La sécurité est un enjeu majeur de notre société numérique. En règle générale, les techniques cryptographiques sont utilisées pour sécuriser l'information avec des clés cryptographiques. Un inconvénient majeur de ces systèmes est le faible lien entre les clés et l’utilisateur. Avec la biométrie on a une preuve plus forte de la présence physique d’un individu, mais ces systèmes possèdent aussi leurs inconvénients, tels que la non-révocabilité ainsi que le potentiel de compromettre notre vie privée. Un axe de recherche multidisciplinaire se profile depuis 1998, la crypto-biométrie. Dans cette thèse des solutions innovantes sont proposées pour améliorer la sécurité tout en protégeant notre vie privée. Plusieurs systèmes crypto-biométriques sont proposés, tels que la biométrie révocable, des systèmes de régénérations de clés crypto-biométriques, ainsi qu’une proposition pratique d’un protocole d'authentification. Ces systèmes sont évaluées sur des bases de données publiques d'images de visage et d'iris / Securing information during its storage and transmission is an important and widely addressed issue. Generally, cryptographic techniques are used for information security. Cryptography requires long keys which need to be kept secret in order to protect the information. The drawback of cryptography is that these keys are not strongly linked to the user identity. In order to strengthen the link between the user's identity and his cryptographic keys, biometrics is combined with cryptography. In this thesis, we present various methods to combine biometrics with cryptography. With this combination, we also address the privacy issue of biometric systems: revocability, template diversity, and privacy protection are added to the biometric verification systems. Finally, we also present a protocol for generating and sharing biometrics based crypto-biometric session keys. These systems are evaluated on publicly available iris and face databases

De nos jours, les vidéos et les images sont devenues un moyen de communication très important. L'acquisition, la transmission, l'archivage et la visualisation de ces données visuelles, que ce soit à titre professionnel ou privé, augmentent de manière exponentielle. En conséquence, la confidentialité de ces contenus est devenue un problème majeur. Pour répondre à ce problème, le chiffrement sélectif est une solution qui assure la confidentialité visuelle des données en ne chiffrant qu'une partie des données. Le chiffrement sélectif permet de conserver le débit initial et de rester conforme aux standards vidéo. Ces travaux de thèse proposent plusieurs méthodes de chiffrement sélectif pour le standard vidéo H.264/AVC. Des méthodes de réduction du chiffrement sélectif grâce à l'architecture du standard H.264/AVC sont étudiées afin de trouver le ratio de chiffrement minimum mais suffisant pour assurer la confidentialité visuelle des données. Les mesures de qualité objectives sont utilisées pour évaluer la confidentialité visuelle des vidéos chiffrées. De plus, une nouvelle mesure de qualité est proposée pour analyser le scintillement des vidéos au cours du temps. Enfin, une méthode de chiffrement sélectif réduit régulé par des mesures de qualité est étudiée afin d'adapter le chiffrement en fonction de la confidentialité visuelle fixée. / Nowadays, videos and images are major sources of communication for professional or personal purposes. Their number grow exponentially and the confidentiality of the content has become a major problem for their acquisition, transmission, storage, and display. In order to solve this problem, selective encryption is a solution which provides visual privacy by encrypting only a part of the data. Selective encryption preserves the initial bit-rate and maintains compliance with the syntax of the standard video. This Ph.D thesis offers several methods of selective encryption for H.264/AVC video standard. Reduced selective encryption methods, based on the H.264/AVC architecture, are studied in order to find the minimum ratio of encryption but sufficient to ensure visual privacy. Objective quality measures are used to assess the visual privacy of encrypted videos. In addition, a new quality measure is proposed to analyze the video flicker over time. Finally, a method for a reduced selective encryption regulated by quality measures is studied to adapt the encryption depending on the visual privacy fixed.

