Cette thèse se propose de remédier à l'absence de formalisme dédié aux preuves de sécurité concrète à travers 3 contributions. Nous présentons d'abord la logique CIL (Computational Indistinguishability Logic), qui permet de raisonner sur les systèmes cryptographiques. Elle contient un petit nombre de règles qui correspondent aux raisonnements souvent utilisés dans les preuves. Leur formalisation est basée sur des outils classiques comme les contextes ou les bisimulations. Deuxièmement, pour plus d'automatisation des preuves, nous avons conçu une logique de Hoare dédiée aux chiffrement asymétrique dans le modèle de l'oracle aléatoire. Elle est appliquée avec succès sur des exemples de schémas existants. Enfin, nous proposons un théorème générique de réduction pour la preuve d'indifférentiabilité d'un oracle aléatoire de fonctions de hachage cryptographiques. La preuve du théorème, formalisée en CIL, en démontre l'applicabilité. Les exemples de Keccak et Chop-Merkle-Damgard illustrent ce résultat. / In this thesis, we address the lack of formalisms to carry out concrete security proofs. Our contributions are threefold. First, we present a logic, named Computational Indistinguishability Logic (CIL), for reasoning about cryptographic systems. It consists in a small set of rules capturing reasoning principles common to many proofs. Their formalization relies on classic tools such as bisimulation relations and contexts. Second, and in order to increase proof automation, it presents a Hoare logic dedicated to asymmetric encryption schemes in the Random Oracle Model that yields an automated and sound verification method. It has been successfully applied to existing encryption schemes. Third, it presents a general reduction theorem for proving indifferentiability of iterative hash constructions from a random oracle. The theorem is proven in CIL demonstrating the usefulness of the logic and has been applied to constructions such as the SHA-3 candidate Keccak and the Chop-MD construction.

Avec la généralisation d'Internet, l'usage des protocoles cryptographiques est devenu omniprésent. Étant donné leur complexité et leur l'aspect critique, une vérification formelle des protocoles cryptographiques est nécessaire.Deux principaux modèles existent pour prouver les protocoles. Le modèle symbolique définit les capacités de l'attaquant comme un ensemble fixe de règles, tandis que le modèle calculatoire interdit seulement a l'attaquant derésoudre certain problèmes difficiles. Le modèle symbolique est très abstrait et permet généralement d'automatiser les preuves, tandis que le modèle calculatoire fournit des garanties plus fortes.Le fossé entre les garanties offertes par ces deux modèles est dû au fait que le modèle symbolique décrit les capacités de l'adversaire alors que le modèle calculatoire décrit ses limitations. En 2012 Bana et Comon ont proposé unnouveau modèle symbolique dans lequel les limitations de l'attaquant sont axiomatisées. De plus, si la sémantique calculatoire des axiomes découle des hypothèses cryptographiques, la sécurité dans ce modèle symbolique fournit desgaranties calculatoires.L'automatisation des preuves dans ce nouveau modèle (et l'élaboration d'axiomes suffisamment généraux pour prouver un grand nombre de protocoles) est une question laissée ouverte par l'article de Bana et Comon. Dans cette thèse nous proposons une procédure de décision efficace pour une large classe d'axiomes. De plus nous avons implémenté cette procédure dans un outil (SCARY). Nos résultats expérimentaux montrent que nos axiomes modélisant la sécurité du chiffrement sont suffisamment généraux pour prouver une large classe de protocoles. / With the rise of the Internet the use of cryptographic protocols became ubiquitous. Considering the criticality and complexity of these protocols, there is an important need of formal verification.In order to obtain formal proofs of cryptographic protocols, two main attacker models exist: the symbolic model and the computational model. The symbolic model defines the attacker capabilities as a fixed set of rules. On the other hand, the computational model describes only the attacker's limitations by stating that it may break some hard problems. While the former is quiteabstract and convenient for automating proofs the later offers much stronger guarantees.There is a gap between the guarantees offered by these two models due to the fact the symbolic model defines what the adversary may do while the computational model describes what it may not do. In 2012 Bana and Comon devised a new symbolic model in which the attacker's limitations are axiomatised. In addition provided that the (computational semantics) of the axioms follows from the cryptographic hypotheses, proving security in this symbolic model yields security in the computational model.The possibility of automating proofs in this model (and finding axioms general enough to prove a large class of protocols) was left open in the original paper. In this thesis we provide with an efficient decision procedure for a general class of axioms. In addition we propose a tool (SCARY) implementing this decision procedure. Experimental results of our tool shows that the axioms we designed for modelling security of encryption are general enough to prove a large class of protocols.

