Avec l'avènement des réseaux électroniques et en particulier d'Internet, de plus en plus de nouveaux services sont apparus. Il est désormais possible de faire ses achats en ligne, de consulter ses comptes en banque, de partager des informations sur les réseaux sociaux ou encore d'héberger ses documents et programmes sur des services sécurisés, les fameux "clouds"... Tous ces services ont conduit à se poser la question d'avec qui ou quoi nous communiquons. Pour répondre à cette interrogation, un nouveau terme, identité numérique a été proposé. Cette identité numérique constitue un enjeu majeur pour un certain nombre d'acteurs et en particulier pour un opérateur de télécommunications. Dans cette thèse, nous proposons d'aborder l'identité numérique en nous intéressant aux deux problématiques que sont la sécurité et la protection de la vie privée. Pour cela, trois contributions sont détaillées à commencer par une méthode d'analyse des systèmes de gestion d'identités (SGI) basée sur une cartographie des acteurs et des fonctions de la gestion d'identités. Nous montrons comment cette dernière peut permettre d'évaluer un système de gestion d'identité vis à vis des deux problématiques. A partir des évaluations réalisées, nous proposons ensuite une deuxième contribution sous la forme d'un système de gestion d'identités novateur centré sur l'utilisateur. Celui-ci met à profit des technologies comme Android, les services Web et les cartes à puces. Enfin, nous proposons un pare-feu sémantique qui protège la vie privée des utilisateurs de smartphone Android en se basant sur des ontologies.

Ces dernières années, la sécurité des systèmes embarqués a fait l'objet de recherches intensives. Comme l'énergie, le coût et la performance; la sécurité est un aspect important qui doit être considérée tout au long du processus de conception d'un système embarqué. Des menaces récentes appelées "attaques par canaux cachés'' (Side-Channel Analysis (SCA)) ont attiré beaucoup d'attention dans le milieu de la sécurité embarquée. Ces attaques exploitent des propriétés physiques, telles que la consommation d'énergie ou le champ magnétique rayonné, afin de retrouver le secret. De plus, elles sont passives dans le sens où l'analyse se contente d'une observation extérieure du système sans l'endommager. Dans ce contexte, il est évident que la sécurisation des systèmes embarqués contre les attaques SCA constitue un aspect vital dans le flot de conception. Par conséquent, la nécessité d'assurer et d'évaluer la robustesse des systèmes embarqués contre ces attaques devient clair. Cette thèse propose principalement des techniques et méthodes génériques dans l'analyse par canaux cachés. Ces techniques qui touchent à différents aspects de l'analyse SCA (acquisition, pré-traitement, attaque et évaluation) peuvent être utilisées dans un cadre d'évaluation plus officiel tel que les Critères Communs (CC) ou le FIPS-140 afin d'améliorer la visibilité de l'évaluateur. Par ailleurs, le propriétaire d'un produit pourrait aussi se baser sur ces techniques dans le but d'évaluer la sécurité de son produit face aux attaques par canaux cachés avant de solliciter un certificat.

La cryptographie quantique permet la distribution d'une clé de cryptage partagée entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la sécurité inconditionnelle de cette distribution grâce aux lois de la physique quantique et de la théorie de l'information. Nous avons réalisé un démonstrateur complet de cryptographie quantique, fondé sur un protocole pour lequel l'information est codée sur des variables continues de la lumière, à savoir les quadratures du champ électromagnétique. Le système est exclusivement constitué de composants standard de l'industrie des télécommunications, qui permettent à Alice de générer les états cohérents de la lumière puis de les moduler, et à Bob de mesurer ces états grâce à une détection homodyne fonctionnant en régime impulsionnel et limitée par le bruit de photon. Nous avons par ailleurs développé un logiciel complet de gestion de la distribution de clé, qui assure d'une part le bon fonctionnement de la transmission quantique et les rétrocontrôles nécessaires pour la stabilité de celle-ci, et qui permet d'autre part l'extraction d'une clé secrète à partir des données partagées après la transmission quantique. Le système a été intégré dans des boîtiers rackables, afin d'effectuer une démonstration en vraie grandeur dans le cadre d'un réseau de cryptographie quantique, mis en place sur des fibres installées dans la ville de Vienne (Autriche). Lors de cette démonstration, notre système a fonctionné en continu pendant 57 heures, à un taux moyen de 8 kbit/s. Enfin, nous avons exploré différentes possibilités d'amélioration du système, à travers un nouveau protocole de cryptographie et l'utilisation d'amplificateurs optiques.