Cryptography is of fundamental importance to guarantee the security of communications, from the point-to-point transmission of messages and documents to the storage of big sets of data on cloud providers. As an example, we can use encryption, message authentication codes, and digital signatures to help us guarantee the privacy, integrity, and authenticity of data that is stored and/or transmitted. Many cryptographical solutions have a Boolean outcome, for example, the message is either authentic and accepted as it is, or it is not and so it needs to be rejected/re-transmitted. This outcome may be acceptable in scenarios where we can easily re-transmit the message, but it can pose a challenge when we deal with a large amount of data or a more sensitive content in which changes need to be further explored. In this context, this thesis proposes solutions to provide fault tolerance to certain cryptographic problems that traditionally have an all-or-nothing outcome. Fault tolerance is application dependent. In the case of a digital signature of a doc- ument that has been later modified, a fault-tolerant scheme can ensure authenticity and further identify which parts of the document were modified. This approach can be used in data forensics to investigate cybercrime, or to create redactable signatures for the purpose of privacy. In the case of aggregation of signatures, we consider an aggregation of a set of signatures containing a few invalid signatures (in the traditional sense). A fault-tolerant scheme is able to identify which signatures are valid and which ones are invalid, instead of rejecting the whole set. Digital signatures and aggregation of digital signatures require fault tolerance to be ensured at the origin (signer algorithm and aggregation algorithm, respectively), rather than just at the destination (verification algorithm). For this rea- son, we focus on techniques from combinatorial group testing that are nonadaptive rather than adaptive. This is in contrast with other applications of group testing, such as batch verification of signatures, employed at the verifier’s end which allow both adaptive and nonadaptive solutions. In this work, we explore solutions for fault tolerance using techniques of identification of defective elements used in nonadaptive combinatorial group testing. More specifically, we use the well studied cover-free families (CFFs). A d-cover-free family d-CFF(t, n) is a set system with n subsets of a t-set, where the union of any d subsets does not contain any other. A d-CFF(t, n) allows for the identification of up to d defective elements in a set of n elements by performing only t tests (typically t ≪ n). In the literature, CFFs are used to solve many problems in cryptography. In this work, we explore different aspects of cover-free families in order to better approach fault tolerance problems. The problems we investigate can be divided into two categories: static problems (fixed size) and dynamic problems (increasing size). In the context of static problems, we consider modification-tolerant digital signature schemes, which allow the identification of modifica- tions in signed data using a d-CFF, and in some cases the correction of such modifications in order to retrieve the originally signed data. We also propose a generalization of the classical definition of a d-CFF to support variable cover-free property, followed by some constructions and potential applications in cryptography. For dynamic problems, we con- sider the application of fault-tolerant aggregation of signatures. This problem requires an ii infinite sequence of CFFs with increasing n, consequently increasing t, and potentially in- creasing d. In this context, we investigate monotone, nested, and embedding sequences of CFFs, and propose constructions using techniques from combinatorial design theory and finite fields. In constructing these families, we are concerned with their compression ratio. The compression ratio of a sequence of CFFs measures how slowly the number of tests grow with respect to the number of elements to be tested, which affects the overall efficiency of the method. We provide constructions of CFF sequences with different compression ratios, which depend on relations among the CFF parameters in the sequence and the type of sequence. Some of these sequences achieve the best possible compression ratio, which meets the best known upper bound. Monotone, nested and embedding sequences of CFFs can be used in any group testing problem that is dynamic in nature. We discuss various cryptographical applications that can benefit from these infinite sequences of CFFs.

近期電子投票系統被廣泛討論，許多國家也開始實行電子投票系統來取代傳統紙本投票。而一套完整的電子投票系統欲取代傳統紙本投票，此系統就必須滿足傳統紙本投票的需求，有完善的機制用以保護投票者在進行投票時的隱私性，保證投票者的身分及選票內容不被其他人得知，並維持整個投票過程的完整性、可驗證性及公平性等等的需求，系統的穩定性也是必須要考量的因素。 本篇論文主要針對投票者的隱私性及如何減輕投票者的負擔進行討論，我們提出了參考愛沙尼亞國家的電子投票系統的優點做結合，設計出一個改良的基於模糊簽章的電子投票系統。 / Electronic voting systems have been widely investigated in recent years since they are very convenient for voters. Many countries have begun to implement electronic voting system to replace the traditional voting system. In order to replace the traditional voting system, an e-voting system must satisfy all the security requirements of those in a traditional voting system. Those security requirements are, firstly, to have a sound mechanism to protect a voter’s privacy, and to ensure that the identity of a voter or the content of a ballot will not be leaked to others. Moreover, it must maintain the integrity, verifiability and fairness during the entire voting process. To keep the system stable during the voting process is also an important factor that must be considered. This thesis is a research on designing a secure electronic voting system. Based on some existing electronic voting systems, we design an improved system to enhance the privacy protection of voters on one hand and to reduce the loading of voters on the other hand. In detail, our scheme is modified from the existing e-voting system of Estonian state, and we proposed an improved e-voting system which uses the oblivious signatures as a building block.

