Avec l'utilisation de notre carte bancaire pour payer un achat sur Internet ou de notre téléphone portable pour nous connecter aux réseaux sociaux, les transactions électroniques font partie de notre quotidien et sont désormais incontournables. Malheureusement, lors de tels échanges, un grand nombre de données personnelles sont transférées et une telle informatisation n'est pas sans conséquence. Les problèmes de sécurisation et de protection de ces données sont bien présents. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la problématique de la protection de la vie privée des utilisateurs dans des systèmes informatiques. Pour cela, nous nous intéressons à trois domaines d'actualité. Dans un premier temps, nous proposons un système de gestion des données centré sur l'utilisateur. Ainsi, lors de sa navigation sur Internet, l'internaute sera guidé et aura la possibilité de faire appel aux huit fonctionnalités offertes par l'application. Un second problème, sur lequel nous avons travaillé, est le cas des dossiers médicaux des patients et de l'accès à ces documents confidentiels. Nous proposons une architecture de e-santé permettant la protection des informations personnelles des patients au sein d'un établissement de santé et entre plusieurs établissements. Pour finir, nous avons travaillé dans le domaine de la monétique et plus précisément sur le paiement en ligne. Nous exposons ainsi trois nouveaux protocoles respectant davantage les données personnelles des internautes. Deux d'entre eux sont une amélioration de protocoles existants : 3D-Secure et le protocole d'Ashrafi et Ng. La dernière architecture, totalement nouvelle, permet de procéder à un paiement sur Internet sans fournir aucune information bancaire du client. Pour chacune de ces infrastructures, des exigences de sécurité et de protection de la vie privée sont décrites. Les solutions existantes, ainsi que celles proposées, sont détaillées et analysées en fonction de ces exigences. Les propositions d'architectures respectueuses de la vie privée ont toutes fait l'objet d'une preuve de concept avec une implémentation logicielle.

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.

Au début des années 90, l'apparition de nouvelles méthodes de cryptanalyse a bouleversé la sécurité des dispositifs cryptographiques. Ces attaques se basent sur l'analyse de consommation en courant lorsque le microprocesseur d'une carte est en train de dérouler l'algorithme cryptographique. Dans cette thèse nous explorons, principalement, les attaques template, et y apportons quelques améliorations pratiques notamment par l'utilisation de différentes techniques de traitement du signal. Nous commençons par étudier l'efficacité de ces attaques sur des mises en oeuvre matérielles non protégées, et explorons au fur et à mesure quelque modèles de fuite d'information. Après cela, nous examinons la pertinence du cadre théorique sur les attaques par profilage présenté par F.-X. Standaert et al. à Eurocrypt 2009. Ces analyses consistent en des études de cas basées sur des mesures de courant acquises expérimentalement à partir d'un accélérateur cryptographique. À l'égard de précédentes analyses formelles effectuées sur des mesures par " simulations ", les investigations que nous décrivons sont plus complexes, en raison des différentes architectures et de la grande quantité de bruit algorithmique. Dans ce contexte, nous explorons la pertinence des différents choix pour les variables sensibles, et montrons qu'un attaquant conscient des transferts survenus pendant les opérations cryptographiques peut sélectionner les distingueurs les plus adéquats, et augmenter ainsi son taux de succès. Pour réduire la quantité de données, et représenter les modèles en deux dimensions, nous utilisons l'analyse en composantes principales (ACP) et donnons une interprétation physique des valeurs propres et vecteurs propres. Nous introduisons une méthode basée sur le seuillage de la fuite de données pour accélérer le profilage ainsi que l'attaque. Cette méthode permet de renforcer un attaquant qui peut avec un minimum de traces, améliorer 5 fois sa vitesse dans la phase en ligne de l'attaque. Aussi, il a été souligné que les différents modèles utilisés, ainsi que les échantillons recueillis durant la même acquisition peuvent transporter des informations complémentaires. Dans ce contexte, nous avons eu l'occasion d'étudier comment combiner au mieux différentes attaques en se basant sur différentes fuites. Cela nous a permis d'apporter des réponses concrètes au problème de la combinaison des attaques. Nous nous sommes concentrés également sur l'identification des problèmes qui surgissent quand il y a une divergence entre les templates et les traces attaquées. En effet, nous montrons que deux phénomènes peuvent entraver la réussite des attaques lorsque les templates sont obsolètes, à savoir, la désynchronisation des traces, et le redimensionnement des traces en amplitudes. Nous suggérons deux remèdes pour contourner ce type de problèmes : le réajustement des signaux et la normalisation des campagnes d'acquisitions. Finalement, nous proposons quelques méthodes du traitement du signal dans le contexte des attaques physiques. Nous montrons que lorsque les analyses sont effectuées en multi-résolution, il y a un gain considérable en nombre de traces nécessaires pour récupérer la clé secrète, par rapport à une attaque ordinaire.