L'échange sécurisé d'une clé secrète entre deux interlocuteurs est une tâche compliquée. Dans un monde " classique ", il n'est pas possible de garantir qu'un espion n'a pas effectué une copie de cette clé lors de son échange. En 1984, un protocole basé sur les propriétés de la mécanique quantique a démontré la possibilité d'un échange inconditionnellement sûr d'une clé secrète entre deux interlocuteurs. Idéalement, le protocole utilise une source de photons uniques. L'information est alors codée, par exemple sur la polarisation des photons. La sécurité est garantie par un choix aléatoire de la base de polarisation (Linéaire, Circulaire). Dans ce contexte, cette étude porte sur la réalisation d'une source de photons uniques et son application à la cryptographie quantique. Une source de photons uniques est obtenue par l'excitation impulsionnelle d'un dipôle unique. Le dipôle étudié dans ce travail est le centre NV dans le cristal de diamant. Il est constitué d'un atome d'azote (N) et d'une lacune (V) en substitution dans la maille cristalline du diamant. L'étude sous excitation continue de ce dipôle, à l'aide d'un microscope confocal et d'un montage d'autocorrélation d'intensité, montre que de par sa simplicité d'utilisation et de sa photostabilité intrinsèque, il est un candidat de choix pour une source de photons uniques. En excitation impulsionnelle, on démontre que la source de photons uniques ainsi produite présente une grande efficacité de production de photons, et un très faible taux d'impulsions contenant deux photons. Finalement, cette source été utilisée dans un montage de cryptographie quantique. Après une description des dispositifs expérimentaux de l'émetteur et du récepteur, nous décrivons en détail l'échange de clé quantique. Les résultats obtenus montrent un avantage quantitatif dans le taux de pertes admissibles en ligne en comparaison avec des prototypes basés sur une source cohérente atténuée.

The present thesis addresses the MPEG-4 AVC stream watermarking and considers two theoretical and applicative challenges, namely ownership protection and content integrity verification.From the theoretical point of view, the thesis main challenge is to develop a unitary watermarking framework (insertion/detection) able to serve the two above mentioned applications in the compressed domain. From the methodological point of view, the challenge is to instantiate this theoretical framework for serving the targeted applications. The thesis first main contribution consists in building the theoretical framework for the multi symbol watermarking based on quantization index modulation (m-QIM). The insertion rule is analytically designed by extending the binary QIM rule. The detection rule is optimized so as to ensure minimal probability of error under additive white Gaussian noise distributed attacks. It is thus demonstrated that the data payload can be increased by a factor of log2m, for prescribed transparency and additive Gaussian noise power. A data payload of 150 bits per minute, i.e. about 20 times larger than the limit imposed by the DCI standard, is obtained. The thesis second main theoretical contribution consists in specifying a preprocessing MPEG-4 AVC shaping operation which can eliminate the intra-frame drift effect. The drift represents the distortion spread in the compressed stream related to the MPEG encoding paradigm. In this respect, the drift distortion propagation problem in MPEG-4 AVC is algebraically expressed and the corresponding equations system is solved under drift-free constraints. The drift-free shaping results in gain in transparency of 2 dB in PSNR