Abstract This dissertation investigates authentication techniques in some emerging areas. Specifically, authentication schemes have been proposed that are well-suited for embedded systems, and privacy-respecting pay Web sites. With embedded systems, a person could own several devices which are capable of communication and interaction, but these devices use embedded processors whose computational capabilities are limited as compared to desktop computers. Examples of this scenario include entertainment devices or appliances owned by a consumer, multiple control and sensor systems in an automobile or airplane, and environmental controls in a building. An efficient public key cryptosystem has been devised, which provides a complete solution to an embedded system, including protocols for authentication, authenticated key exchange, encryption, and revocation. The new construction is especially suitable for the devices with constrained computing capabilities and resources. Compared with other available authentication schemes, such as X.509, identity-based encryption, etc, the new construction provides unique features such as simplicity, efficiency, forward secrecy, and an efficient re-keying mechanism. In the application scenario for a pay Web site, users may be sensitive about their privacy, and do not wish their behaviors to be tracked by Web sites. Thus, an anonymous authentication scheme is desirable in this case. That is, a user can prove his/her authenticity without revealing his/her identity. On the other hand, the Web site owner would like to prevent a bunch of users from sharing a single subscription while hiding behind user anonymity. The Web site should be able to detect these possible malicious behaviors, and exclude corrupted users from future service. This dissertation extensively discusses anonymous authentication techniques, such as group signature, direct anonymous attestation, and traceable signature. Three anonymous authentication schemes have been proposed, which include a group signature scheme with signature claiming and variable linkability, a scheme for direct anonymous attestation in trusted computing platforms with sign and verify protocols nearly seven times more efficient than the current solution, and a state-of-the-art traceable signature scheme with support for variable anonymity. These three schemes greatly advance research in the area of anonymous authentication. The authentication techniques presented in this dissertation are based on common mathematical and cryptographical foundations, sharing similar security assumptions. We call them flexible digital authentication schemes.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la vérification de protocoles cryptographiques dans le modèle symbolique. Plus précisément, il s'agit de s'assurer à l'aide de méthodes formelles que de petits programmes distribués satisfont à des propriétés d'indistinguabilité, c'est-à-dire qu'un attaquant n'est pas capable de deviner quelle situation (parmi deux)il observe. Ce formalisme permet d'exprimer des propriétés de sécurité comme le secret fort, l'intraçabilité ou l'anonymat. De plus, les protocoles sont exécutés simultanément par un grand nombre d'agents, à plusieurs reprises si bien que nous nous heurtons très rapidement à des résultats d'indécidabilité. Dès lors, il faut ou bien tenir compte du nombre arbitraire de sessions et rechercher des méthodes de semi-décision ou identifier des classes décidables ;ou bien établir des procédures de décision pour un nombre fini de sessions. Au moment où nous avons commencé les travaux présentés dans cette thèse les outils de vérification de propriétés d'indistinguabilité pour un nombre borné de sessions ne permettaient de traiter que très peu de sessions :dans certains cas il était tout juste possible de modéliser un échange complet. Cette thèse présente des procédures de décision efficaces dans ce cadre. Dans un premier temps, nous établissons des résultats de petite attaque. Pour des protocoles déterministes nous démontrons qu'il existe une attaque si, et seulement s’il existe une attaque bien typée lorsque toute confusion entre les types des variables est évitée. De plus, nous prouvons que, lorqu'il existe une attaque l'attaquant peut la trouver en utilisant au plus trois constantes. Dans un second temps, nous traduisons le problème d'indistinguabilité en termes d'accessibilité dans un système de planification qui est résolu par l'algorithme du graphe de planification associé à un codage SAT. Nous terminons en confirmant l'efficacité de la démarche ,à travers l'implémentation de l'outil SAT-Equivet sa comparaison vis-à-vis des outils analogues. / This thesis presents methods to verify cryptographic protocolsin the symbolic model: formal methods allowto verify that small distributed programssatisfy equivalence properties.Those properties state that an attackercannot decide what scenario is beeing played.Strong secrecy, and privacy type properties, like anonymityand unlinkeability, can be modelled through this formalism.Moreover, protocols