Les travaux réalisés dans cette thèse se situent dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks), déployés en environnement urbain et se focalisent sur la sécurité des protocoles de routage multi-sauts. Les capteurs sont souvent déployés dans des environnements ouverts et accessibles permettant aux éventuels attaquants de les détruire ou de les capturer afin d'en extraire les données sensibles (clés de chiffrement, identité, adresse, etc.). Les méthodes traditionnelles, basées sur la cryptographie, permettent d'obtenir une sécurité de base (authentification, confidentialité, intégrité, non répudiation etc.), mais ne permettent pas toujours de se prémunir contre les attaques dues à la compromission des nœuds (réplication des nœuds, Sybil, Selective forwarding, Blackhole, Sinkhole, Wormhole etc.). Dans le but d'apporter des solutions algorithmiques complémentaires aux solutions cryptographiques, nous étudions la résilience des protocoles de communication en présence d'adversaires internes visant à perturber l'acheminement de l'information à travers le réseau. Dans un premier temps, nous introduisons la notion de résilience et une métrique quantitative doublée d'une représentation qualitative pour mieux l'appréhender. Nous étudions les principaux protocoles de routage de la littérature selon notre métrique pour montrer leur capacité d'être résilients. Cette étude nous permet de proposer trois mécanismes visant à développer la résilience: (i) l'introduction de comportements aléatoires, (ii) la limitation de la longueur des routes et (iii) la réplication de paquets. Nous appliquons ces mécanismes aux protocoles classiques et nous les étudions selon notre métrique. Pour confirmer les résultats de simulations, nous proposons enfin un travail théorique pour mesurer analytiquement la résilience en nous basant sur le modèle des marches aléatoires biaisées. / This thesis focuses on the security issues of multi-hop routing protocols for Wireless Sensor Networks (WSNs). The rapid deployment capabilities, due to the lack of infrastructure, as well as the self organized and potentially fault-tolerant nature of WSNs make them attractive for multiple applications spanning from environmental monitoring (temperature, pollution, etc.) to building industrial automation (electricity/gas/water metering, event detection, home automation etc). Security is particularly challenging in WSNs. Because of their open and unattended deployment, in possibly hostile environments, powerful adversaries can easily launch Denial-of-Service (Dos) attacks, cause physical damage to sensors, or even capture them to extract sensitive information (encryption keys, identities, addresses etc.). After node compromise, an adversary can seek to disrupt the functionality of network layer by launching attacks such as node replication, Sybil, Selective forwarding, Sinkhole, Wormhole etc. To cope with these "insider" attacks, stemming from node compromise, "beyond cryptography" algorithmic solutions must be envisaged to complement the traditional cryptographic solutions. Firstly, we propose the resiliency concept including our definition and a new metric to compare routing protocols. This method allows to aggregate meaningfully several parameters (quantitative information) and makes it easier to visually discern various tradeoffs (qualitative information), thus greatly simplifying the process of protocol comparison. Secondly, we propose the protocol behaviors enhancing resiliency. Our proposition consists in three strategies: (i) introduce random behaviors (ii) limit route length (iii) introduce data replication. These mechanisms are applied to several well known routing protocols to study their resiliency. Finally, a theoretical study of resiliency is introduced. We present an analytical study of biased random walks under attacks to confirm the results obtained through simulations.

