La cryptographie à base de réseaux euclidiens est aujourd'hui un domaine scientifique en pleine expansion et connait une évolution rapide et accélérée par l'attractivité du chiffrement complètement homomorphe ou des applications multilinéaires cryptographiques. Ses propriétés sont très attractives : une sécurité pouvant être réduite à la difficulté des pires cas de problèmes sur les réseaux euclidiens, une efficacité asymptotique quasi-optimale et une résistance présupposée aux ordinateurs quantiques. Cependant, on dénombre encore peu de résultats de recherche sur les constructions à visée pratique pour un niveau de sécurité fixé. Cette thèse s'inscrit dans cette direction et travaille à réduire l'écart entre la théorie et la pratique de la cryptographie à clé publique récente. Dans cette thèse, nous concevons et implémentons une signature numérique basée sur les réseaux euclidiens, deux schémas de chiffrement complètement homomorphe et des applications multilinéaires cryptographiques. Notre signature digitale ultra-performante, BLISS, ouvre la voie à la mise en pratique de la cryptographie à base de réseaux sur petites architectures et est un candidat sérieux à la cryptographie post-quantique. Nos schémas de chiffrement complètement homomorphes permettent d'évaluer des circuits non triviaux de manière compétitive. Finalement, nous proposons la première implémentation d'applications multilinéaires et réalisons, pour la première fois, un échange de clé non interactif entre plus de trois participants en quelques secondes.

La cryptographie basée sur les réseaux a connu depuis quelques années un très fort développement notamment du fait qu’il existe des systèmes cryptographiques basés sur les réseaux avec des propriétés de sécurité plus fortes que dans les cas plus classiques de théorie des nombres. Les problèmes difficiles des réseaux, par exemple le problème de trouver des vecteurs courts non nuls, semblent résister aux attaques utilisant des ordinateurs quantiques et les meilleurs algorithmes qui existent pour les résoudre sont exponentiels en fonction du temps. L’objet de cette thèse est la construction de primitives cryptographiques à clé publique pour l’ano- nymat dont la sécurité repose sur des problèmes difficiles des réseaux.Nous nous intéressons aux schémas de signature de cercle. Tout d’abord, nous proposons une nouvelle définition d’anonymat et nous exposons un nouveau schéma de signature de cercle. Ensuite, nous donnons une étude de sécurité rigoureuse suivant deux définitions de résistance la contrefaçon. La première est la résistance à la contrefaçon contre les attaques à sous-cercles choisis et la deuxième est la résistance à la contrefaçon contre les attaques de corruption interne.Nous présentons ensuite un nouveau schéma d’identification de cercle et nous développons une analyse complète de sa sécurité. Enfin, nous montrons que les techniques utilisées pour construire le schéma précédent peuvent être utilisées pour construire un schéma d’identification de cercle à seuil. / Lattice-based cryptography has known during the last decade rapid develop- ments thanks to stronger security properties. In fact, there exist lattice-based cryp- tographic systems whose security is stronger than those based on the conventional number theory approach. The hard problems of lattices, for example the problem of finding short non-zero vectors, seems to resist quantum computers attacks. Mo- reover, the best existing algorithms solving them are exponential in time. The pur- pose of this thesis is the construction of public key cryptographic primitives for anonymity, whose security is based on the latter.In particular, we are interested in ring signature schemes. First, we propose a new formal definition of anonymity and we present a new ring signature scheme. Second, we give a rigorous study of security, following two definitions of unfor- geability. The first of which is unforgeability against chosen-subring attacks and the other one is unforgeability with respect to insider corruption.Afterwards, we present a new ring identification scheme and we develop a full analysis of its security. Finally, we show that the techniques used to build this scheme, can be used to construct a threshold ring identification scheme.

