La cryptographie basée sur le logarithme discret a connu de nombreuses avancées dans les dix dernières années, notamment avec l'utilisation de tores algébriques introduite par Lenstra et Verheul. Ici on axe notre travail sur la facette constructive de ces idées et se penche sur le paramétrage de ces structures. Van Dijk et Woodruff ont récemment proposé une solution pour représenter de manière compacte une famille de points d'un tore algébrique. Afin d'améliorer la complexité asymptotique de cet algorithme, on a recours à plusieurs outils. D'une part on utilise un nouveau type de bases pour les extensions de corps finis, les bases normales elliptiques dues à Couveignes et Lercier. Par ailleurs, les tailles des objets manipulés font intervenir des polynômes cyclotomiques et leurs inverses modulaires. L'amplitude de leurs coefficients intervient directement dans l'étude de complexité. Dans le cas où leurs indices sont des diviseurs d'un produit de deux nombres premiers, on parvient à des bornes voire des expressions explicites pour ces coefficients, qui permettent de conclure quant à l'amélioration du coût de communication dans des protocoles cryptographiques comme une négociation de clefs multiples de Diffie-Hellman.

La sécurité prouvée est une branche relativement jeune de la cryptologie dont l'objectif est d'analyser formellement le but ultime des schémas cryptographiques: la sécurité. Elle ne cherche pas à atteindre la sécurité absolue mais plutôt à identifier les conditions suffisantes, au sens de la théorie de la complexité, pour garantir la sécurité. La sécurité prouvée est en étroite relation avec les trois principaux mouvements de la cryptographie: la formalisation des notions de sécurité; la construction des schémas formellement prouvés sûrs et la recherche de nouvelles fonctionnalités pour la cryptographie. Dans cette thèse, nous abordons dans un premier temps l'analyse des notions de sécurité, à la fois pour le chiffrement asymétrique et pour le chiffrement symétrique. D'une part, nous étudions en détails les modèles d'attaque et les relations entre eux pour le chiffrement asymétrique. D'autre part, pour le chiffrement par bloc, nous mettons en évidence la relation entre la notion traditionnelle du chiffrement par bloc, i.e. permutation (super) pseudo–aléatoire, et avec la notion de base de la confidentialité, i.e. sécurité sémantique. Dans un deuxième temps, nous proposons de nouveaux schémas efficaces et prouvés sûrs pour la cryptographie asymétrique dans le modèle de l'oracle aléatoire (de nouveaux paddings pour le chiffrement et des paddings universels pour le chiffrement et la signature). Nous présentons, de plus, une nouvelle catégorie de schémas prouvés sûrs: les schémas de chiffrement sans redondance. Jusqu'à présent, la redondance était nécessaire pour prouver la sécurité. Nous proposons, dans la troisième partie, une nouvelle fonctionnalité du traçage de pirates pour la diffusion des données chiffrées: la traçabilité publique. Nous présentons aussi un schéma satisfaisant cette propriété. Ce schéma est ensuite généralisé à un schéma quasi optimal selon le critère du taux entre de la taille des données chiffrés et celle des données originelles.

