La technologie numérique rend la transmission, le stockage et la modification de documents multimedia beaucoup plus aisés qu'auparavant. Mais du fait de cette facilité, l'authentification et la gestion des droits d'auteur deviennent difficiles. Le tatouage robuste est une solution qui s'est beaucoup développée depuis une dizaine d'années. Il permet d'insérer au sein d'un document multimedia (document hôte) un message (identifiant d'auteur, signature numérique, . . .). Cette modification est peu perceptible afin de ne pas gêner l'exploitation normale du document marqué. De plus, l'algorithme d'extraction doit pouvoir retrouver le message malgré d'éventuelles modifications de l'hôte (attaques). Alors que les premières études sur ce domaine étaient empiriques, il est apparu rapidement que le tatouage était assimilable à un problème de communication. Nous faisons le choix d'utiliser une technique de transmission particulièrement adaptée aux canaux fortement bruités, appelée étalement de spectre, et nous considérons des attaques SAWGN (scaling and additive white Gaussian noise). L'interaction entre tatouage et attaques est modélisée par un jeu entre un attaquant et un défenseur. Une optimisation de type max-min donne la forme de l'attaque optimale, qui va le plus réduire la performance de la transmission, et de la stratégie qui permet de s'en protéger au mieux. L'application de ces résultats sur des signaux issus de la transformée en ondelettes d'images confirme le bien-fondé de notre approche : l'attaque obtenue est la plus efficace, et la stratégie d'insertion est bien plus performante que les techniques testées issues de l'état de l'art. Le canal de tatouage est un canal avec information adjacente : une partie du bruit (le signal hôte) est connue au moment de l'insertion de la marque. Les travaux sur ces canaux promettent des performances théoriques bien supérieures aux canaux gaussiens classiques. Dans la troisième partie de ce manuscrit, nous reprenons l'optimisation par théorie des jeux en incluant une mesure de performance prenant en compte l'information adjacente. Nous détaillons ensuite la construction d'un dictionnaire structuré adapté à ces canaux. Les expérimentations nous indiquent de forts gains de performance. Enfin, le dernier chapitre améliore le jeu : l'étude de l'influence de désynchronisations géométriques sur les performances, et la définition d'une attaque informée prenant en compte la réalisation du signal reçu.

Ce travail de thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de lasers à cavité verticale émettant par la surface à diaphragme d'oxyde enterré (VCSELs AlOx) pour les communications optiques et les microsystèmes. Ces composants deviennent de sérieux concurrents aux diodes laser classiques dans les liens de communications à courte distance. De plus, la réalisation de microsystèmes optiques intelligents nécessite de créer des composants photoniques qui soient multifonctions. Ainsi, nos travaux concernent-ils plus particulièrement l'intégration de la photodétection dans une structure VCSEL. Après un rappel sur les fonctions optiques dans les VCSELs, nous discutons des différentes possibilités d'intégration de la détection en cavité verticale. Nous nous penchons ensuite sur la réalisation de sources monomodes émettant à 850~nm pour ces applications. La conception de la structure ainsi que le procédé de fabrication détaillé. Nous insistons sur l'étude des paramètres expérimentaux influençant la qualité de l'oxydation thermique humide, étape technologique cruciale servant à créer le diaphragme d'oxyde enterré. Nous exposons les choix technologiques effectués puis nous présentons les bancs de mesures utilisés. Les caractérisations optiques et électriques permettent de mettre en évidence l'amélioration des performances de ces composants et d'identifier les limitations actuelles. Nous exposons le principe des détecteurs en cavité résonante puis déclinons chaque géométrie verticale explorée : photodétecteur simple, VCSEL standard et BiVCSEL. Le comportement spectral mesuré sur chacun de ces composants est rapporté et discuté. La détection latérale entre VCSELs voisins est ensuite étudiée du point de vue théorique et expérimental. Le principe physique mis en jeu dans cette étude originale est le guidage optique de l'émission spontanée entre VCSELs voisins partageant la même cavité. Les résultats de nos mesures électriques et optiques sont exposés. La principale applic ation de ce nouveau système de détection concerne l'asservissement de la puissance émise par le VCSEL. Enfin, nous concluons sur les apports des diverses géométries adoptées et ouvrons sur les perspectives.