are executed simultaneouslyby an unbounded number of agents, for an unbounded numberof sessions,which leads to indecidability results.So, we have either to consider an arbitrary number of sessions,and search for semi-decision proceduresand decidable classes;or to establish decision procedures for a finite numberof sessions.When we started the work presented in this thesis,the existing equivalence checkers in the bounded modelwere highly limited. They could only handlea~very small number of sessions (sometimes no more than three).This thesis presents efficient decision proceduresfor bounded verification of equivalence properties.Our first step is to provide small attack results.First, for deterministic processes, there existsan attack if, and ony if, there is a well-typed attack,assuming that there is no confusion between variable types.Second, when there exists a flaw,the attacker needs at most three constants to find it.Then, our second step is to translatethe indistinguishability problem as a reachability problemin a planning system. We solve this second problemthrough planning graph algorithm and SAT encoding.In a final step, we present the implementation ofthe SAT-Equiv tool, which allows us to evaluate our approach.In particular, a benchmark with comparable tools provesthe efficiency of SAT-Equiv.

Physically unclonable functions are increasingly used as security primitives for device identification and anti-counterfeiting. However, PUFs are associated with noise and bias which in turn affects its property of reliability and predictability. The noise is corrected using fuzzy extractors, but the helper data generated during the process may cause leakage in min-entropy due to the bias observed in the response. This thesis offers two optimization techniques for PUF based protocols. The first part talks about the construction of a secure enrollment solution for PUFs on a low-end resource-constrained device using a microcontroller and a secure networked architecture. The second part deals with the combined optimization of min-entropy and error-rate using symbol clustering techniques to improve the reliability of SRAM PUFs. The results indicate an increase in min-entropy without much effect on the error rate but at the expense of PUF size. / Master of Science

Cette thèse porte sur l'étude de différents aspects de la sécurité des protocoles de vote électronique à distance. Ces protocoles décrivent comment organiser des élections par Internet de manière sécurisée. Ils ont notamment pour but d'apporter des garanties de secret du vote, et de vérifiabilité - ie, il doit être possible de s'assurer que les votes sont correctement comptabilisés. Nos contributions portent sur deux aspects principaux. Premièrement, nous proposons une nouvelle technique d'analyse automatique de propriétés d'équivalence, dans le modèle symbolique. De nombreuses propriétés en lien avec la vie privée s'expriment comme des propriétés d'équivalence, telles que le secret du vote en particulier, mais aussi l'anonymat ou la non-traçabilité. Notre approche repose sur le typage: nous mettons au point un système de typage qui permet d'analyser deux protocoles pour prouver leur équivalence. Nous montrons que notre système de typage est correct, c'est-à-dire qu'il implique effectivement l'équivalence de traces, à la fois pour des nombres bornés et non bornés de sessions. Nous comparons l'implémentation d'un prototype de notre système avec les autres outils existants pour l'équivalence symbolique, sur divers protocoles de la littérature. Cette étude de cas montre que notre procédure est bien plus efficace que la plupart des autres outils - au prix d'une perte de précision (notre outil peut parfois échouer à prouver certaines équivalences). Notre seconde contribution est une étude des définitions du secret du vote et de la vérifiabilité - ou, plus précisément, la vérifiabilité individuelle, une propriété qui requiert que chaque votant soit en mesure de vérifier que son propre vote a bien été pris en compte. Nous prouvons, aussi bien dans les modèles symboliques que calculatoire, que le secret du vote implique la vérifiabilité individuelle, alors même que l'intuition et des résultats voisins déjà établis semblaient indiquer que ces deux propriétés s'opposent. Notre étude met également en évidence une limitation des définitions existantes du secret du vote par jeux cryptographiques : elles supposent une urne honnête, et par conséquent expriment des garanties significativement plus faibles que celles que les protocoles visent à assurer. Nous proposons donc une nouvelle définition (par jeu) du secret du vote, contre une urne malhonnête. Nous relions notre définition à une notion de secret du vote par simulation, pour montrer qu'elle apporte des garanties fortes. Enfin, nous menons une étude de cas sur plusieurs systèmes de vote existants. / In this thesis we study several aspects of the security of remote electronic voting protocols. Such protocols describe how to securely organise elections over the Internet. They