La cryptographie à base de codes correcteurs, introduite par Robert McEliece en 1978, est un candidat potentiel au remplacement des primitives asymétriques vulnérables à l'émergence d'un ordinateur quantique. Elle possède de plus une sécurité classique éprouvée depuis plus de trente ans, et permet des fonctions de chiffrement très rapides. Son défaut majeur réside dans la taille des clefs publiques. Pour cette raison, plusieurs variantes du schéma de McEliece pour lesquelles les clefs sont plus aisées à stocker ont été proposées ces dernières années. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux variantes utilisant soit des codes alternants avec symétrie, soit des codes de Goppa sauvages. Nous étudions leur résistance aux attaques algébriques et exhibons des faiblesses parfois fatales. Dans chaque cas, nous révélons l'existence de structures algébriques cachées qui nous permettent de décrire la clef secrète par un système non-linéaire d'équations en un nombre de variables très inférieur aux modélisations antérieures. Sa résolution par base de Gröbner nous permet de trouver la clef secrète pour de nombreuses instances hors de portée jusqu'à présent et proposés pour un usage à des fins cryptographiques. Dans le cas des codes alternants avec symétrie, nous montrons une vulnérabilité plus fondamentale du processus de réduction de taille de la clef.Pour un déploiement à l'échelle industrielle de la cryptographie à base de codes correcteurs, il est nécessaire d'en évaluer la résistance aux attaques physiques, qui visent le matériel exécutant les primitives. Nous décrivons dans cette optique un algorithme de déchiffrement McEliece plus résistant que l'état de l'art. / Code-based cryptography, introduced by Robert McEliece in 1978, is a potential candidate to replace the asymetric primitives which are threatened by quantum computers. More generral, it has been considered secure for more than thirty years, and allow very vast encryption primitives. Its major drawback lies in the size of the public keys. For this reason, several variants of the original McEliece scheme with keys easier to store were proposed in the last years.In this thesis, we are interested in variants using alternant codes with symmetries and wild Goppa codes. We study their resistance to algebraic attacks, and reveal sometimes fatal weaknesses. In each case, we show the existence of hidden algebraic structures allowing to describe the secret key with non-linear systems of multivariate equations containing fewer variables then in the previous modellings. Their resolutions with Gröbner bases allow to find the secret keys for numerous instances out of reach until now and proposed for cryptographic purposes. For the alternant codes with symmetries, we show a more fondamental vulnerability of the key size reduction process. Prior to an industrial deployment, it is necessary to evaluate the resistance to physical attacks, which target device executing a primitive. To this purpose, we describe a decryption algorithm of McEliece more resistant than the state-of-the-art.Code-based cryptography, introduced by Robert McEliece in 1978, is a potential candidate to replace the asymetric primitives which are threatened by quantum computers. More generral, it has been considered secure for more than thirty years, and allow very vast encryption primitives. Its major drawback lies in the size of the public keys. For this reason, several variants of the original McEliece scheme with keys easier to store were proposed in the last years.In this thesis, we are interested in variants using alternant codes with symmetries and wild Goppa codes. We study their resistance to algebraic attacks, and reveal sometimes fatal weaknesses. In each case, we show the existence of hidden algebraic structures allowing to describe the secret key with non-linear systems of multivariate equations containing fewer variables then in the previous modellings. Their resolutions with Gröbner bases allow to find the secret keys for numerous instances out of reach until now and proposed for cryptographic purposes. For the alternant codes with symmetries, we show a more fondamental vulnerability of the key size reduction process. Prior to an industrial deployment, it is necessary to evaluate the resistance to physical attacks, which target device executing a primitive. To this purpose, we describe a decryption algorithm of McEliece more resistant than the state-of-the-art.