Dans la cryptographie à clé privée l'arithmétique joue un rôle important. En particulier, l'arithmétique des corps finis doit être très rapide étant donnée la quantité de calculs effectués en nécessitant des ressources limitées (surface de circuit, taille mémoire, consommation d'énergie) mais aussi tout en offrant un bon niveau de robustesse vis à vis des attaques physiques. L'objectif de cette thèse etait d'étudier, comparer, concevoir en matériel et enfin de valider expérimentalement et théoriquement des opérateurs arithmétiques matériels pour la cryptographie sur courbes elliptiques (ECC) sur des extensions du corps fini binaire (GF(2m)) à la fois performants, peu gourmands en énergie et robustes d'un point de sécurité contre les attaques physiques par canaux cachés (p.ex. mesure de la consommation d'énergie). Des travaux effectues aboutissent à la proposition d'opérateurs de multiplication performants (rapides, surface de circuit limitée) dans une architecture modulaire (pouvant être adaptée à des besoins spécifiques sans perte de performance). Les calculs requis par ces opérateurs sont complexes car les éléments du corps sont grands (160-580 bits) et la multiplication s'effectue modulo un polynôme irréductible. En plus la thèse presente des modification et l'optimisation des opérateurs pour les rendre plus robustes à certaines attaques par canaux cachés (de type mesure de consommation) sans perte de performance. Sécurisation d'opérateurs arithmétiques pour ECC au niveau des calculs sur le corps fini est particulièrement intéressant car c'est la première proposition de ce type. Ce travail complète un état de l'art en protections aux niveaux supérieurs (courbes, protocoles).

Les systèmes embarqués actuels (téléphone portable, assistant personnel...) ne sont pas considérés<br />comme des hôtes de confiance car toute personne y ayant accès, sont des attaquants potentiels. Les données<br />contenues dans ces systèmes peuvent être sensibles (données privées du propriétaire, mot de passe, code d'un<br />logiciel...) et sont généralement échangées en clair entre le Système sur Puces (SoC – System on Chip) et la<br />mémoire dans laquelle elles sont stockées. Le bus qui relie ces deux entités constitue donc un point faible : un<br />attaquant peut observer ce bus et récupérer le contenu de la mémoire, ou bien a la possibilité d'insérer du code<br />afin d'altérer le fonctionnement d'une application s'exécutant sur le système. Afin de prévenir ce type d'attaque,<br />des mécanismes matériels doivent être mis en place afin d'assurer la confidentialité et l'intégrité des données.<br />L'approche conventionnelle pour atteindre cet objectif est de concevoir un mécanisme matériel pour chaque<br />service de sécurité (confidentialité et intégrité). Cette approche peut être implantée de manière sécurisée mais<br />empêche toute parallélisation des calculs sous-jacents.<br />Les travaux menés au cours de cette thèse ont dans un premier temps, consisté à faire une étude des<br />techniques existantes permettant d'assurer la confidentialité et l'intégrité des données. Dans un deuxième temps,<br />nous avons proposé deux mécanismes matériels destinés à la sécurisation des transactions entre un processeur et<br />sa mémoire. Un moteur de chiffrement et de contrôle d'intégrité parallélisé, PE-ICE (Parallelized Encryption and<br />Integrity Checking Engine) a été conçu. PE-ICE permet une parallélisation totale des opérations relatives à la<br />sécurité aussi bien en écriture qu'en lecture de données en mémoire. Par ailleurs, une technique basée sur une<br />structure d'arbre (PRV-Tree – PE-ICE protected Reference Values) comportant la même propriété de<br />parallélisation totale, a été spécifiée afin de réduire le surcoût en mémoire interne impliqué par les mécanismes de sécurité