notably aim to guarantee vote privacy - ie, votes must remain secret -and verifiability - it must be possible to check that votes are correctly counted. Our contributions are on two aspects. First, we propose a new approach to automatically prove equivalence properties in the symbolic model. Many privacy properties can be expressed as equivalence properties, such as in particular vote privacy, but also anonymity or unlinkability. Our approach relies on typing: we design a type system that can typecheck two protocols to prove their equivalence. We show that our type system %, together with some additional conditions on the messages exchanged by the protocols, soundly implies trace equivalence, both for bounded and unbounded numbers of sessions. We compare a prototype implementation of our typechecker with other existing tools for symbolic equivalence, on a variety of protocols from the literature. This case study shows that our procedure is much more efficient than most other tools - at the price of losing precision (our tool may fail to prove some equivalences). Our second contribution is a study of the definitions of privacy and verifiability - more precisely, individual verifiability, a property that requires each voter to be able to check that their own vote is counted. We prove that, both in symbolic and computational models, privacy implies individual verifiability, contrary to intuition and related previous results that seem to indicate that these two properties are opposed. Our study also highlights a limitation of existing game-based definitions of privacy: they assume the ballot box is trusted, which makes for significantly weaker guarantees than what protocols aim for. Hence we propose a new game-based definition for vote privacy against a dishonest ballot box. We relate our definition to a simulation-based notion of privacy, to show that it provides meaningful guarantees, and conduct a case study on several voting schemes.

<div>In a potentially hostile networked environment, a large diversity of security mechanisms with varying degree of sophistication are being deployed to protect valuable computer systems and digital assets. </div><div><br></div><div>While many competing implementations of similar security mechanisms are available in the current software development landscape, the robustness and reliability of such implementations are often overlooked, resulting in exploitable flaws in system deployments. In this dissertation, we systematically evaluate implementations of security mechanisms that are deployed in the wild. First, we examine how content distribution applications on the Android platform control access to their multimedia contents. With respect to a well-defined hierarchy of adversarial capabilities and attack surfaces, we find that many content distribution applications, including that of some world-renowned publications and streaming services, are vulnerable to content extraction due to the use of unjustified assumptions in their security mechanism designs and implementations. Second, we investigate the validation logic of X.509 certificate chains as implemented in various open-source TLS libraries. X.509 certificates are widely used in TLS as a means to achieve authentication. A validation logic that is overly restrictive could lead to the loss of legitimate services, while an overly permissive implementation could open door to impersonation attacks. Instead of manual analysis and unguided fuzzing, we propose a principled approach that leverages symbolic execution to achieve better coverage and uncover logical flaws that are buried deep in the code. We find that many TLS libraries deviate from the specification. Finally, we study the verification of RSA signatures, as specified in the PKCS#1 v1.5 standard, which is widely used in many security-critical network protocols. We propose an approach to automatically generate meaningful concolic test cases for this particular problem, and design and implement a provenance tracking mechanism to assist root-cause analysis in general. Our investigation revealed that several crypto and IPSec implementations are susceptible to new variants of the Bleichenbacher low-exponent signature forgery.</div>

La composition automatique de services web est une tâche difficile. De nombreux travaux ont considérés des modèles simplifiés d'automates qui font abstraction de la structure des messages échangés par les services. Pour le domaine des services sécurisés nous proposons une nouvelle approche pour automatiser la composition des services basée sur leurs politiques de sécurité. Étant donnés, une communauté de services et un service objectif, nous réduisons le problème de la synthèse de l'objectif à partir des services dans la communauté à un problème de sécurité, où un intrus que nous appelons médiateur doit intercepter et rediriger les messages depuis et vers la communauté de services et un service client jusqu'à atteindre un état satisfaisant pour le dernier. Nous avons implémenté notre algorithme dans la plateforme de