Dans cette thèse nous abordons le problème de la conception de passerelle IPsec très haut débit pour la sécurisation des communications entre réseaux locaux. Pour cela, nous proposons deux architectures : une passerelle purement logicielle sur un unique serveur, dite intégrée, et une passerelle utilisant plusieurs serveurs et un module matériel cryptographique, dite en rupture. La première partie de nos travaux étudie l'aspect performance des deux architectures proposées. Nous commençons par montrer qu'un serveur générique est limité par sa puissance de calcul pour atteindre l'objectif de chiffrement et communication à 10 Gb/s. De plus, les nouvelles cartes graphiques, bien que prometteuses en terme de puissance, ne sont pas adaptées au problème du chiffrement de paquets réseau (à cause de leur faible taille). Nous mettons alors en place une pile réseau répartie sur plusieurs machines et procédons à sa parallélisation dans le cadre de l'architecture en rupture. Dans un second temps, nous analysons l'intégration d'une passerelle dans un réseau, notamment l'interaction du protocole de contrôle ICMP avec IPsec. ICMP est particulièrement important pour atteindre le haut débit par son implication dans le mécanisme d'optimisation de la taille des paquets. Pour cela, nous avons développé IBTrack, un logiciel d'étude du comportement des routeurs, par rapport à ICMP, le long d'un chemin. Nous montrons ensuite qu'ICMP est un vecteur d'attaque contre IPsec en exploitant un défaut fondamental des normes IP et IPsec : le surcoût des paquets IP créé par le mode tunnel entre en conflit avec le minimum de la taille maximale prévue par IP.

Dans cette thèse, je propose des architectures de coprocesseurs haute performance pour implémenter les primitives de cryptographie asymétrique, comme le RSA, les courbes elliptiques ou le couplage. Les coprocesseurs décrits dans cette thèse ont été implémentés dans des FPGA, et présentent des performances jamais égalées auparavant dans la littérature publique sur ce type de technologie. La particularité de ces architectures est l'utilisation du Residue Number System, un mode de représentation alternatif qui utilise les restes chinois pour calculer efficacement les opérations arithmétiques sur les grands nombres. Ces travaux permettent de confirmer expérimentalement les avantages théoriques de ce mode de représentation pour l'arithmétique modulaire, issus de [14, 13, 43]. Au bénéfice théorique que le RNS apporte s'ajoute une forte capacité de parallélisation qui permet d'obtenir des designs réguliers et pipelinés, proposant une fréquence maximale importante tout en réalisant les opérations modulaires dans un nombre très faible de cycles, et ce quelle que soit la taille des nombres. A titre d'exemple, une multiplication scalaire sur une courbe de 160 bits s'effectue en 0.57 ms sur un Altera Stratix, et en 4 ms pour une courbe de 512 bits, là ou les techniques de représentation classiques réalisent la même opération en le double de temps, à technologie équivalente (excepté pour des courbes particulières). Dans le cas du couplage, le gain est encore plus intéressant, puisqu'il a permis une division par 4 de latence de la meilleure implémentation sur corps de grande caractéristique au moment de la publication de [35], et la première implémentation d'un couplage à 128 bits de sécurité sur corps de grande caractéristique à descendre en dessous de la milliseconde. Enfin, je démontre la capacité du RNS à sécuriser une implémentation haute performance, en proposant 2 contre-mesures contre les canaux auxiliaires et les fautes s'adaptant efficacement sur les coprocesseurs et pouvant être utilisées pour toutes les primitives cryptographiques basées sur l'arithmétique modulaire de grands nombres.

Depuis ces dix dernières années, les attaques sur le logarithme discret sur les courbes elliptiques (ECDLP) mettant en jeu la résolution de systèmes polynomiaux connaissent un large succès. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse dont les contributions sont doubles. D'une part, nous présentons de nouveaux outils de résolution de systèmes polynomiaux par bases de Gröbner. Nous montrons que la résolution de systèmes avec symétries est étroitement liée à la résolution de systèmes quasi-homogènes. Nous proposons ainsi de nouveaux résultats de complexité pour la résolution de tels systèmes. Nous nous intéressons également à l'étape bloquante de la résolution de systèmes : le changement d'ordre pour bases de Gröbner. La complexité classique de cette étape est cubique en le nombre de solutions et domine la complexité totale de la résolution. Nous proposons pour la première fois des algorithmes de changement d'ordre de complexité sous-cubique en le nombre de solutions. D'autre part, nous nous intéressons à l'attaque du logarithme discret sur les courbes elliptiques par calcul d'indice proposée par Gaudry. Nous mettons en évidence des familles de courbes elliptiques possédant des symétries particulières. Ces symétries impliquent un gain exponentiel sur la complexité de la résolution du ECDLP. Nous obtenons ainsi de nouveaux paramètres de sécurité pour certaines instances du ECDLP. Une des étapes principales de cette attaque nécessite le calcul de polynômes de sommation introduits par Semaev. Les symétries des courbes elliptiques binaires nous permettent d'élaborer un nouvel algorithme par évaluation-interpolation pour le calcul des polynômes de sommation. Munis de cet algorithme nous établissons un nouveau record pour le calcul de ces polynômes.