Les cartes à puce, mondialement appelées Smart Cards, sont de véritables ordinateurs embarqués dont le but est d'effectuer des opérations de cryptographie et de stocker des données confidentielles, telles que des sommes d'argent, des informations biométriques, des droits d'accès. Il n'est donc pas étonnant que les pirates tentent de s'accaparer ces données, par des failles où la carte laisse fuir des informations capitales, appelées canaux secondaires. Le but de cette thèse est de concevoir des techniques de traitement du signal de masquage de signaux de consommation de courant. Un premier chapitre introductif présente l'univers de la carte à puce ainsi que les enjeux de sa sécurisation. Cela permet de fixer l'objectif à atteindre qui est de concevoir des techniques de masquage des signaux compatibles avec la technologie Smart Card. Le second chapitre présente l'étude et la caractérisation statistique d'un système dynamique chaotique servant à la genèse de nombres pseudo-aléatoires. Le chapitre suivant présente la méthode de masquage par décomposition des signaux, consistant à remplacer les échantillons du signal à masquer par les coefficients de son développement de Karhunen-Loève. Enfin, un dernier chapitre présente une autre technique de masquage des signaux où le modèle utilisé pour la consommation de courant est paramétrique. Le paramètre est estimé selon le critère du maximum de vraisemblance par une technique originale basée sur le couplage du filtrage adapté stochastique utilisé en détection avec l'algorithme Expectation-Maximization. Toutes les techniques sont validées à l'aide de signaux réels.

La cryptographie basée sur les courbes elliptiques (ECC) est de plus en plus utilisée dans les cryptosystèmes à clé publique, notamment parce qu'à niveau de sécurité équivalent, la taille nécessaire des clés ECC est nettement inférieure à ce que son prédécesseur, le RSA, requiert. L'ECC conduit donc à implanter des circuits plus compacts que pour le RSA, ce qui indique qu'elle est plus adaptée aux circuits fortement contraints (cartes à puce, etc.). L'ECC a d'ailleurs bénéficié de l'amélioration continue de l'arithmétique (des ordinateurs et des courbes) ces dernières années, ce qui lui permet de se positionner comme un remplaçant crédible au RSA dans le monde industriel. Il est vrai qu'un concepteur de circuits cryptographiques doit chercher à améliorer les performances de son cryptosystème, mais il doit également protéger ce dernier contre des attaques physiques pouvant compromettre sa sécurité. En effet, des attaques efficaces dites "par observation" et "par perturbation" ont été mises en évidence. Le concepteur de circuits cryptographiques doit donc implanter des parades à ces attaques, également appelées contre-mesures. Cependant, l'ajout de ces contre-mesures ne doit pas d'une part ajouter de nouvelles vulnérabilités au cryptosystème, et d'autre part diminuer drastiquement ses performances. Ces travaux de thése proposent une nouvelle architecture d'unité arithmétique pour l'ECC. Il se trouve que les performances de cette derniére sont meilleures que la plupart de celles présentes dans la littérature. Ceci est essentiellement dû à l'utilisation d'une représentation redondante des nombres, appelée repréesentation à retenues signées. Le second r'ésultat principal de ces travaux provient de la protection de cette unité contre les attaques par observation à l'aide de l'état de l'art : ce faisant, nous proposons là encore la solution la plus performante de la littérature. Enfin, nous avons exploré la possibilié de protéger notre circuit contre les attaques par perturbation à l'aide du principe de la préservation de la parité. Cette dernière contribution amène des réesultats encourageants