Les directives européennes visant à produire 20% de l’énergie à base de sources renouvelables imposent aux gouvernements d’investir dans de nouveaux moyens de production. Un bilan du marché de l’énergie sera réalisé et permettra de montrer la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie. Après les moyens de conversion de l’énergie hydraulique, les éoliennes sont les systèmes, utilisant une source renouvelable, les plus rencontrées. Les objectifs fixés ont conduit à s’intéresser à l’installation d’éoliennes en mer. Les contraintes spécifiques rencontrées ont poussé les acteurs du marché à développer de nouveaux systèmes et donc des alternateurs adaptés : utilisation des aimants permanents et de l’attaque directe. La modélisation des machines à aimants permanents est décrite. Une topologie classique est d’abord présentée. D’autres solutions seront ensuite étudiées dans le but d’augmenter les densités de couple. L’une d’elles est la machine à bobinage à pas fractionnaire qui permet d’éviter les enchevêtrements des têtes de bobines. D’autre part, l’utilisation de systèmes polyphasés, permettant d’augmenter la disponibilité des systèmes en autorisant des fonctionnements en modes dégradés, est un moyen intéressant afin d’être en présence de systèmes plus fiables. La démarche, qui a permis d’effectuer le choix du dimensionnement de la génératrice pour répondre au mieux à l’appel d’offre d’un client, est présentée ainsi que les résultats des essais réalisés sur les prototypes. Au final, l’éolienne qui est équipée de cet alternateur a une puissance massique qui est au moins 15% plus importante que les solutions disponibles en 2013 sur le marché. / Given the European guidelines, which consist into producing 20% of the energy from renewable sources, the governments are obliged to invest in new types of production systems. An energy market survey will show the part of renewable energy in the energy consumption. After the hydroelectric systems, the wind turbines are the most common systems using renewable sources. The current objectives have led to consider the installation of offshore wind turbine. The specific limitations led the market players to develop new systems with adapted generators: direct drive permanent magnet generator. Model of the permanent magnet machines is described. First a conventional machine topology is presented, then other solutions will be studied with the objective of increasing the torque density. One of them is the concentrated winding machines where the end winding overlapping is avoided. On the other hand, use multiphase system becomes very interesting in order to increase system reliability and work in fault tolerant modes. The strategy that was adopted for the design of the generator to fit the best the specification is also discussed as well as the results of the tests. At the end, the wind turbine equipped with this alternator, has a power density at least 15% higher than the 2013’s available solutions.

Si un algorithme cryptographique peut être mathématiquement sûr, son implémentation matérielle quant à elle est souvent la cible de nombreuses attaques. Cette thèse porte sur l'étude des mécanismes d'injection de fautes pouvant permettre une cryptanalyse physique des circuits sécurisés et sur la conception de contre-mesures matérielles pour empêcher ces attaques.Dans un premier temps une mise en pratique d'injection de fautes sur une implémentation matérielle de l'AES a été menée à l'aide d'attaques physiques : variations statiques et dynamiques de la tension, de la fréquence, de la température et de l'environnement électromagnétique. La comparaison des fautes injectées nous a permis de conclure que ces différentes attaques partagent un mécanisme d'injection identique : la violation de contraintes temporelles.La conception et l'implémentation d'un voltmètre intégré nous a permis d'observer les perturbations internes dues aux attaques par variations transitoires de la tension. Ces observations ont permis une meilleure compréhension du mécanisme d'injection de fautes associé et une amélioration de la précision temporelle de ces injections.Ensuite, un détecteur a été implémenté et son efficacité face à des attaques électromagnétiques a été étudiée. Du fait de la localité spatiale de ces attaques, la zone effectivement protégée par le détecteur est limitée. Une implémentation de plusieurs détecteurs a été suggérée.Enfin, un nouveau chemin d'attaque exploitant la sensibilité du détecteur a été proposé et validé expérimentalement. / Even if a cryptographic algortihm could be mathematically secure, its physical implementation could be targeted by several attacks. This thesis focus on time-based fault injection mechanisms used for physical cryptanalysis of secure circuits.First, practical fault injections have been performed on a hardware AES implementation using non-invasive attacks : static and dynamic variations of the power supply voltage, frequency, temperature and electromagnetic environement. Then a comparison of these obtained faults led us to conclude that these different injection means share a common injection mecanism : timing constraints violations.An on-chip voltmeter has been designed and implemented to observe internal disturbences due to voltage glitchs. These observations led to a better understanding of the fault injection mecanism and to a better temporal accuracy.Then, a contermeasure has been designed and its effectiveness against electromagnetic attacks has been studied. Because of the electromagnetic pulses local effects, the aera effectively protected by the countermeasure is limited. The implementation of several countermeasures has been considered in order to extend the protected aera.Finally, a new attack path using the countermeasure detection threshold variations has been proposed and experimentaly validated. This attack exploit the electrical coupling between the AES and the coutnermeasure. Because of this coupling the countermeasure sensitivity variations are related to data handled by the AES.