Pour garantir la pérennité de l'entreprise, celle-ci doit souvent chercher des contrats à l'export. Dans le domaine de la Défense, ces contrats s'accompagnent souvent de transferts de technologie (ToT) vers le pays acquéreur. Ceux-ci sont partiels et un compromis est nécessaire entre la protection de la propriété industrielle, celle du secret national et les demandes du client. C'est dans ce contexte, et notamment au sein de DCNS que nous cherchons de nouvelles techniques de protection logicielles. Face aux échecs des différentes techniques de protections actuelles (obfuscations et packer) qui ne proposent que de ralentir la compréhension des données, une nouvelle approche de protection est envisagée. L'idée principale est de filtrer les accès mémoires des données identifiées comme sensibles. Cette solution, qui s'inscrit dans un environnement industriel défini (architecture Intel et système d'exploitation Linux), doit impacter au minimum le système et les applications fournis par DCNS. Nous proposons une architecture qui s'appuie sur les dernières technologies Intel et particulièrement sur la virtualisation matérielle. Celle-ci nous permet d'obtenir un haut niveau de privilège et de contrôler finement les applications. Notre solution permet de protéger les données exécutables des binaires de type ELF, dans les architectures 32 et 64 bits, sans modification du système cible. Nous détaillons les différentes étapes pour protéger l'exécution d'un processus (du chargement à son arrêt) ainsi que les problèmes rencontrés et les choix pour y remédier. Nous montrons également, à travers différentes mesures, l'efficacité d'une telle architecture et son faible impact sur les performances globales. Dans notre implémentation, seules les données exécutables sont protégées, nous proposons donc des pistes d'améliorations pour couvrir la totalité du binaire en mémoire. Et nous étudions les évolutions possibles pour intégrer notre protection dans une architecture de confiance et ainsi, renforcer sa persistance face aux attaques. Notre solution permet donc par construction d'interdire toutes les lectures et écritures des données exécutables sensibles et s'adapte à tous les systèmes d'exploitation Linux sans aucune modification du système.

Dans ce mémoire, nous proposons des protocoles cryptographiques d'échange de clef, de mise en gage, et de transfert équivoque. Un premier protocole de transfert équivoque, primitive cryptographique universelle pour le calcul multi-parties, s'inspire du protocole d'échange de clef par puzzle de Merkle, et améliore les résultats existants. Puis, nous montrons qu'il est possible de construire ces mêmes primitives cryptographiques sans l'hypothèse des fonctions à sens unique, mais avec le problème 3SUM. Ce problème simple ---dans une liste de n entiers, en trouver trois dont la somme a une certaine valeur--- a une borne inférieure conjecturée de Omega(n^2). / In this work, we propose cryptographic protocols for key exchange, bit commitment and oblivious transfer. Our oblivious transfer protocol, universal cryptographic primitive for multipartie computation, is inspired from Merkle's key exchange protocol with puzzles, and improves on existing results. Then, we show that it's possible to build those same cryptographic primitives without the hypothesis of one-way functions, but with the 3SUM problem. This simple problem ---in a list of n integers, find three that sum is a desired value--- has a conjectured lower bound of Omega(n^2).