Ces travaux de thèse portent sur l'accélération de calculs de la cryptographie sur courbes elliptiques (ECC) grâce à une représentation peu habituelle des nombres, appelée représentation modulaire des nombres (ou RNS pour residue number system). Après un état de l'art de l'utilisation du RNS en cryptographie, plusieurs nouveaux algorithmes RNS, plus rapides que ceux de l'état de l'art, sont présentés. Premièrement, nous avons proposé un nouvel algorithme d'inversion modulaire en RNS. Les performances de notre algorithme ont été validées via une implantation FPGA, résultant en une inversion modulaire 5 à 12 fois plus rapide que l'état de l'art, pour les paramètres cryptographiques testés. Deuxièmement, un algorithme de multiplication modulaire RNS a été proposé. Cet algorithme décompose les valeurs en entrée et les calculs, afin de pouvoir réutiliser certaines parties lorsque c'est possible, par exemple lors du calcul d'un carré. Il permet de réduire de près de 25 % le nombre de pré-calculs à stocker et jusqu'à 10 % le nombre de multiplications élémentaires pour certaines applications cryptographiques (p. ex. le logarithme discret). Un algorithme d'exponentiation reprenant les mêmes idées est aussi présenté, réduisant le nombre de multiplications élémentaires de 15 à 22 %, contre un surcoût en pré-calculs à stocker. Troisièmement, un autre algorithme de multiplication modulaire RNS est proposé, ne nécessitant qu'une seule base RNS au lieu de 2 pour l'état de l'art, et utilisable uniquement dans le cadre ECC. Cet algorithme permet, pour certains corps bien spécifiques, de diviser par 2 le nombre de multiplications élémentaires et par 4 les pré-calculs à stocker. Les premiers résultats FPGA donnent des implantations de notre algorithme jusqu'à 2 fois plus petites que celles de l'algorithme de l'état de l'art, pour un surcoût en temps d'au plus 10 %. Finalement, une méthode permettant des tests de divisibilités multiples rapides est proposée, pouvant être utilisée en matériel pour un recodage de scalaire, accélérant certains calculs pour ECC. / The main objective of this PhD thesis is to speedup elliptic curve cryptography (ECC) computations, using the residue number system (RNS). A state-of-art of RNS for cryptographic computations is presented. Then, several new RNS algorithms, faster than state-of-art ones, are proposed. First, a new RNS modular inversion algorithm is presented. This algorithm leads to implementations from 5 to 12 times faster than state-of-art ones, for the standard cryptographic parameters evaluated. Second, a new algorithm for RNS modular multiplication is proposed. In this algorithm, computations are split into independant parts, which can be reused in some computations when operands are reused, for instance to perform a square. It reduces the number of precomputations by 25 % and the number of elementary multiplications up to 10 %, for some cryptographic applications (for example with the discrete logarithm). Using the same idea, an exponentiation algorithm is also proposed. It reduces from 15 % to 22 % the number of elementary multiplications, but requires more precomputations than state-of-art. Third, another modular multiplication algorithm is presented, requiring only one RNS base, instead of 2 for the state-of-art. This algorithm can be used for ECC and well-chosen fields, it divides by 2 the number of elementary multiplications, and by 4 the number of precomputations to store. Partial FPGA implementations of our algorithm halves the area, for a computation time overhead of, at worse, 10 %, compared to state-of-art algorithms. Finally, a method for fast multiple divisibility tests is presented, which can be used in hardware for scalar recoding to accelerate some ECC computations.

L’échange de clef authentifié est probablement la primitive asymétrique la plus utilisée, notamment du fait de son inclusion dans le protocole TLS. Pour autant, son cousin, l’échange de clef authentifié par mot de passe, où l’authentification s’effectue par comparaison de mot de passe, l’est bien moins, bien qu’ayant déjà fait l’objet d’études considérables. C’est pourtant une primitive finalement bien plus proche d’une authentification réelle, dès lors qu’une des parties est humaine. Dans cette thèse, nous considérons des primitives avancées fondées sur l’échange de clef authentifié par mot de passe, en gardant à l’œil ses applications pratiques. Spécifiquement, nous introduisons une nouvelle primitive, l’échange de clef authentifié par mot de passe approximatif, où la condition de succès de l’authentification est désormais d’avoir une distance suffisamment faible entre les deux mots de passe, et plus nécessairement l’égalité parfaite. Nous fournissons un modèle de sécurité dans le cadre du modèle de composabilité universelle (UC) ainsi qu’une construction reposant sur un partage de secret robuste et des échanges de clefs authentifiés par mot de passe exact. Dans une seconde partie, nous considérons le problème pratique de la perte du mot de passe dès lors qu’une session est conduite sur un terminal compromis. Étant donné qu’il s’agit d’un problème intrinsèque à l’authentification par mot de passe, nous étendons le modèle BPR habituel pour prendre en compte, en lieu et place du mot de passe, des questions-réponses, toujours de faible entropie. Nous fournissons plusieurs protocoles dans ce modèle, dont certains reposent sur des familles de fonctions compatibles avec les humains, dans lesquelles les opérations requises pour dériver la réponse depuis la question sont suffisamment simples pour être faites de tête, permettant donc à l’humain de s’identifier directement. / Authenticated key exchange is probably the most widely deployed asymmetric cryptographic primitive, notably because of its inclusion in the TLS protocol. Its cousin, password-authenticated key exchange — where the authentication is done using a low-entropy password — while having been studied extensively as well has been much less used in practice. It is, however, a primitive much closer to actual authentication when at least one party is human. In this thesis, we consider advanced primitives based on password-authenticated key exchange, with an eye toward practical applications. Specifically, we introduce fuzzy password-authenticated key exchange, where the authentication succeeds as long as the two passwords are close enough, and not necessarily equal. We provide a security model in the UC framework, as well as a construction based on regular password-authenticated key exchanges and robust secret-sharing schemes. Secondly, we consider the practical problem of password leakage when taking into account sessions conducted on a corrupted device. As there is intrinsically no hope with regular password authentication, we extend the BPR security model to consider low-entropy challenge responses instead. We then provide several instantiations, some based on human-compatible function families, where the operation required to answer the challenge are simple enough to be conducted in one’s head, allowing the actual authentication to be directly performed by the human being.