The Aviation Industry has been booming for several decades and is expected to keep growing in the future. Therefore, Air Traffic Management (ATM) tools are likely to be soon overwhelmed by the demand. The Single European Sky ATM Research Program (SESAR) 2020, controlled by EUROCONTROL, intends to revisit the management of aeronautical information along its full lifecycle and across the whole European ATM system. The efficient sharing of information over large scale Cyber Physical Systems (CPSs) is a non-trivial problem that raises several challenges including data lineage, data consistency, access rights management and privacy-preservation. Part of the SESAR initiative, System-Wide Information Management (SWIM) project defines standards to enhance the security of aeronautical data shared among stakeholders. Most of its propositions include centralized or partially centralized mechanisms in order to enforce data confidentiality, and privacy. In this paper, we intend to discuss how blockchains can improve the sharing of sensitive data over the ATM system. More specifically, we use the example of flight data and describe a high-level Blockchain-based concept that mimics the decentralized nature of existing A TM system to provide a reliable, distributed storage platform for flight information.

The integration of Unmanned Aircraft Systems (UASs) into the current airspace poses significant challenges in terms of safety, security, and operability. As an example, in 2019, the European Union defined a set of rules to support the digitalization of UAS traffic management (UTM) systems and services, namely the U-Space regulations. Current propositions opted for a centralized and private model, concentrated around governmental authorities (e.g., AlphaTango provides the Registration service and depends on the French government). In this paper, we advocate in favor of a more decentralized and transparent model in order to improve safety, security, operability among UTM stakeholders, and legal compliance. As such, we propose DFly, a publicly auditable and privacy-preserving UAS traffic management system on Blockchain, with two initial services: Registration and Flight Authorization. We demonstrate that the use of a blockchain guarantees the public auditability of the two services and corresponding service providers’ actions. In addition, it facilitates the comprehensive and distributed monitoring of airspace occupation and the integration of additional functionalities (e.g., the creation of a live UAS tracker). The combination with zero-knowledge proofs enables the deployment of an automated, distributed, transparent, and privacy-preserving Flight Authorization service, performed on-chain thanks to the blockchain logic. In addition to its construction, this paper details the instantiation of the proposed UTM system with the Ethereum Sepolia’s testnet and the Groth16 ZK-SNARK protocol. On-chain (gas cost) and off-chain (execution time) performance analyses confirm that the proposed solution is a viable and efficient alternative in the spirit of digitalization and offers additional security guarantees.

The sharing of high-quality information is essential for improving the user experience in distributed systems such as vehicular networks or IoT-based monitoring systems. Crowd-sourced data collection systems rely heavily on a secure and efficient consensus algorithm. However, consensus algorithms are often considered a bottleneck for scalability. With the emergence of blockchains, proof-of-work (PoW) has become the most popular and secure consensus algorithm for open and asynchronous distributed networks. However, PoW has been criticized for its energy consumption and waste of resources. To address this issue, alternative consensus protocols such as proof-of-stake (PoS) and proof-of-authority (PoA) have been proposed. Reputation-based consensus algorithms have recently gained attention but suffer from limitations in terms of privacy and predictability. In this paper, we propose a privacy-preserving proof-of-reputation (PoR) mechanism that combines ring signatures and dlog-based zero-knowledge proof systems. The proposed PoR algorithm aims to build unpredictable blockchain consensus algorithms that are privacy-friendly for permissioned blockchains. We describe the main algorithms used in PoR, demonstrate their security, and evaluate their performance through an experimental study. We conclude by discussing how these algorithms can be scaled to permissionless blockchain settings.

The integration of Unmanned Aircraft Systems (UAS) into the current airspace poses significant challenges in terms of safety, security and operability. As an example, the European Union has defined in 2019 a set of rules to support the digitalization of UAS Traffic Management (UTM) systems and services, namely the U-Space regulations. Current propositions opted for a centralized and private model, concentrated around governmental authorities (e.g., AlphaTango provides the Registration service and depends on the French government). In this paper, we advocate in favor of a more decentralized and transparent model in order to improve safety, security and operability among UTM stakeholders. As such, we propose DFly, a Publicly Auditable and Privacy-preserving UAS Traffic Management system on Blockchain, and developed two initial services: Registration and Flight Authorization. We demonstrate that the use of a blockchain guarantees the public auditability of the two services and corresponding service providers’ actions. In addition, it facilitates the comprehensive and distributed monitoring of airspace occupation and the integration of additional functionalities (e.g., the creation of a live UAS tracker). The combination with zero knowledge proofs enable the deployment of an automated, distributed, transparent and privacy-preserving flight authorization service, performed on-chain thanks to the blockchain logic. In addition to its construction, this paper details the instantiation of the proposed UTM system with the Ethereum Sepolia’s testnet and the Groth16 ZK-SNARK protocol. On-chain (gas cost) and off-chain (execution time) performance analyses confirm that the proprosed solution is a viable and efficient alternative in the spirit of digitalization and offers additional security guarantees.