La thèse se focalise sur la sécurité dans les réseaux mobiles ad hoc (MANET : Mobile Ad hoc NETwork) [RFC 2501]. L'absence d'une gestion centrale des fonctionnalités du réseau rend ces réseaux beaucoup plus vulnérables aux attaques que les réseaux sans fil (WLAN) et filaires (LAN). Malheureusement, les protocoles de sécurité qui existent actuellement ne sont pas conçus pour un tel environnement (dynamique). Ils ne prennent pas la contrainte des ressources en considération car non seulement l'environnement est dynamique, mais les ressources sont aussi limitées (mémoire, capacité de calcul et surtout énergie), ce qui complique davantage la problématique, car on sait bien que les solutions de sécurité sont gourmandes en terme de ressources. Cependant, en raison de l'importance des domaines d'application des réseaux mobiles ad hoc comme les opérations militaires (communication entre les avions, les voitures et le personnel et opérations de secours, situations d'urgence en cas de sinistre, etc . . .), il faut relever le défi, car concevoir un mécanisme de sécurité infaillible pour les réseaux mobiles ad hoc est nécessaire. L'objectif principal de la thèse consiste à étudier les solutions susceptibles d'assurer la sécurité dans les réseaux mobiles ad hoc, en proposant une architecture hiérarchique distribuée qui permet d'établir une infrastructure dynamique à clé publique. Cette architecture doit supporter les différentes caractéristiques de ces réseaux (absence d'une unité centrale de gestion de réseau, topologie réseau dynamique, etc . . .). Dans ce but, un modèle de confiance adapté à l'environnement dynamique pour assurer l'évolution des niveaux de confiance des nœuds est établi. De plus, les vulnérabilités au niveau des autorités de certification sont prises en compte dans le nouveau concept de DDMZ (zone dynamique démilitarisée) que nous proposons. Dans le but de sécuriser les nœuds dont le rôle est crucial au sein du réseau, leur identité doit être cachée. C'est pourquoi le concept d'anonymat est introduit. Un protocole d'authentification anonyme est proposé. De plus, nous nous inspirons du modèle militaire pour mettre en place un mécanisme de camouflage qui cache le rôle des nœuds sensibles. Pour entretenir le modèle de confiance, un mécanisme de surveillance est indispensable. Il est adapté aux contraintes de l'environnement sans fil dynamique et réduit le taux de fausses alarmes (faux positifs). Il est fondé sur une approche inter-couches et un modèle probabiliste pour améliorer l'observation du nœud surveillant. Pour faire face aux attaques intelligentes de type inter-couches, une étude des vulnérabilités au niveau des couches inférieures comme la couche MAC est menée. Ensuite, des mécanismes de prévention et de détection sont analysés et évalués. La performance de ces mécanismes est évaluée avec la prise en compte des métriques primordiales pour les réseaux mobiles ad hoc, telles que la consommation d'énergie, la mobilité, la densité des nœuds et du trafic, etc . . .

Dans cette thèse, je propose des architectures de coprocesseurs haute performance pour implémenter les primitives de cryptographie asymétrique, comme le RSA, les courbes elliptiques ou le couplage. Les coprocesseurs décrits dans cette thèse ont été implémentés dans des FPGA, et présentent des performances jamais égalées auparavant dans la littérature publique sur ce type de technologie. La particularité de ces architectures est l'utilisation du Residue Number System, un mode de représentation alternatif qui utilise les restes chinois pour calculer efficacement les opérations arithmétiques sur les grands nombres. Ces travaux permettent de confirmer expérimentalement les avantages théoriques de ce mode de représentation pour l'arithmétique modulaire, issus de [14, 13, 43]. Au bénéfice théorique que le RNS apporte s'ajoute une forte capacité de parallélisation qui permet d'obtenir des designs réguliers et pipelinés, proposant une fréquence maximale importante tout en réalisant les opérations modulaires dans un nombre très faible de cycles, et ce quelle que soit la taille des nombres. A titre d'exemple, une multiplication scalaire sur une courbe de 160 bits s'effectue en 0.57 ms sur un Altera Stratix, et en 4 ms pour une courbe de 512 bits, là ou les techniques de représentation classiques réalisent la même opération en le double de temps, à technologie équivalente (excepté pour des courbes particulières). Dans le cas du couplage, le gain est encore plus intéressant, puisqu'il a permis une division par 4 de latence de la meilleure implémentation sur corps de grande caractéristique au moment de la publication de [35], et la première implémentation d'un couplage à 128 bits de sécurité sur corps de grande caractéristique à descendre en dessous de la milliseconde. Enfin, je démontre la capacité du RNS à sécuriser une implémentation haute performance, en proposant 2 contre-mesures contre les canaux auxiliaires et les fautes s'adaptant efficacement sur les coprocesseurs et pouvant être utilisées pour toutes les primitives cryptographiques basées sur l'arithmétique modulaire de grands nombres.