Cette thèse se concentre sur les problèmes liés à l’authentification dans la technologie RFID. Cette technologie est l’une des technologies les plus prometteuses dans le domaine de l’informatique ubiquitaire, elle est souvent désignée comme la prochaine révolution après Internet. Cependant, à cause des ressources très limitées en termes de calcul, mémoire et énergie sur les étiquettes RFID, les algorithmes classiques de sécurité ne peuvent pas être implémentés sur les étiquettes à bas coût rendant ainsi la sécurité et la vie privée un important sujet de recherche aujourd’hui. Dans un premier temps, nous étudions le passage à l’échelle dans les systèmes RFID à bas coût en développant un module pour ns-3 qui simule le standard EPC Class 1 Generation 2 pour établir un cadre stricte pour l’identification sécurisée des RFID à bas coût, ce qui nous conduit à l’utilisation de la cryptographie à clés publiques. Ensuite, nous proposons un protocole d’authentification basé sur une adaptation que nous avons introduit sur le célèbre cryptosystème NTRU. Ce protocole est spécialement conçu pour les RFID à bas coût comme les étiquettes n’implémentent que des opérations simples (xor, décalages, addition) et il garantit le passage à l’échelle. Enfin, nous considérons l’identification à divulgation nulle de connaissance, ce type d’approches est très utile dans de nombreuses applications RFID. Nous proposons deux protocoles à divulgation nulle de connaissance basés sur cryptoGPS et cryptoGPS randomisé. Ces approches consistent à stocker sur le serveur des coupons pré-calculés, ainsi la sécurité et la vie privée sont mieux supportées que dans les autres approches de ce type / This thesis focuses on issues related to authentication in low-cost radio frequency identification technology, more commonly referred to as RFID. This technology it is often referred to as the next technological revolution after the Internet. However, due to the very limited resources in terms of computation, memory and energy on RFID tags, conventional security algorithms cannot be implemented on low-cost RFID tags making security and privacy an important research subject today. First of all, we investigate the scalability in low-cost RFID systems by developing a ns-3 module to simulate the universal low-cost RFID standard EPC Class-1 Generation-2 in order to establish a strict framework for secure identification in low-cost RFID systems. We show that, the symmetrical key cryptography is excluded from being used in any scalable low-cost RFID standard. Then, we propose a scalable authentification protocol based on our adaptation of the famous public key cryptosystem NTRU. This protocol is specially designed for low-cost RFID systems, it can be efficiently implemented into low-cost tags. Finally, we consider the zero-knowledge identification i.e. when the no secret sharing between the tag and the reader is needed. Such identification approaches are very helpful in many RFID applications when the tag changes constantly the field of administration. We propose two lightweight zero-knowledge identification approaches based on GPS and randomized GPS schemes. The proposed approaches consist in storing in the back-end precomputed values in the form of coupons. So, the GPS-based variant can be private and the number of coupons can be much higher than in other approaches thus leading to higher resistance to denial of service attacks for cheaper tags

De nombreux systèmes numériques nécessitent des primitives de cryptographie asymétrique de plus en plus performantes mais aussi robustes aux attaques et peu coûteuses pour les applications embarquées. Dans cette optique, la cryptographie sur courbe hyperelliptique (HECC) a été proposée comme une alternative intéressante aux techniques actuelles du fait de corps finis plus petits. Nous avons étudié des cryptoprocesseurs HECC matériels performants, flexibles et robustes contre certaines attaques physiques. Tout d’abord, nous avons proposé une nouvelle architecture d’opérateurs exécutant, en parallèle, plusieurs multiplications modulaires (A × B) mod P, où P est un premier générique de quelques centaines de bits et configurable dynamiquement. Elle permet le calcul de la grande majorité des opérations nécessaires pour HECC. Nous avons développé un générateur d’opérateurs, distribué en logiciel libre, pour l'exploration de nombreuses variantes de notre architecture. Nos meilleurs opérateurs sont jusqu'à 2 fois plus petits et 2 fois plus rapids que les meilleures solutions de l'état de l'art. Ils sont aussi flexibles quant au choix de P et atteignent les fréquences maximales du FPGA. Dans un second temps, nous avons développé des outils de modélisation et de simulation pour explorer, évaluer et valider différentes architectures matérielles pour la multiplication scalaire dans HECC sur les surfaces de Kummer. Nous avons implanté, validé et évalué les meilleures architectures sur différents FPGA. Elles atteignent des vitesses similaires aux meilleures solutions comparables de l’état de l’art, mais pour des surfaces réduites de moitié. La flexibilité obtenue permet de modifier lors de l'exécution les paramètres des courbes utilisées. / Many digital systems require primitives for asymmetric cryptography that are more and more efficient but also robust to attacks and inexpensive for embedded applications. In this perspective, and thanks to smaller finite fields, hyperelliptic curve cryptography (HECC) has been proposed as an interesting alternative to current techniques. We have studied efficient and flexible hardware HECC cryptoprocessors that are also robust against certain physical attacks. First, we proposed a new operator architecture able to compute, in parallel, several modular multiplications (A × B) mod P, where P is a generic prime of a few hundred bits and configurable at run time. It allows the computation of the vast majority of operations required for HECC. We have developed an operator generator, distributed in free software, for the exploration of many variants of our architecture. Our best operators are up to 2 times smaller and twice as fast as the best state-of-the-art solutions. They are also flexible in the choice of P and reach the maximum frequencies of the FPGA. In a second step, we developed modeling and simulation tools to explore, evaluate and validate different hardware architectures for scalar multiplication in HECC on Kummer surfaces. We have implemented, validated and evaluated the best architectures on various FPGA. They reach speeds similar to the best comparable solutions of the state of the art, but for halved surfaces. The flexibility obtained makes it possible to modify the parameters of the curves used during execution.