Cette thèse porte sur l'étude de certains aspects des codes correcteurs d'erreurs et leurs applications à la sécurité de l'information. Plus spécifiquement, on s'est intéressé aux problèmes de décodage complet et de décodage en liste. Une nouvelle notion de codes a été introduite en liant une famille de codes et un algorithme de décodage, mettant ainsi en évidence les codes pour lesquels le décodage complet est réalisable en un temps polynomial. On présente ensuite une reformulation de l'algorithme de Koetter et Vardy pour le décodage en liste pour les codes alternant et analysons sa complexité. Cette méthode a permit de présenter une réduction de la taille de la clé du cryptosystème de McEliece, allant jusqu'à 21\% pour la variante dyadique. On s'est également intéressé à la stéganographie basée sur les codes. On propose différentes bornes caractérisant les stégosystèmes utilisant des codes linéaires, de façon à assurer la solvabilité du problème d'insertion avec des positions verrouillées. Une de ces bornes permet d'affirmer que plus le rang MDS du code utilisé est bas, plus ce code permettra de concevoir un stégosystème efficace. On montre également que les codes non-linéaires systématiques sont également de bons candidats. Enfin, on reformule le problème d'insertion bornée avec des positions verrouillées rendant ainsi l'insertion toujours possible, et on démontre que les codes de Hamming binaires permettent de satisfaire à toutes les contraintes exhibées.

Cette thèse porte sur l'étude de certains aspects des codes correcteurs d'erreurs et leurs applications à la sécurité de l'information. Plus spécifiquement, on s'est intéressé aux problèmes de décodage complet et de décodage en liste. Une nouvelle notion de codes a été introduite en liant une famille de codes et un algorithme de décodage, mettant ainsi en évidence les codes pour lesquels le décodage complet est réalisable en un temps polynomial. On présente ensuite une reformulation de l'algorithme de Koetter et Vardy pour le décodage en liste pour les codes alternant et analysons sa complexité. Cette méthode a permit de présenter une réduction de la taille de la clé du cryptosystème de McEliece, allant jusqu'à 21\% pour la variante dyadique. On s'est également intéressé à la stéganographie basée sur les codes. On propose différentes bornes caractérisant les stégosystèmes utilisant des codes linéaires, de façon à assurer la solvabilité du problème d'insertion avec des positions verrouillées. Une de ces bornes permet d'affirmer que plus le rang MDS du code utilisé est bas, plus ce code permettra de concevoir un stégosystème efficace. On montre également que les codes non-linéaires systématiques sont également de bons candidats. Enfin, on reformule le problème d'insertion bornée avec des positions verrouillées rendant ainsi l'insertion toujours possible, et on démontre que les codes de Hamming binaires permettent de satisfaire à toutes les contraintes exhibées.

Cette thèse porte sur la mesure et la caractérisation du trafic dans le Réseau National Universitaire (RNU) avec des applications à la détection des anomalies. Pour ce faire, une sonde de mesures passives a été déployée sur le réseau RNU. Plusieurs traces de trafic ont été collectées puis analysées, relevant ainsi les caractéristiques du trafic RNU en les comparant avec l'état de l'art. Par la suite, deux approches de détection d'anomalies basées sur des algorithmes non paramétriques et utilisant des données faciles à collecter sont proposées. La première considère comme anomalie, tout point excentrique dans les séries temporelles de métriques de volume et utilise l'analyse en composantes principales et la distance de Mahalanobis. La seconde traque les variations affectant les distributions du trafic de scan dans l'espace des adresses IP et des numéros de ports visités. Son évaluation face à des traces de trafic réelles et des traces artificiellement modifiées a montré que la divergence de Kullback-Leibler de la distribution conjointe permet d'exposer la présence de tous les scans aussi bien horizontaux que verticaux.

Description de mes activités de recherche réalisées depuis plus de 20 ans.