Cette thèse s'intéresse aux effets des attaques par fautes physiques sur le code d'un système embarqué en particulier la carte à puce. De telles attaques peuvent compromettre la sécurité du système en donnant accès à des informations confidentielles, en compromettant l'intégrité de données sensibles ou en perturbant le fonctionnement pendant l'exécution. Dans cette thèse, nous décrivons des propriétés de sécurité permettant d'exprimer les garanties du système et établissons un modèle d'attaque de haut niveau définissant les capacités d'un attaquant à modifier le système. Ces propriétés et ce modèle nous servent à vérifier la sécurité du code par analyse statique ou test dynamique, combinés avec l'injection d'attaques, simulant les conséquences logicielles des fautes physiques. Deux méthodologies sont ainsi développées afin de vérifier le comportement fonctionnel du code sous attaques, tester le fonctionnement des sécurités implémentées et identifier de nouvelles attaques. Ces méthodologies ont été mises en oeuvre dans un cadre industriel afin de faciliter le travail du développeur chargé de sécuriser un code de carte à puce.

Ce travail de thèse doctorale traite l'analyse de la vulnérabilité des systèmes critiques pour la sécurité (par exemple, les centrales nucléaires) dans un cadre qui combine les disciplines de l'analyse des risques et de la prise de décision de multi-critères.La contribution scientifique suit quatre directions: (i) un modèle hiérarchique et quantitative est développé pour caractériser la susceptibilité des systèmes critiques pour la sécurité à plusieurs types de danger, en ayant la vue de `tous risques' sur le problème actuellement émergeant dans le domaine de l'analyse des risques; (ii) l'évaluation quantitative de la vulnérabilité est abordé par un cadre de classification empirique: à cette fin, un modèle, en se fondant sur la Majority Rule Sorting (MR-Sort) Méthode, généralement utilisés dans le domaine de la prise de décision, est construit sur la base d'un ensemble de données (en taille limitée) représentant (a priori connu) des exemples de classification de vulnérabilité; (iii) trois approches différentes (à savoir, une model-retrieval-based méthode, la méthode Bootstrap et la technique de validation croisée leave-one-out) sont élaborées et appliquées pour fournir une évaluation quantitative de la performance du modèle de classification (en termes de précision et de confiance dans les classifications), ce qui représente l'incertitude introduite dans l'analyse par la construction empirique du modèle de la vulnérabilité; (iv) basé sur des modèles développés, un problème de classification inverse est résolu à identifier un ensemble de mesures de protection qui réduisent efficacement le niveau de vulnérabilité du système critique à l’étude. Deux approches sont développées dans cet objectif: le premier est basé sur un nouvel indicateur de sensibilité, ce dernier sur l'optimisation.Les applications sur des études de cas fictifs et réels dans le domaine des risques de centrales nucléaires démontrent l'efficacité de la méthode proposée. / This Ph. D. work addresses the vulnerability analysis of safety-critical systems (e.g., nuclear power plants) within a framework that combines the disciplines of risk analysis and multi-criteria decision-making. The scientific contribution follows four directions: (i) a quantitative hierarchical model is developed to characterize the susceptibility of safety-critical systems to multiple types of hazard, within the needed `all-hazard' view of the problem currently emerging in the risk analysis field; (ii) the quantitative assessment of vulnerability is tackled by an empirical classification framework: to this aim, a model, relying on the Majority Rule Sorting (MR-Sort) Method, typically used in the decision analysis field, is built on the basis of a (limited-size) set of data representing (a priori-known) vulnerability classification examples; (iii) three different approaches (namely, a model-retrieval-based method, the Bootstrap method and the leave-one-out cross-validation technique) are developed and applied to provide a quantitative assessment of the performance of the classification model (in terms of accuracy and confidence in the assignments), accounting for the uncertainty introduced into the analysis by the empirical construction of the vulnerability model; (iv) on the basis of the models developed, an inverse classification problem is solved to identify a set of protective actions which effectively reduce the level of vulnerability of the critical system under consideration. Two approaches are developed to this aim: the former is based on a novel sensitivity indicator, the latter on optimization.Applications on fictitious and real case studies in the nuclear power plant risk field demonstrate the effectiveness of the proposed methodology.