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 . . .

Bien que relativement récente, la cryptographie à base de réseaux euclidiens s’est distinguée sur de nombreux points, que ce soit par la richesse des constructions qu’elle permet, par sa résistance supposée à l’avènement des ordinateursquantiques ou par la rapidité dont elle fait preuve lorsqu’instanciée sur certaines classes de réseaux. Un des outils les plus puissants de la cryptographie sur les réseaux est le Gaussian sampling. À très haut niveau, il permet de prouver qu’on connaît une base particulière d’un réseau, et ce sans dévoiler la moindre information sur cette base. Il permet de réaliser une grande variété de cryptosystèmes. De manière quelque peu surprenante, on dispose de peu d’instanciations pratiques de ces schémas cryptographiques, et les algorithmes permettant d’effectuer du Gaussian sampling sont peu étudiés. Le but de cette thèse est de combler le fossé qui existe entre la théorie et la pratique du Gaussian sampling. Dans un premier temps, nous étudions et améliorons les algorithmes existants, à la fois par une analyse statistique et une approche géométrique. Puis nous exploitons les structures sous-tendant de nombreuses classes de réseaux, ce qui nous permet d’appliquer à un algorithme de Gaussian sampling les idées de la transformée de Fourier rapide, passant ainsi d’une complexité quadratique à quasilinéaire. Enfin, nous utilisons le Gaussian sampling en pratique et instancions un schéma de signature et un schéma de chiffrement basé sur l’identité. Le premierfournit des signatures qui sont les plus compactes obtenues avec les réseaux à l’heure actuelle, et le deuxième permet de chiffrer et de déchiffrer à une vitesse près de mille fois supérieure à celle obtenue en utilisant un schéma à base de couplages sur les courbes elliptiques. / Although rather recent, lattice-based cryptography has stood out on numerous points, be it by the variety of constructions that it allows, by its expected resistance to quantum computers, of by its efficiency when instantiated on some classes of lattices. One of the most powerful tools of lattice-based cryptography is Gaussian sampling. At a high level, it allows to prove the knowledge of a particular lattice basis without disclosing any information about this basis. It allows to realize a wide array of cryptosystems. Somewhat surprisingly, few practical instantiations of such schemes are realized, and the algorithms which perform Gaussian sampling are seldom studied. The goal of this thesis is to fill the gap between the theory and practice of Gaussian sampling. First, we study and improve the existing algorithms, byboth a statistical analysis and a geometrical approach. We then exploit the structures underlying many classes of lattices and apply the ideas of the fast Fourier transform to a Gaussian sampler, allowing us to reach a quasilinearcomplexity instead of quadratic. Finally, we use Gaussian sampling in practice to instantiate a signature scheme and an identity-based encryption scheme. The first one yields signatures that are the most compact currently obtained in lattice-based cryptography, and the second one allows encryption and decryption that are about one thousand times faster than those obtained with a pairing-based counterpart on elliptic curves.

