La recherche sur les bases de données chiffrées vise à rendre efficace une tâche apparemment simple : déléguer le stockage de données à un serveur qui ne serait pas de confiance, tout en conservant des fonctionnalités de recherche. Avec le développement des services de stockage dans le Cloud, destinés aussi bien aux entreprises qu'aux individus, la mise au point de solutions efficaces à ce problème est essentielle pour permettre leur déploiement à large échelle. Le principal problème de la recherche sur bases de données chiffrées est qu'un schéma avec une sécurité ''parfaite'' implique un surcoût en termes de calcul et de communication qui serait inacceptable pour des fournisseurs de services sur le Cloud ou pour les utilisateurs - tout du moins avec les technologies actuelles. Cette thèse propose et étudie de nouvelles notions de sécurité et de nouvelles constructions de bases de données chiffrées permettant des recherches efficaces et sûres. En particulier, nous considérons la confidentialité persistante et la confidentialité future de ces bases de données, ce que ces notions impliquent en termes de sécurité et d'efficacité, et comment les réaliser. Ensuite, nous montrons comment protéger les utilisateurs de bases de données chiffrées contre des attaques actives de la part du serveur hébergeant la base, et que ces protections ont un coût inévitable. Enfin, nous étudions les attaques existantes contre ces bases de données chiffrées et comment les éviter. / Searchable encryption aims at making efficient a seemingly easy task: outsourcing the storage of a database to an untrusted server, while keeping search features. With the development of Cloud storage services, for both private individuals and businesses, efficiency of searchable encryption became crucial: inefficient constructions would not be deployed on a large scale because they would not be usable. The key problem with searchable encryption is that any construction achieving ''perfect security'' induces a computational or a communicational overhead that is unacceptable for the providers or for the users --- at least with current techniques and by today's standards. This thesis proposes and studies new security notions and new constructions of searchable encryption, aiming at making it more efficient and more secure. In particular, we start by considering the forward and backward privacy of searchable encryption schemes, what it implies in terms of security and efficiency, and how we can realize them. Then, we show how to protect an encrypted database user against active attacks by the Cloud provider, and that such protections have an inherent efficiency cost. Finally, we take a look at existing attacks against searchable encryption, and explain how we might thwart them.

Les mécanismes de réputation sont des outils très utiles pour inciter des utilisateurs ne se connaissant pas à se faire confiance, en récompensant les bons comportements et, inversement, en pénalisant les mauvais. Cependant, pour que la réputation des fournisseurs de service soit précise et robuste aux attaques, les mécanismes de réputation existants requièrent de nombreuses informations qui menacent la vie privée des utilisateurs; par exemple, il est parfois possible de traquer les interactions effectuées par les clients. Des mécanismes de réputation préservant aussi bien la vie privée des clients que celle des fournisseurs sont donc apparus pour empêcher de telles attaques. Néanmoins, pour garantir des propriétés fortes de vie privée, ces mécanismes ont dû proposer des scores de réputation imprécis, notamment en ne permettant pas aux clients de témoigner de leurs interactions négatives.Dans cette thèse, nous proposons un nouveau mécanisme de réputation distribué préservant la vie privée, tout en permettant aux clients d'émettre des témoignages négatifs. Une telle construction est possible grâce à des outils issus des systèmes distribués -- des tierces parties distribuées qui permettent de distribuer la confiance et de tolérer des comportements malveillants -- et de la cryptographie -- par exemple des preuves de connaissance à divulgation nulle de connaissance ou des signatures proxy anonymes. Nous prouvons de plus que ce mécanisme garantit les propriétés de vie privée et de sécurité nécessaires, et montrons par des analyses théoriques et pratiques que ce mécanisme est utilisable. / Reputation mechanisms are very powerful mechanisms to foster trust between unknown users, by rewarding good behaviors and punishing bad ones. Reputation mechanisms must guarantee that the computed reputation scores are precise and robust against attacks; to guarantee such properties, existing mechanisms require information that jeopardize users' privacy: for instance, clients' interactions might be tracked. Privacy-preserving reputation mechanisms have thus been proposed, protecting both clients' privacy and the providers' one. However, to guarantee strong privacy properties, these mechanisms provide imprecise reputation scores, particularly by preventing clients to testify about their negative interactions. In this thesis, we propose a new distributed privacy-preserving reputation mechanism allowing clients to issue positive as well as negative feedback. Such a construction is made possible thanks to tools from the distributed systems community -- distributed third parties that allow for a distribution of trust and that tolerate malicious behaviors -- as well as from the cryptographic one -- for instance zero-knowledge proofs of knowledge or anonymous proxy signatures. Furthermore, we prove that our mechanism guarantees the required privacy and security properties, and we show with theoretical and practical analysis that this mechanism is usable.