Historiquement séparées, sûreté et sécurité sont pourtant deux problématiques intimement liées. Si les trop rares initiatives de décloisonnement, adaptant notamment des outils d'un domaine à l'autre, ont abouti à des résultats convaincants, ce décloisonnement reste encore timide et son potentiel considérable. De plus, la récente convergence de risques de sécurité et de sûreté implique des interactions inédites entre exigences et mesures auparavant distinctes, dont la caractérisation nécessite une perspective globale. Dans ces conditions, ces travaux de thèse ont d'abord visé à mieux cerner les notions de sûreté et de sécurité. Ils ont conduit à un cadre référentiel dénommé SEMA (Système-Environnement Malveillant-Accidentel) permettant de positionner ces concepts l'un par rapport à l'autre selon les contextes. La complémentarité des outils de chaque discipline a ensuite été explorée. Cette démarche s'est concrétisée par l'adaptation des BDMP (Boolean logic Driven Markov Processes), issus de la sûreté, au domaine de la modélisation graphique d'attaques. Ils permettent de dépasser bien des limites des techniques classiquement employées. Enfin, l'extension des BDMP a été mise à profit pour fournir un formalisme intégratif, permettant de capturer graphiquement et de caractériser des situations où risques sûreté et sécurité s'exercent conjointement. Pour chacune de ces trois contributions, limites, améliorations et voies alternatives ont été identifiées. Elles n'auront sens que si les communautés de la sûreté et de la sécurité accentuent leur rapprochement, dont cette thèse se veut à la fois une manifestation et une invitation.

<p>This doctoral thesis summarizes research in quantum cryptography done at the Department of Electronics and Telecommunications at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) from 1998 through 2007.</p><p>The opening parts contain a brief introduction into quantum cryptography as well as an overview of all existing single photon detection techniques for visible and near infrared light. Then, our implementation of a fiber optic quantum key distribution (QKD) system is described. We employ a one-way phase coding scheme with a 1310 nm attenuated laser source and a polarization-maintaining Mach-Zehnder interferometer. A feature of our scheme is that it tracks phase drift in the interferometer at the single photon level instead of employing hardware phase control measures. An optimal phase tracking algorithm has been developed, implemented and tested. Phase tracking accuracy of +-10 degrees is achieved when approximately 200 photon counts are collected in each cycle of adjustment. Another feature of our QKD system is that it uses a single photon detector based on a germanium avalanche photodiode gated at 20 MHz. To make possible this relatively high gating rate, we have developed, implemented and tested an afterpulse blocking technique, when a number of gating pulses is blocked after each registered avalanche. This technique allows to increase the key generation rate nearly proportionally to the increase of the gating rate. QKD has been demonstrated in the laboratory setting with only a very limited success: by the time of the thesis completion we had malfunctioning components in the setup, and the quantum bit error rate remained unstable with its lowest registered value of about 4%.</p><p>More than half of the thesis is devoted to various security aspects of QKD. We have studied several attacks that exploit component imperfections and loopholes in optical schemes. In a large pulse attack, settings of modulators inside Alice's and Bob's setups are read out by external interrogating light pulses, without interacting with quantum states and without raising security alarms. An external measurement of phase shift at Alice's phase modulator in our setup has been demonstrated experimentally. In a faked states attack, Eve intercepts Alice's qubits and then utilizes various optical imperfections in Bob's scheme to construct and resend light pulses in such a way that Bob does not distinguish his detection results from normal, whereas they give Bob the basis and bit value chosen at Eve's discretion. Construction of such faked states using several different imperfections is discussed. Also, we sketch a practical workflow of breaking into a running quantum cryptolink for the two abovementioned classes of attacks. A special attention is paid to a common imperfection when sensitivity of Bob's two detectors relative to one another can be controlled by Eve via an external parameter, for example via the timing of the incoming pulse. This imperfection is illustrated by measurements on two different single photon detectors. Quantitative results for a faked states attack on the Bennett-Brassard 1984 (BB84) and the Scarani-Acin-Ribordy-Gisin 2004 (SARG04) protocols using this imperfection are obtained. It is shown how faked states can in principle be constructed for quantum cryptosystems that use a phase-time encoding, the differential phase shift keying (DPSK) and the Ekert protocols. Furthermore we have attempted to integrate this imperfection of detectors into the general security proof for the BB84 protocol. For all attacks, their applicability to and implications for various known QKD schemes are considered, and countermeasures against the attacks are proposed.</p><p>The thesis incorporates published papers [J. Mod. Opt. 48, 2023 (2001)], [Appl. Opt. 43, 4385 (2004)], [J. Mod. Opt. 52, 691 (2005)], [Phys. Rev. A 74, 022313 (2006)], and [quant-ph/0702262].</p>