La sécurité de l’information repose sur la bonne interaction entre différents niveaux d’abstraction : les composants matériels, systèmes d’exploitation, algorithmes, et réseaux de communication. Cependant, protéger ces éléments a un coût ; ainsi de nombreux appareils sont laissés sans bonne couverture. Cette thèse s’intéresse à ces différents aspects, du point de vue de la sécurité et de la cryptographie. Nous décrivons ainsi de nouveaux algorithmes cryptographiques (tels que des raffinements du chiffrement de Naccache–Stern), de nouveaux protocoles (dont un algorithme d’identification distribuée à divulgation nulle de connaissance), des algorithmes améliorés (dont un nouveau code correcteur et un algorithme efficace de multiplication d’entiers),ainsi que plusieurs contributions à visée systémique relevant de la sécurité de l’information et à l’intrusion. En outre, plusieurs de ces contributions s’attachent à l’amélioration des performances des constructions existantes ou introduites dans cette thèse. / Information security relies on the correct interaction of several abstraction layers: hardware, operating systems, algorithms, and networks. However, protecting each component of the technological stack has a cost; for this reason, many devices are left unprotected or under-protected. This thesis addresses several of these aspects, from a security and cryptography viewpoint. To that effect we introduce new cryptographic algorithms (such as extensions of the Naccache–Stern encryption scheme), new protocols (including a distributed zero-knowledge identification protocol), improved algorithms (including a new error-correcting code, and an efficient integer multiplication algorithm), as well as several contributions relevant to information security and network intrusion. Furthermore, several of these contributions address the performance of existing and newly-introduced constructions.

Le premier protocole cryptographique basé sur les codes correcteurs d'erreurs a été proposé en 1978 par Robert McEliece. La cryptographie basée sur les codes est dite post-quantique car il n'existe pas à l'heure actuelle d'algorithme capable d'attaquer ce type de protocoles en temps polynomial, même en utilisant un ordinateur quantique, contrairement aux protocoles basés sur des problèmes de théorie des nombres. Toutefois, la sécurité du cryptosystème de McEliece ne repose pas uniquement sur des problèmes mathématiques. L'implantation, logicielle ou matérielle, a également un rôle très important pour sa sécurité et l'étude de celle-ci face aux attaques par canaux auxiliaires/cachés n'a débuté qu'en 2008. Des améliorations sont encore possibles. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles attaques sur le déchiffrement du cryptosystème de McEliece, utilisé avec les codes de Goppa classiques, ainsi que des contre-mesures correspondantes. Les attaques proposées sont des analyses de temps d'exécution ou de consommation d'énergie. Les contre-mesures associées reposent sur des propriétés mathématiques et algorithmiques. Nous montrons qu'il est essentiel de sécuriser l'algorithme de déchiffrement en le considérant dans son ensemble et non pas seulement étape par étape / The first cryptographic protocol based on error-correcting codes was proposed in 1978 by Robert McEliece. Cryptography based on codes is called post-quantum because until now, no algorithm able to attack this kind of protocols in polynomial time, even using a quantum computer, has been proposed. This is in contrast with protocols based on number theory problems like factorization of large numbers, for which efficient Shor's algorithm can be used on quantum computers. Nevertheless, the McEliece cryptosystem security is based not only on mathematical problems. Implementation (in software or hardware) is also very important for its security. Study of side-channel attacks against the McEliece cryptosystem have begun in 2008. Improvements can still be done. In this thesis, we propose new attacks against decryption in the McEliece cryptosystem, used with classical Goppa codes, including corresponding countermeasures. Proposed attacks are based on evaluation of execution time of the algorithm or its power consumption analysis. Associate countermeasures are based on mathematical and algorithmic properties of the underlying algorithm. We show that it is necessary to secure the decryption algorithm by considering it as a whole and not only step by step

Est-il possible de démontrer un théorème prouvant que l’accès aux données confidentielles d’un utilisateur d’un service Web (tel que GMail) nécessite la connaissance de son mot de passe, en supposant certaines hypothèses sur ce qu’un attaquant est incapable de faire (par exemple, casser des primitives cryptographiques ou accéder directement aux bases de données de Google), sans toutefois le restreindre au point d’exclure des attaques possibles en pratique?Il existe plusieurs facteurs spécifiques aux protocoles du Web qui rendent impossible une application directe des méthodes et outils existants issus du domaine de l’analyse des protocoles cryptographiques.Tout d’abord, les capacités d’un attaquant sur le Web vont largement au-delà de la simple manipulation des messages échangés entre le client et le serveur sur le réseau. Par exemple, il est tout à