Les attaques en fautes consistent à perturber le fonctionnement d'un circuit intégré afin d'accéder à des informations confidentielles. Ce type d'attaque est critique pour la sécurité d'une application, en raison de la vaste gamme d'effets possibles : saut d'instructions, modifications de valeurs de registres … Les moyens mis en œuvre pour corrompre le fonctionnement d'un dispositif électronique sont divers et variés. Un circuit peut ainsi être utilisé en dehors de ses limites opérationnelles (en T°, V ou fréquence d'horloge), être soumis à de brusques variations de tension ou voir son signal d'horloge altéré. Ces attaques restent néanmoins globales, car elles perturbent le circuit dans son intégralité. De fait, elles sont facilement détectables par les nombreuses contremesures et capteurs intégrés de nos jours dans les circuits sécurisés. Des techniques plus élaborées ont ainsi vu le jour, notamment attaques dites LASER. Elles permettent de cibler une zone définie du circuit avec un effet très local, diminuant les risques d'être détectées par les capteurs ainsi que l'apparition de dysfonctionnements complets du système. Toutefois, ces attaques nécessitent une préparation physico-chimique du circuit, à la fois coûteuse et potentiellement destructrice pour l'échantillon ciblé. En raison de leur propriété de pénétration dans les matériaux, les injections électromagnétiques (Electromagnetic Injections) permettent, en théorie, de s'affranchir de toute étape de préparation. Leur capacité à transmettre de l'énergie sans contact direct, ainsi que la possibilité de les produire en possédant un matériel peu onéreux en font une technique de perturbation à fort potentiel. C'est dans ce contexte que cette thèse, intitulée « Injections électromagnétiques : développement d'outils et méthodes pour la réalisation d'attaques matérielles. » a été menée avec comme principaux objectifs la recherche de moyens de perturbation sans contact ne nécessitant pas d'étapes de préparation des échantillons, et produisant des effets localisés. Plus particulièrement, ces travaux de recherche ont donc d'abord été axés sur la réalisation d'une plateforme d'attaques basées sur la génération d'ondes EM harmoniques, en se focalisant sur les éléments clés que sont les sondes d'injection. Diverses expérimentations sur circuits intégrés en technologie récente, notamment sur une structure de générateur d‘horloge interne, ont permis de valider son efficacité. Enfin, des attaques sur générateurs de nombres aléatoires ont également été réalisées et ont démontré la possibilité de réduire l'aléa produit en sortie, en utilisant soit le phénomène de ‘locking' ou de manière plus surprenante, en provocant des fautes lors de l'échantillonnage des données par les éléments mémoires. / Attacks based on fault injection consist in disturbing a cryptographic computation in order to extract critical information on the manipulated data. Fault attacks constitute a serious threat against applications, due to the expected effects: bypassing control and protection, granting access to some restricted operations… Nevertheless, almost of classical ways (T°,V,F) and optical attacks are limited on the newest integrated circuits, which embed several countermeasures as active shield, glitch detectors, sensors… In this context, potentials of Electromagnetic active attacks must undoubtedly be taken into account, because of their benefits (penetrating characteristics, contactless energy transmission, low cost power production…). In this work, EM active attacks based on continuous mode are presented, with a particular attention to the development and optimization of injection probes, with a complete characterization of EM fields provided by each probe at the IC surface. Finally, some experiments are realized on internal clock generator or on true random numbers generators, then evaluated to prove the efficiency of these techniques. Keywords. Hardware Attacks, Faults Attacks, EM induced faults, CMOS Integrated Circuits.