Ces travaux de doctorat proposent d’apporter une contribution à l’identification et à la compréhension des phénomènes limitant les performances de détecteurs de rayon X à base de CdTe:Cl développés pour des applications en radiographie. En effet, des inhomogénéités spatiales non-stables dans le temps sont observées dans la réponse de ces capteurs. Les défauts des cristaux utilisés pour la détection ont été caractérisés. Notamment, les dislocations révélées par attaque chimique et par topographie X présentent des arrangements en mur à la surface des échantillons, ces défauts sont majoritairement traversant dans toute l’épaisseur du cristal. Il a ensuite été montré que ces murs de dislocations sont responsables des inhomogénéités de photo-courant sous irradiation par des rayons X et de courant de fuite d’un détecteur à base de CdTe:Cl. De plus, les niveaux pièges dans le gap du CdTe ont été investigués par des méthodes de spectroscopie optique à basse température : les images de cathodoluminescence mettent en évidence le caractère non-radiatif des murs de dislocations, mais ne montrent pas l’apparition de la luminescence Y au niveau de ces défauts, normalement attribuée aux dislocations dans la littérature. Enfin, l’influence des murs de dislocations sur les propriétés de transport des porteurs de charge a été étudiée par la méthode « Ion Beam Induced Current » (IBIC) montrant qu’ils entraînent une diminution de la valeur du produit mobilité-temps de vie des électrons et des trous / In the present Ph.D. thesis, we investigate microstructural defects in a chlorine-doped cadmium telluride crystal (CdTe:Cl), to understand the relationship between defects and performance of CdTe-based radiation detectors. Characterization tools, such as diffraction topography and chemical etching, are used for bulk and surface investigations of the distribution of dislocations. Dislocations are arranged into walls. Most of them appear to cross the whole thickness of the sample. Very good correlation is observed between areas with variations of dark-current and photo-current, and positions of the dislocation walls revealed at the surface of the sample. Then spectroscopic analysis of these defects was performed at low temperatures. It highlighted that dislocation walls induce non-radiative recombination, but it didn’t show any Y luminescence usually attributed to dislocations in the literature. Ion Beam Induced Current (IBIC) measurements were used to evaluate the influence of dislocation walls on charge carrier transport properties. This experiment shows that they reduce the mobility-Iifetime product of the charge carriers. A very clear correlation was, in fact, established between the distribution of the dislocation network and the linear defects revealed by their lower CIE on the device

Aujourd'hui, nous utilisons de plus en plus d'appareils "connectés" (téléphone portable, badge d'accès ou de transport, carte bancaire NFC, ...), et cette tendance ne va pas s'inverser. Ces appareils requièrent l'utilisation de primitives cryptographiques, embarquées dans des composants électroniques, dans le but de protéger les communications. Cependant, des techniques d'attaques permettent d'extraire de l'information du composant électronique ou fauter délibérément son fonctionnement. Un nouveau médium d'attaque, exploitant les ondes électromagnétiques est en pleine expansion. Ce médium, par rapport à des techniques de fautes à base de perturbations par faisceau LASER, propose l'avantage d’être à relativement faible coût. Nous présentons dans cette thèse la résistance d'un type de bloc cryptographique, à savoir les générateurs de nombres réellement aléatoires, aux ondes électromagnétiques. Nous montrons qu'il est possible d'extraire de l'information sensible du champ électromagnétique produit par le composant électronique, et qu'il est également possible de perturber un générateur