fait possible (et même fréquent en pratique) que l’utilisateur ait dans son navigateur un onglet contenant un site contrôlé par l’adversaire pendant qu’il se connecte à sa messagerie (par exemple, via une bannière publicitaire) ; cet onglet est, comme n’importe quel autre site, capable de provoquer l’envoi de requêtes arbitraires vers le serveur de GMail, bien que la politique d’isolation des pages du navigateur empêche la lecture directe de la réponse à ces requêtes. De plus, la procédure pour se connecter à GMail implique un empilement complexe de protocoles : tout d’abord, un canal chiffré, et dont le serveur est authentifié, est établi avec le protocole TLS ; puis, une session HTTP est créée en utilisant un cookie ; enfin, le navigateur exécute le code JavaScript retourné par le client, qui se charge de demander son mot de passe à l’utilisateur.Enfin, même en imaginant que la conception de ce système soit sûre, il suffit d’une erreur minime de programmation (par exemple, une simple instruction goto mal placée) pour que la sécurité de l’ensemble de l’édifice s’effondre.Le but de cette thèse est de bâtir un ensemble d’outils et de librairies permettant de programmer et d’analyser formellement de manière compositionelle la sécurité d’applicationsWeb confrontées à un modère plausible des capacités actuelles d’un attaquant sur le Web. Dans cette optique, nous étudions la conception des divers protocoles utilisés à chaque niveau de l’infrastructure du Web (TLS, X.509, HTTP, HTML, JavaScript) et évaluons leurs compositions respectives. Nous nous intéressons aussi aux implémentations existantes et en créons de nouvelles que nous prouvons correctes afin de servir de référence lors de comparaisons. Nos travaux mettent au jour un grand nombre de vulnérabilités aussi bien dans les protocoles que dans leurs implémentations, ainsi que dans les navigateurs, serveurs, et sites internet ; plusieurs de ces failles ont été reconnues d’importance critiques. Enfin, ces découvertes ont eu une influence sur les versions actuelles et futures du protocole TLS. / As ever more private user data gets stored on the Web, ensuring proper protection of this data (in particular when it transits through untrusted networks, or when it is accessed by the user from her browser) becomes increasingly critical. However, in order to formally prove that, for instance, email from GMail can only be accessed by knowing the user’s password, assuming some reasonable set of assumptions about what an attacker cannot do (e.g. he cannot break AES encryption), one must precisely understand the security properties of many complex protocols and standards (including DNS, TLS, X.509, HTTP, HTML,JavaScript), and more importantly, the composite security goals of the complete Web stack.In addition to this compositional security challenge, onemust account for the powerful additional attacker capabilities that are specific to the Web, besides the usual tampering of network messages. For instance, a user may browse a malicious pages while keeping an active GMail session in a tab; this page is allowed to trigger arbitrary, implicitly authenticated requests to GMail using JavaScript (even though the isolation policy of the browser may prevent it from reading the response). An attacker may also inject himself into honest page (for instance, as a malicious advertising script, or exploiting a data sanitization flaw), get the user to click bad links, or try to impersonate other pages.Besides the attacker, the protocols and applications are themselves a lot more complex than typical examples from the protocol analysis literature. Logging into GMail already requires multiple TLS sessions and HTTP requests between (at least) three principals, representing dozens of atomic messages. Hence, ad hoc models and hand written proofs do not scale to the complexity of Web protocols, mandating the use of advanced verification automation and modeling tools.Lastly, even assuming that the design of GMail is indeed secure against such an attacker, any single programming bug may completely undermine the security of the whole system. Therefore, in addition to modeling protocols based on their specification, it is necessary to evaluate implementations in order to achieve practical security.The goal of this thesis is to develop new tools and methods that can serve as the foundation towards an extensive compositional Web security analysis framework that could be used to implement and formally verify applications against a reasonably extensive model of attacker capabilities on the Web. To this end, we investigate the design of Web protocols at various levels (TLS, HTTP, HTML, JavaScript) and evaluate their composition using a broad range of formal methods, including symbolic protocol models, type systems, model extraction, and type-based program verification. We also analyze current implementations and develop some new verified versions to run tests against. We uncover a broad range of vulnerabilities in protocols and their implementations, and propose countermeasures that we formally verify, some of which have been implemented in browsers and by various websites. For instance, the Triple Handshake attack we discovered required a protocol fix (RFC 7627), and influenced the design of the new version 1.3 of the TLS protocol.