<p>Les systèmes cryptographiques à base de courbes elliptiques sont aujourd'hui de plus en plus employés dans les protocoles utilisant la cryptographie à clef publique. Ceci est particulièrement vrai dans le monde de l'embarqué qui est soumis à de fortes contraintes de coût, de ressources et d'efficacité, car la cryptographie à base de courbes elliptiques permet de réduire significativement la taille des clefs utilisées par rapport à d'autres systèmes cryptographiques tels que RSA.</p> <p>Les travaux qui suivent décrivent dans un premier temps 'implantation efficace et sécurisée de la cryptographie à base de courbes elliptiques sur des composants embarqués, en particulier sur des cartes à puce. La sécurisation de ces implantations nécessite de prendre en compte les attaques physiques dont un composant embarqué peut être la cible. Ces attaques incluent notamment les analyses par canaux auxiliaires qui consistent à étudier le comportement d'un composant qui manipule une clef secrête pour en déduire de l'information sur celle-ci, et les analyses par faute dans lesquelles un attaquant peut perturber le fonctionnement d'un composant dans le même but.</p> <p>Dans la seconde partie de ce mémoire de thèse, nous étudions ces attaques et leurs conséquences concernant l'implantation des systèmes cryptographiques à clef publique les plus répandus. De nouvelles méthodes d'analyse et de nouvelles contre-mesures sont proposées pour ces systèmes cryptographiques, ainsi que des attaques spécifiques à l'algorithme de chiffirement par bloc AES.</p>

Cette thèse s'intéresse aux effets des attaques par fautes physiques sur le code d'un système embarqué en particulier la carte à puce. De telles attaques peuvent compromettre la sécurité du système en donnant accès à des informations confidentielles, en compromettant l'intégrité de données sensibles ou en perturbant le fonctionnement pendant l'exécution. Dans cette thèse, nous décrivons des propriétés de sécurité permettant d'exprimer les garanties du système et établissons un modèle d'attaque de haut niveau définissant les capacités d'un attaquant à modifier le système. Ces propriétés et ce modèle nous servent à vérifier la sécurité du code par analyse statique ou test dynamique, combinés avec l'injection d'attaques, simulant les conséquences logicielles des fautes physiques. Deux méthodologies sont ainsi développées afin de vérifier le comportement fonctionnel du code sous attaques, tester le fonctionnement des sécurités implémentées et identifier de nouvelles attaques. Ces méthodologies ont été mises en oeuvre dans un cadre industriel afin de faciliter le travail du développeur chargé de sécuriser un code de carte à puce.

Ce manuscrit présente les travaux que j'ai mené depuis 2002 sur les thématiques d'amélioration de la Qualité de Service (QdS) et de la sécurité des réseaux dans les environnements réseaux dits contraints. Ces travaux ont été menés successivement au travers de différentes structures. Dans un premier temps, j'ai été doctorant puis ATER au LAAS-CNRS et à l'INSA de Toulouse. J'ai eu l'opportunité d'avoir une expérience de post doctorant à l'étranger pendant cette période au sein du KAIST en Corée du Sud. En 2006, j'ai été recruté par l'ENAC et son laboratoire TELECOM pour exercer les fonctions d'enseignant chercheur. Le fil directeur de ma contribution pour ce mémoire d'habilitation à diriger les recherches est centré sur la notion d'environnement réseau contraint. Un environnement réseau contraint dispose par définition d'un niveau limité de ressources (de calcul, réseau ou énergétique) pour rendre un service à ses usagers. Dans ce manuscrit nous nous intéresserons en particulier à l'optimisation de l'utilisation des ressources réseaux : pour cela, les paramètres de QdS tels que la "capacité" ou encore le "délai d'acheminement" des liens réseaux considérés seront déterminant pour l'optimisation de l'utilisation des ressources réseaux. Néanmoins, il est important de noter que nous ne considérons pas spécifiquement la problématique de l'optimisation de la gestion de l'énergie dans cet environnement. Le contexte d'application des réseaux contraints est très vaste. Ainsi, nous nous intéresserons au travers de ce manuscrit aux réseaux mobiles qui peuvent intégrer une ou plusieurs liaisons sans fil (satellite, Wifi, Wimax) qui, par construction, offrent un niveau de service plus faible qu'un réseau classique filaire lorsqu'on considère les paramètres traditionnels d'estimation de la QdS : débit, délai ou encore taux de perte. Nous verrons en particulier comment différentes solutions novatrices ont été proposées par l'intermédiaire des travaux que nous avons menés afin de pouvoir optimiser l'utilisation des ressources réseaux dans ce contexte et élever le niveau de robustesse offert par ce dernier.