en le soumettant à un fort champ électromagnétique harmonique / Nowadays, our society is using more and more connected devices (cellphones, transport or access card NFC debit card, etc.), and this trend is not going to reverse. These devices require the use of cryptographic primitives, embedded in electronic circuits, in order to protect communications. However, some attacks can allow an attacker to extract information from the electronic circuit or to modify its behavior. A new channel of attack, using electromagnetic waves is skyrocketing. This channel, compared to attacks based on LASER beam, is relatively inexpensive. We will, in this thesis, present a new attack, using electromagnetic waves, of a certain type of cryptographic primitive: the true random number generator. We will show that it is possible to extract sensitive information from the electromagnetic radiation coming from the electronic device. We will also show that it is possible to completly modify the behavior of the true random number generator using a strong electromagnetic field

Ces travaux de thèse se concentrent sur l'étude des attaques par canaux cachés et les implications sur les mesures à prendre pour un concepteur de circuits sécurisés. Nous nous intéressons d'abord aux différentes attaques par canaux cachés en proposant une amélioration pour un type d'attaque générique particulièrement intéressante : l'attaque par analyse d'information mutuelle. Nous étudions l'effet des différentes techniques d'estimation d'entropie sur les résultats de l'attaque. Nous proposons l'utilisation de fonctions B-splines comme estimateurs étant donné qu'elles sont bien adaptées à notre scénario d'attaques par canaux cachés. Nous étudions aussi l'impact que peut avoir ce type d'attaques sur un cryptosystème symétrique connu, l'Advanced Encryption Standard (AES), en proposant une contre-mesure basée sur la structure algébrique de l'AES. L'opération principale de la majorité des systèmes ECC est la multiplication scalaire qui consiste à additionner un certain nombre de fois un point de courbe elliptique avec lui-même. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la sécurisation de cette opération. Nous proposons un algorithme de multiplication scalaire à la fois efficace et résistant face aux principales attaques par canaux cachés. Nous étudions enfin les couplages, une construction mathématique basée sur les courbes elliptiques, qui possède des propriétés intéressantes pour la création de nouveaux protocoles cryptographiques. Nous évaluons finalement la résistance aux attaques par canaux cachés de ces constructions. / This thesis focuses on the study of side-channel attacks as well as their consequences on the secure implementation of cryptographic algorithms. We first analyze different side-channel attacks and we propose an improvement of a particularly interesting generic attack: the mutual information analysis. We study the effect of state of the art entropy estimation techniques on the results of the attack. We propose the use of B-spline funtions as estimators as they are well suited to the side-channel attack scenario. We also investigate the consequences of this kind of attack on a well known symmetric cryptosystem, the Advanced Encryption Standard (AES), and we propose a countermeasure based on the algebraic structure of AES. The main operation of ECC is the scalar multiplication that consists of adding an elliptic curve point to itself a certain number of times. In the second part, we investigate how to secure this operation. We propose a scalar multiplication algorithm that is both efficient and secure against main side-channel attacks. We then study pairings, a mathematical construction based on elliptic curves. Pairings have many interesting properties that allow the creation of new cryptographic protocols. We finally evaluate the side-channel resistance of pairings.