Les générateurs de nombres véritablement aléatoires (TRNG) sont des composants cruciaux dans certaines applications cryptographiques sensibles (génération de clés de chiffrement, génération de signatures DSA, etc). Comme il s’agit de composants très bas-niveau, une faille dans le TRNG peut remettre en question la sécurité de tout le système cryptographique qui l’exploite. Alors que beaucoup de principes de TRNG existent dans la littérature, peu de travaux analysent rigoureusement ces architectures en termes de sécurité. L’objectif de cette thèse était d’étudier les avantages des techniques de conception asynchrone pour la conception de générateurs de nombres véritablement aléatoires (TRNG) sûrs et robustes. Nous nous sommes en particulier intéressés à des oscillateurs numériques appelés anneaux auto-séquencés. Ceux-ci exploitent un protocole de requêtes et acquittements pour séquencer les données qui y circulent. En exploitant les propriétés uniques de ces anneaux, nous proposons un nouveau principe de TRNG, avec une étude théorique détaillée sur son fonctionnement, et une évaluation du cœur du générateur dans des cibles ASIC et FPGA. Nous montrons que ce nouveau principe permet non seulement de générer des suites aléatoires de très bonne qualité et avec un très haut débit (>100 Mbit/s), mais il permet aussi une modélisation réaliste de l’entropie des bits de sortie (celle-ci peut être réglée grâce aux paramètres de l’extracteur). Ce travail propose également une méthodologie complète pour concevoir ce générateur, pour le dimensionner en fonction du niveau de bruit dans le circuit, et pour le sécuriser face aux attaques et défaillances / True Random Number Generators (TRNG) are ubiquitous in many critical cryptographic applications (key generation, DSA signatures, etc). While many TRNG designs exist in literature, only a few of them deal with security aspects, which is surprising considering that they are low-level primitives in a cryptographic system (a weak TRNG can jeopardize a whole cryptographic system). The objective of this thesis was to study the advantages of asynchronous design techniques in order to build true random number generators that are secure and robust. We especially focused on digital oscillators called self-timed rings (STR), which use a handshake request and acknowledgement protocol to organize the propagation of data. Using some of the unique properties of STRs, we propose a new TRNG principle, with a detailed theoretical study of its behavior, and an evaluation of the TRNG core in ASICs and FPGAs. We demonstrate that this new principle allows to generate high quality random bit sequences with a very high throughput (> 100 Mbit/s). Moreover, it enables a realistic estimation for the entropy per output bit (this entropy level can be tuned using the entropy extractor parameters). We also present a complete methodology to design the TRNG, to properly set up the architecture with regards to the level of noise in the circuit, and to secure it against attacks and failures

La sécurité et la cryptographie sont des éléments clés pour les dispositifs soumis à des contraintes comme l’IOT, Carte à Puce, Systèm Embarqué, etc. Leur implémentation matérielle constitue un défi en termes de limitation en ressources physiques, vitesse de fonctionnement, capacité de mémoire, etc. Dans ce contexte, comme la plupart des protocoles s’appuient sur la sécurité d’un bon générateur de nombres aléatoires, considéré comme un élément indispensable dans le noyau de sécurité. Par conséquent, le présent travail propose des nouveaux générateurs pseudo-aléatoires basés sur des itérations chaotiques, et conçus pour être déployés sur des supports matériels, à savoir sur du FPGA ou du ASIC. Ces implémentations matérielles peuvent être décrites comme des post-traitements sur des générateurs existants. Elles transforment donc une suite de nombres non-uniformes en une autre suite de nombres uniformes. La dépendance entre l’entrée et la sortie a été prouvée chaotique selon les définitions mathématiques du chaos fournies notamment par Devaney et Li-Yorke. Suite à cela, nous effectuant tout d’abord un état de l’art complet sur les mises en œuvre matérielles et physiques des générateurs de nombres pseudo-aléatoires (PRNG, pour pseudorandom number generators). Nous proposons ensuite de nouveaux générateurs à base d’itérations chaotiques (IC) qui seront testés sur notre plate-forme matérielle. L’idée de départ était de partir du n-cube (ou, de manière équivalente, de la négation vectorielle dans les IC), puis d’enlever un cycle Hamiltonien suffisamment équilibré pour produire de nouvelles fonctions à