l’IA, elle a également fait son apparition depuis peu au sein de la plateforme. Mais pas à tous les niveaux. « Nous estimons qu’aujourd’hui, l’IA n’est pas suffisamment armée pour répondre aux problématiques complexes de vérification », juge Ludovic Apvrille. « Par conséquent, dans TTool, elle n’intervient qu’en tant qu’assistant à la modélisation : elle peut guider l’utilisateur et l’aider à concevoir son modèle. En somme, nous cantonnons l’IA à son meilleur rôle : celui de soutien à l’expertise humaine. »