La problématique des botnets, réseaux de machines infectées par des logiciels malveillants permettant de les contrôler à distance, constitue une préoccupation majeure du fait du nombre de machines infectées et des menaces associées: attaque par déni de service distribué (DDoS), spam, vol de données bancaires. Les solutions de lutte contre les botnets proposées présentent des limitations majeures dans le contexte d'un opérateur réseau (contraintes de volumétrie et de passage à l'échelle, respect de la confidentialité et de la vie privée des utilisateurs). Cette thèse propose quatre contributions orientées réseau de lutte contre les botnets. Chaque contribution traite d'une étape complémentaire dans la problématique des botnets: la première contribution permet de remonter à la source d'attaques par déni de service, et ainsi d'identifier un groupe de machines infectées à l'origine de ces attaques. La deuxième contribution concerne la détection des communications entre les machines infectées et leurs serveurs de contrôle et commande dans un réseau à large échelle, et offre ainsi l'opportunité de bloquer ces serveurs pour limiter le risque de nouvelles attaques. La troisième contribution permet une détection collaborative de botnets dans un contexte inter-domaine et inter-opérateur, permettant ainsi de lutter contre l'aspect hautement distribué de ces botnets. Enfin, la dernière contribution proposée permet de remédier aux botnets en ralentissant les communications entre les machines infectées et leur serveur de contrôle, offrant par ce biais une contre-mesure aux stratégies d'évasions développées par les cybercriminels afin de rendre leurs botnets plus résilients. / The problem of botnets, networks of infected hosts controlled remotely by attackers, is a major concern because of the number of infected hosts and associated threats, like distributed denial of service (DDoS), spams, and data theft. State of the art solutions to fight against botnets have major limitations in a context of a network operator (scalability of the solution, confidentiality and privacy of users). In this thesis, we propose four network-based contributions to fight against botnets. Each solution address a different and complementary issue in this area: the first contribution tracebacks the source of denial of service attacks which threaten the network availability, allowing by that way to identify infected devices used to perpetrate these attacks. The second contribution detects the communications between infected computers and their command and control server (C&C) in a large scale network and offers the opportunity to block these servers to minimize the risk of future attacks. The third contribution enables collaborative detection of botnets in an inter-domain and inter-operator context in order to fight against the highly distributed aspect of these botnets. Finally, the last contribution mitigates botnets by slowing down the communication between infected hosts and their C&C server, providing a countermeasure against evasion techniques developed by cybercriminals to make their botnets more resilient

Au cours des dernières années, nous avons observé le développement de dispositifs connectéset nomades tels que les téléphones mobiles, tablettes ou même les ordinateurs portablespermettant aux gens d’utiliser dans leur quotidien des services géolocalisés qui sont personnalisésd’après leur position. Néanmoins, les services géolocalisés présentent des risques enterme de vie privée qui ne sont pas forcément perçus par les utilisateurs. Dans cette thèse,nous nous intéressons à comprendre les risques en terme de vie privée liés à la disséminationet collection de données de localisation. Dans ce but, les attaques par inférence que nousavons développé sont l’extraction des points d’intérêts, la prédiction de la prochaine localisationainsi que la désanonymisation de traces de mobilité, grâce à un modèle de mobilité quenous avons appelé les chaînes de Markov de mobilité. Ensuite, nous avons établi un classementdes attaques d’inférence dans le contexte de la géolocalisation se basant sur les objectifsde l’adversaire. De plus, nous avons évalué l’impact de certaines mesures d’assainissement àprémunir l’efficacité de certaines attaques par inférence. En fin nous avons élaboré une plateformeappelé GEoPrivacy Enhanced TOolkit (GEPETO) qui permet de tester les attaques parinférences développées. / In recent years, we have observed the development of connected and nomad devices suchas smartphones, tablets or even laptops allowing individuals to use location-based services(LBSs), which personalize the service they offer according to the positions of users, on a dailybasis. Nonetheless, LBSs raise serious privacy issues, which are often not perceived by the endusers. In this thesis, we are interested in the understanding of the privacy risks related to thedissemination and collection of location data. To address this issue, we developed inferenceattacks such as the extraction of points of interest (POI) and their semantics, the predictionof the next location as well as the de-anonymization of mobility traces, based on a mobilitymodel that we have coined as mobility Markov chain. Afterwards, we proposed a classificationof inference attacks in the context of location data based on the objectives of the adversary.In addition, we evaluated the effectiveness of some sanitization measures in limiting the efficiencyof inference attacks. Finally, we have developed a generic platform called GEPETO (forGEoPrivacy Enhancing Toolkit) that can be used to test the developed inference attacks