Key agreement is a cryptographic scenario between two legitimate parties, who need to establish a common secret key over a public authenticated channel, and an eavesdropper who intercepts all their messages in order to learn the secret. We consider query complexity in which we count only the number of evaluations (queries) of a given black-box function, and classical communication channels. Ralph Merkle provided the first unclassified scheme for secure communications over insecure channels. When legitimate parties are willing to ask O(N) queries for some parameter N, any classical eavesdropper needs Omega(N^2) queries before being able to learn their secret, which is is optimal. However, a quantum eavesdropper can break this scheme in O(N) queries. Furthermore, it was conjectured that any scheme, in which legitimate parties are classical, could be broken in O(N) quantum queries. In this thesis, we introduce protocols à la Merkle that fall into two categories. When legitimate parties are restricted to use classical computers, we offer the first secure classical scheme. It requires Omega(N^{13/12}) queries of a quantum eavesdropper to learn the secret. We give another protocol having security of Omega(N^{7/6}) queries. Furthermore, for any k>= 2, we introduce a classical protocol in which legitimate parties establish a secret in O(N) queries while the optimal quantum eavesdropping strategy requires Theta(N^{1/2+k/{k+1}}) queries, approaching Theta(N^{3/2}) when k increases. When legitimate parties are provided with quantum computers, we present two quantum protocols improving on the best known scheme before this work. Furthermore, for any k>= 2, we give a quantum protocol in which legitimate parties establish a secret in O(N) queries while the optimal quantum eavesdropping strategy requires Theta(N^{1+{k}/{k+1}})} queries, approaching Theta(N^{2}) when k increases. / Un protocole d'échange de clés est un scénario cryptographique entre deux partis légitimes ayant besoin de se mettre d'accord sur une clé commune secrète via un canal public authentifié où tous les messages sont interceptés par un espion voulant connaître leur secret. Nous considérons un canal classique et mesurons la complexité de calcul en termes du nombre d'évaluations (requêtes) d'une fonction donnée par une boîte noire. Ralph Merkle fut le premier à proposer un schéma non classifié permettant de réaliser des échanges securisés avec des canaux non securisés. Lorsque les partis légitimes sont capables de faire O(N) requêtes pour un certain paramètre N, tout espion classique doit faire Omega(N^2) requêtes avant de pouvoir apprendre leur secret, ce qui est optimal. Cependant, un espion quantique peut briser ce schéma avec O(N) requêtes. D'ailleurs, il a été conjecturé que tout protocole, dont les partis légitimes sont classiques, pourrait être brisé avec O(N) requêtes quantiques. Dans cette thèse, nous introduisons deux catégories des protocoles à la Merkle. Lorsque les partis légitimes sont restreints à l'utilisation des ordinateurs classiques, nous offrons le premier schéma classique sûr. Il oblige tout adversaire quantique à faire Omega(N^{13/12}) requêtes avant d'apprendre le secret. Nous offrons aussi un protocole ayant une sécurité de Omega(N^{7/6}) requêtes. En outre, pour tout k >= 2, nous donnons un protocole classique pour lequel les partis légitimes établissent un secret avec O(N) requêtes alors que la stratégie optimale d'espionnage quantique nécessite Theta(N^{1/2 + k/{k +1}}) requêtes, se rapprochant de Theta(N^{3/2}) lorsque k croît. Lors les partis légitimes sont équipés d'ordinateurs quantiques, nous présentons deux protocoles supérieurs au meilleur schéma connu avant ce travail. En outre, pour tout k >= 2, nous offrons un protocole quantique pour lequel les partis légitimes établissent un secret avec O(N) requêtes alors que l'espionnage quantique optimale nécessite Theta(N^{1+{k}/{k+1}}) requêtes, se rapprochant de Theta(N^{2}) lorsque k croît.

Dans cette thèse nous étudions les possibilités que les chiffrements basés sur l’identité offrent quand ils sont utilisés dans un but différent qu’un simple chiffrement. Nous avons pu généraliser différents types de chiffrement basés sur l’identité en une nouvelle primitive nommé Downgradable Identity-based Encryption (DIBE). Nous avons trouvé un moyen générique de transformer de simple IBE en des IBE en blanc, dans le cas où l’IBE est affine nous rendons le coût de communication très faible (de linéaire à logarithmique). Ces deux primitives ont donné lieux à différentes applications : les chiffrements basés sur les attributs pour la première et le transfère inconscient pour la deuxième. Une autre application est l’utilisation d’IBE hiérarchiques pour créer des signatures à vérifieur désigné basées sur l’identité. Ensuite nous avons regardé le transfère inconscient seul et avons réussi à le généraliser en un nouveau protocole nommé Oblivious Language-based Envelope. Finalement, nous avons construit une transformation d’un protocole à un autre, d’un échange authentifié de clés par mot de passe nous avons construit un transfère inconscient. En prenant une instanciation particulière nous obtenons un protocole plus efficace que tous les précédents pour le même niveau de sécurité. La primitive chiffrement basé sur l’identité est notre outil principal pour réaliser nos constructions. Nous avons donc besoin d’une instanciation efficace de cette primitive. Nous avons utilisé celle de Blazy Kiltz et Pan à CRYPTO’14 qui est très efficace mais possède aussi une structure particulière dite affine. / During this Thesis we investigated the possibilities that Identity-based Encryption offers when used out of their original purpose. We managed to generalize a whole class of different identity-based encryption schemes into Downgradable Identity-based Encryptions. We found a generic way to construct Blind Identity-based Encryptions. These two works leads both to applications that are not a priori linked with IBE: Attribute-based Encryption from Downgradable IBE and Oblivious Transfer for Blind IBE, in the case of Affine IBE we manage to reduce the communication cost from a linear to logarithmic. As application we also find a way to use Hierarchical IBE to construct a special type of signature called Identity-based Designated Verifier Signature. We continue the research out of the context of IBE's application with Oblivious Transfer. We manage to generalize the concept of Oblivious Transfer into a new protocol called Oblivious Language-based Envelope encompassing many kind of protocols. Finally, in the image of the whole Thesis we construct Oblivious Transfer with a very different primitive called Password Authenticated Key Exchange. Surprisingly, with some optimizations this last transformation leads to a very efficient Oblivious Transfer Protocol. The Identity-based Encryption is our main basis of work, thus efficient instantiations of this primitive were the key of our own efficiency, thus we used the instanciation from the paper of Blazy et als at crypto 2014 which is efficient, tight secure and affine.