validation du projet AVANTSSAR et nous avons testé l'outil correspondant sur plusieurs études de cas. Ensuite, nous présentons un outil qui compile les traces obtenues décrivant l'exécution d'un médiateur vers le code exécutable correspondant. Pour cela nous calculons d'abord une spécification exécutable aussi prudente que possible de son rôle dans l'orchestration. Cette spécification est exprimé en ASLan, un langage formel conçu pour la modélisation des services Web liés à des politiques de sécurité. Ensuite, nous pouvons vérifier avec des outils automatiques que la spécification ASLan obtenue vérifie certaines propriétés requises de sécurité telles que le secret et l'authentification. Si aucune faille n'est détectée, nous compilons la spécification ASLan vers une servlet Java qui peut être utilisé par le médiateur pour contrôler l'orchestration / Automatic composition of web services is a challenging task. Many works have considered simplified automata models that abstract away from the structure of messages exchanged by the services. For the domain of secured services we propose a novel approach to automated composition of services based on their security policies. Given a community of services and a goal service, we reduce the problem of composing the goal from services in the community to a security problem where an intruder we call mediator should intercept and redirect messages from the service community and a client service till reaching a satisfying state. We have implemented the algorithm in AVANTSSAR Platform and applied the tool to several case studies. Then we present a tool that compiles the obtained trace describing the execution of a the mediator into its corresponding runnable code. For that we first compute an executable specification as prudent as possible of her role in the orchestration. This specification is expressed in ASLan language, a formal language designed for modeling Web Services tied with security policies. Then we can check with automatic tools that this ASLan specification verifies some required security properties such as secrecy and authentication. If no flaw is found, we compile the specification into a Java servlet that can be used by the mediatior to lead the orchestration

This work focuses on cryptographic protocol with privacy protection. The work solves the question of the elliptic curves and use in cryptography in conjunction with authentication protocols. The outputs of the work are two applications. The first application serves as a user and will replace the ID card. The second application is authentication and serves as a user authentication terminal. Both applications are designed for the Android operating system. Applications are used to select user attributes, confirm registration, user verification and show the result of verification.

SSL/TLS, un protocole de sécurité datant de 1995, est devenu aujourd'hui une brique essentielle pour la sécurité des communications, depuis les sites de commerce en ligne ou les réseaux sociaux jusqu'aux réseaux privés virtuels (VPN), en passant par la protection des protocoles de messagerie électronique, et de nombreux autres protocoles. Ces dernières années, SSL/TLS a été l'objet de toutes les attentions, menant à la découverte de nombreuses failles de sécurité et à des améliorations du protocole. Dans cette thèse, nous commençons par explorer l'écosystème SSL/TLS sur Internet en énumérant les serveurs HTTPS sur l'espace IPv4; nous proposons pour cela des méthodologies de collecte et d'analyse permettant d'obtenir des résultats reproductibles et comparables entre différentes campagnes de mesure. Au-delà de ces observations, nous nous sommes intéressés en détail à deux aspects essentiels de la sécurité TLS: comment parer les attaques sur le Record Protocol, et comment implémenter des parsers sûrs et efficaces. Finalement, en se basant sur les nombreuses failles d'implémentation qui ont affecté presque toutes les piles TLS ces dernières années, nous tirons quelques enseignements concernant les difficultés liées à l'écriture d'une bibliothèque TLS de confiance / SSL/TLS, a 20-year old security protocol, has become a major component securing network communications, from HTTPS e-commerce and social network sites to Virtual Private Networks, from e-mail protocols to virtually every possible protocol. In the recent years, SSL/TLS has received a lot of attentions, leading to the discovery of many security vulnerabilities, and to protocol improvements. In this thesis, we first explore the SSL/TLS ecosystem at large using IPv4 HTTPS scans, while proposing collection and analysis methodologies to obtain reproducible and comparable results across different measurement campaigns. Beyond these observations, we focused on two key aspects of TLS security: how to mitigate Record Protocol attacks, and how to write safe and efficient parsers. Finally, building on the numerous implementation flaws in almost all TLS stacks in the last years, we propose some thoughts about the challenges in writing a secure TLS library