itérer, à laquelle s’ajoute une permutation en sortie. Les méthodes préconisées pour trouver de bonnes fonctions serons détaillées, et le tout sera implanté sur notre plate-forme FPGA. Les générateurs obtenus disposent généralement d’un meilleur profil statistique que leur entrée, tout en fonctionnant à une grande vitesse. Finalement, nous les implémenterons sur de nombreux supports matériels (65-nm ASIC circuit and Zynq FPGA platform). / Security and cryptography are key elements in constrained devices such as IoT, smart card, embedded system, etc. Their hardware implementations represent a challenge in terms of limitations in physical resources, operating speed, memory capacity, etc. In this context, as most protocols rely on the security of a good random number generator, considered an indispensable element in lightweight security core. Therefore, this work proposes new pseudo-random generators based on chaotic iterations, and designed to be deployed on hardware support, namely FPGA or ASIC. These hardware implementations can be described as post-processing on existing generators. They transform a sequence of numbers not uniform into another sequence of numbers uniform. The dependency between input and output has been proven chaotic, according notably to the mathematical definitions of chaos provided by Devaney and Li-Yorke. Following that, we firstly elaborate or develop out a complete state of the art of the material and physical implementations of pseudo-random number generators (PRNG, for pseudorandom number generators). We then propose new generators based on chaotic iterations (IC) which will be tested on our hardware platform. The initial idea was to start from the n-cube (or, in an equivalent way, the vectorial negation in CIs), then remove a Hamiltonian cycle balanced enough to produce new functions to be iterated, for which is added permutation on output . The methods recommended to find good functions, will be detailed, and the whole will be implemented on our FPGA platform. The resulting generators generally have a better statistical profiles than its inputs, while operating at a high speed. Finally, we will implement them on many hardware support (65-nm ASIC circuit and Zynq FPGA platform).

Les services cloud offrent des coûts réduits, une élasticité et un espace de stockage illimité qui attirent de nombreux utilisateurs. Le partage de fichiers, les plates-formes collaboratives, les plateformes de courrier électroniques, les serveurs de sauvegarde et le stockage de fichiers sont parmi les services qui font du cloud un outil essentiel pour une utilisation quotidienne. Actuellement, la plupart des systèmes d'exploitation proposent des applications de stockage externalisées intégrées, par conception, telles que One Drive et iCloud, en tant que substituts naturels succédant au stockage local. Cependant, de nombreux utilisateurs, même ceux qui sont disposés à utiliser les services susmentionnés, restent réticents à adopter pleinement le stockage et les services sous-traités dans le cloud. Les préoccupations liées à la confidentialité des données augmentent l'incertitude pour les utilisateurs qui conservent des informations sensibles. Il existe de nombreuses violations récurrentes de données à l'échelle mondiale qui ont conduit à la divulgation d'informations sensibles par les utilisateurs. Pour en citer quelques-uns : une violation de Yahoo fin 2014 et annoncé publiquement en Septembre 2016, connue comme la plus grande fuite de données de l'histoire d'Internet, a conduit à la divulgation de plus de 500 millions de comptes utilisateur ; une infraction aux assureurs-maladie, Anthem en février 2015 et Premera BlueCross BlueShield en mars 2015, qui a permis la divulgation de renseignements sur les cartes de crédit, les renseignements bancaires, les numéros de sécurité sociale, pour des millions de clients et d'utilisateurs. Une contre-mesure traditionnelle pour de telles attaques dévastatrices consiste à chiffrer les données des utilisateurs afin que même si une violation de sécurité se produit, les attaquants ne peuvent obtenir aucune information à partir des données. Malheureusement, cette solution empêche la plupart des services du cloud, et en particulier, la réalisation des recherches sur les données externalisées.Les chercheurs se sont donc intéressés à la question suivante : comment effectuer des recherches sur des données chiffrées externalisées tout en préservant une communication, un temps de calcul et un stockage acceptables ? Cette question avait plusieurs solutions, reposant principalement sur des primitives cryptographiques, offrant de nombreuses garanties de