In this thesis we have studied different aspects of the novel field of quantum information with continuous variables. The higher efficiency and bandwidth of homodyne detection combined with the easiness of generation and manipulation of Gaussian states makes continuous-variable quantum information a promising and flourishing field of research. This dissertation is divided in two parts. The first part explores two applications of the “photon subtraction” operation; Firstly, a technique to generate highly non-Gaussian single-mode states of light; Secondly, an experimental setup capable of realizing a loophole-free Bell test. The second part of this dissertation develops a detailed analysis of an important family of continuous-variable quantum key distribution protocols, namely those based on Gaussian modulation of Gaussian states./Dans cette thèse on a étudié différents aspects de l'information quantique à variables continues. Les meilleures efficacité et bande passante de la détection homodyne combinées à la simplicité de génération et de manipulation d'états gaussiens rend l'information quantique à variables continues un domaine de recherche très prometteur, qui est actuellement en plein essor. La dissertation est divisée en deux parties. La première explore deux applications de l'opération “soustraction de photon”; en premier lieu on présente une nouvelle technique capable de générer des états mono-modaux de la lumière hautement non-gaussiens; deuxiemement on présente un schéma expérimental capable de réaliser un test de Bell sans faille logique. La deuxième partie de cette dissertation développe une étude détaillée d'une famille très importante de protocoles de distribution quantique de clé à variables continues, ceux basés sur la modulation gaussienne d'états gaussiens.

Cette thèse porte sur l'étude, la conception matérielle, la validation théorique et pratique, et enfin la comparaison de différents opérateurs arithmétiques pour des cryptosystèmes basés sur les courbes elliptiques (ECC). Les solutions proposées doivent être robustes contre certaines attaques par canaux cachés tout en étant performantes en matériel, tant au niveau de la vitesse d'exécution que de la surface utilisée. Dans ECC, nous cherchons à protéger la clé secrète, un grand entier, utilisé lors de la multiplication scalaire. Pour nous protéger contre des attaques par observation, nous avons utilisé certaines représentations des nombres et des algorithmes de calcul pour rendre difficiles certaines attaques ; comme par exemple rendre aléatoires certaines représentations des nombres manipulés, en recodant certaines valeurs internes, tout en garantissant que les valeurs calculées soient correctes. Ainsi, l'utilisation de la représentation en chiffres signés, du système de base double (DBNS) et multiple (MBNS) ont été étudiés. Toutes les techniques de recodage ont été validées théoriquement, simulées intensivement en logiciel, et enfin implantées en matériel (FPGA et ASIC). Une attaque par canaux cachés de type template a de plus été réalisée pour évaluer la robustesse d'un cryptosystème utilisant certaines de nos solutions. Enfin, une étude au niveau matériel a été menée dans le but de fournir à un cryptosystème ECC un comportement régulier des opérations effectuées lors de la multiplication scalaire afin de se protéger contre certaines attaques par observation. / This PhD thesis focuses on the study, the hardware design, the theoretical and practical validation, and eventually the comparison of different arithmetic operators for cryptosystems based on elliptic curves (ECC). Provided solutions must be robust against some side-channel attacks, and efficient at a hardware level (execution speed and area). In the case of ECC, we want to protect the secret key, a large integer, used in the scalar multiplication. Our protection methods use representations of numbers, and behaviour of algorithms to make more difficult some attacks. For instance, we randomly change some representations of manipulated numbers while ensuring that computed values are correct. Redundant representations like signed-digit representation, the double- (DBNS) and multi-base number system (MBNS) have been studied. A proposed method provides an on-the-fly MBNS recoding which operates in parallel to curve-level operations and at very high speed. All recoding techniques have been theoretically validated, simulated extensively in software, and finally implemented in hardware (FPGA and ASIC). A side-channel attack called template attack is also carried out to evaluate the robustness of a cryptosystem using a redundant number representation. Eventually, a study is conducted at the hardware level to provide an ECC cryptosystem with a regular behaviour of computed operations during the scalar multiplication so as to protect against some side-channel attacks.