L'utilisation des blockchains pour renforcer la sécurité et améliorer la confiance dans les réseaux distribués: En 2016, le nombre de décès dus aux accidents de la route atteignait 1,35 million, et ces accidents sont souvent imputable à l’erreur humaine. L'expansion technologique d'Internet et des réseaux interconnectés facilitent l'échange d'informations, parfois vitales. C'est pourquoi beaucoup de travaux ont été produit sur l'automatisation des véhicules. L’amélioration de la sécurité routière est l'un des facteurs qui motive la recherche dans ce domaine et pousse vers l’adoption de systèmes de transport intelligents (ITS) et de réseaux véhiculaires ad hoc (VANET).Un VANET est défini comme un réseau ad-hoc particulier, formé de véhicules capables de communiquer et de traiter l’information reçue, et évoluent en milieu urbain (rues ou autoroutes). Les véhicules peuvent communiquer directement, de pair à pair, ou via un nœud intermédiaire.L'objectif principal de la sécurité des VANETs et des communications véhiculaires est de fournir l'intégrité des messages échangés et la disponibilité des services qui supportent ces échanges. La protection de la confidentialité de ce qu'ils contiennent est un objectif secondaire car non vital. Assurer la responsabilité, c'est-à-dire proposer un moyen d'identifier les entités communicantes et de les tenir responsables pour les messages qu’ils diffusent, est essentiel voire légalement obligatoire. Ce mécanisme doit garantir que tout nœud qui subit une faute, panne ou agit de façon malveillante, soit identifié, révoqué, finalement puni pour ses actions et leurs conséquences. Cependant, un tel mécanisme d'identification pose un problème et risque de compromettre la vie privée des utilisateurs, même lorsqu'ils sont honnêtes.Cette thèse porte sur le délicat compromis entre anonymat et traçabilité dans systèmes distribués tels que les ITSs. Nous étudions l'utilisation des blockchains (chaînes de blocs) dans la construction de primitives cryptographiques à seuil. Ces primitives sont utilisées afin de préserver la vie privée mais aussi la responsabilité des acteurs et étudiées dans leur application au cas des VANETs.Notre première contribution, appelée DOGS, est un schéma de signature de groupe basé sur la blockchain qui propose la fonctionnalité d'ouverture distribuée. Nous montrons, dans cette thèse, que le système améliore un schéma de signature de groupe existant et exploite un protocole de génération de clé distribuée pour répartir le rôle de l'ouvreur (Opener) sur un ensemble de nœuds appelés les sous-ouvreurs (sub-openers).Notre deuxième contribution est une génération de clé distribuée anonyme mais traçable, appelé BAT-Key, qui utilise une blockchain pour assurer la confiance entre les différentes entités qui composent le système. Dans la suite de la thèse, nous expliquons comment nous avons amélioré les protocoles traditionnels avec la propriété d'anonymat qui protège l'identité des participants.Notre troisième contribution, appelée TOAD, est un schéma de chiffrement à seuil basé sur la blockchain avec un service de déchiffrement anonyme mais traçable. Nous montrons que le schéma s'appuie sur un schéma de chiffrement à seuil connu et l’améliore par un processus de déchiffrement collaboratif qui protège l'identité des serveurs de déchiffrement.Tout au long des chapitres, nous expliquons comment l'utilisation de la blockchain garantit la traçabilité des actions effectuées au sein du système par des nœuds anonymes et assure ainsi leur responsabilité tout en préservant la vie privée.Ces schémas sont de la plus haute importance dans l'ère du numérique, même en dehors du domaine des ITSs. Pourtant, nous avons choisi d'illustrer leur importance dans le contexte des VANETs à travers notre dernière contribution : la description de notre construction d'un système de rapport de trafic routier basé sur la blockchain qui préserve l’anonymat des nœuds qui rapportent les informations, mais les tient pour responsables de leurs messages en cas de litige.