Dans cette thèse, nous étudions les constructions cryptographiques prouvées pour la protection de la vie privée. Pour cela nous nous sommes intéressés aux preuves et arguments à divulgation nulles de connaissance et leurs applications. Un exemple de ces constructions est la signature de groupe. Ce protocole a pour but de permettre à un utilisateur de s'authentifier comme appartenant à un groupe, sans révéler son identité. Afin que les utilisateurs restent responsable de leurs agissements, une autorité indépendante est capable de lever l'anonymat d'un utilisateur en cas de litige. Une telle construction peut ainsi être utilisée, par exemple, dans les systèmes de transport en commun. Un utilisateur qui rentre dans un bus prouve ainsi son appartenance aux utilisateurs possédant un abonnement valide, sans révéler qui il est, et évitant ainsi que la société de transport ne le trace. En revanche, en cas d'incident sur le réseau, la société peut faire appel à la police pour lever l'anonymat des usagers présents au moment de l'incident. Nous avons proposé deux constructions de ces signatures de groupe, prouvées sûres sous des hypothèses simples dans le monde des couplages et des réseaux euclidiens. Dans la continuité de ces travaux, nous avons aussi proposé la première construction de chiffrement de groupe (l'équivalent de la signature de groupe pour le chiffrement) à base de réseaux euclidiens. Finalement, ces travaux nous ont amené à la construction d'un schéma de transfert inconscient adaptatif avec contrôle d'accès à base de réseaux euclidiens. Ces constructions à base de réseaux ont été rendues possibles par des améliorations successives de l'expressivité du protocole de Stern, qui reposait initialement sur la difficulté du problème du décodage de syndrome. / In this thesis, we study provably secure privacy-preserving cryptographic constructions.We focus on zero-knowledge proofs and their applications.Group signatures are an example of such constructions.This primitive allows users to sign messages on behalf of a group (which they formerly joined), while remaining anonymous inside this group.Additionally, users remain accountable for their actions as another independent authority, a judge, is empowered with a secret information to lift the anonymity of any given signature.This construction has applications in anonymous access control, such as public transportations.Whenever someone enters a public transportation, he signs a timestamp. Doing this proves that he belongs to the group of people with a valid subscription.In case of problem, the transportation company hands the record of suspicious signatures to the police, which is able to un-anonymize them.We propose two constructions of group signatures for dynamically growing groups. The first is based on pairing-related assumptions and is fairly practical. The second construction is proven secure under lattice assumptions for the sake of not putting all eggs in the same basket.Following the same spirit, we also propose two constructions for privacy-preserving cryptography.The first one is a group encryption scheme, which is the encryption analogue of group signatures. Here, the goal is to hide the recipient of a ciphertext who belongs to a group, while proving some properties on the message, like the absence of malwares. The second is an adaptive oblivious transfer protocol, which allows a user to anonymously query an encrypted database, while keeping the unrequested messages hidden.These constructions were made possible through a series of work improving the expressiveness of Stern's protocol, which was originally based on the syndrome decoding problem.