sécurité et d'efficacité. Bien que ce problème ait été explicitement identifié pendant plus d'une décennie, de nombreuses dimensions de recherche demeurent non résolues. Dans ce contexte, le but principal de cette thèse est de proposer des constructions pratiques qui sont (1) adaptées aux déploiements dans les applications réelles en vérifiant les exigences d'efficacité nécessaires, mais aussi, (2) en fournissant de bonnes assurances de sécurité. Tout au long de notre recherche, nous avons identifié le chiffrement cherchable (SSE) et la RMA inconsciente (ORAM) comme des deux potentielles et principales primitives cryptographiques candidates aux paramètres des applications réelles. Nous avons identifié plusieurs défis et enjeux inhérents à ces constructions et fourni plusieurs contributions qui améliorent significativement l'état de l'art.Premièrement, nous avons contribué à rendre les schémas SSE plus expressifs en permettant des requêtes booléennes, sémantiques et de sous-chaînes. Cependant, les praticiens doivent faire très attention à préserver l'équilibre entre la fuite d'information et le degré d'expressivité souhaité. Deuxièmement, nous améliorons la bande passante de l'ORAM en introduisant une nouvelle structure récursive de données et une nouvelle procédure d'éviction pour la classe d'ORAM ; nous introduisons également le concept de redimensionnabilibté dans l'ORAM qui est une caractéristique requise pour l'élasticité de stockage dans le cloud. / Cloud services offer reduced costs, elasticity and a promised unlimited managed storage space that attract many end-users. File sharing, collaborative platforms, email platforms, back-up servers and file storage are some of the services that set the cloud as an essential tool for everyday use. Currently, most operating systems offer built-in outsourced cloud storage applications, by design, such as One Drive and iCloud, as natural substitutes succeeding to the local storage. However, many users, even those willing to use the aforementioned cloud services, remain reluctant towards fully adopting cloud outsourced storage and services. Concerns related to data confidentiality rise uncertainty for users maintaining sensitive information. There are many, recurrent, worldwide data breaches that led to the disclosure of users' sensitive information. To name a few: a breach of Yahoo late 2014 and publicly announced on September 2016, known as the largest data breach of Internet history, led to the disclosure of more than 500 million user accounts; a breach of health insurers, Anthem in February 2015 and Premera BlueCross BlueShield in March 2015, that led to the disclosure of credit card information, bank account information, social security numbers, data income and more information for more than millions of customers and users. A traditional countermeasure for such devastating attacks consists of encrypting users' data so that even if a security breach occurs, the attackers cannot get any information from the data. Unfortunately, this solution impedes most of cloud services, and in particular, searching on outsourced data. Researchers therefore got interrested in the fllowing question: how to search on outsourced encrypted data while preserving efficient communication, computation and storage overhead? This question had several solutions, mostly based on cryptographic primitives, offering numerous security and efficiency guarantees. While this problem has been explicitly identified for more than a decade, many research dimensions remain unsolved. The main goal of this thesis is to come up with practical constructions that are (1) suitable for real life deployments verifying necessary efficiency requirements, but also, (2) providing good security insurances. Throughout our reseach investigation, we identified symmetric searchable encryption (SSE) and oblivious RAM (ORAM) as the two potential and main cryptographic primitives' candidate for real life settings. We have recognized several challenges and issues inherent to these constructions and provided a number of contributions that improve upon the state of the art. First, we contributed to make SSE schemes more expressive by enabling Boolean, semantic, and substring queries. Practitioners, however, need to be very careful about the provided balance between the security leakage and the degree of desired expressiveness. Second, we improve ORAM's bandwidth by introducing a novel recursive data structure and a new eviction procedure for the tree-based class of ORAM contructions, but also, we introduce the concept of resizability in ORAM which is a required feature for cloud storage elasticity.