Cette thèse a pour but d'illustrer et de faire avancer l'état des connaissances sur certaines problématiques liées à l'utilisation de la cryptographie résistante à un adversaire muni d'un ordinateur quantique. L'intérêt suscité par le développement d'algorithmes dit "post-quantiques" a pris une ampleur majeure dans les dernières années suite aux progrès techniques de l'informatique quantique et la décision du NIST (National Institute of Standards and Technology) d'organiser un projet de standardisation. En particulier, nous nous intéressons aux algorithmes basant leur sécurité sur la difficulté de résoudre certains problèmes liés a un object mathématique appelé emph{réseau euclidien}. Ce type de cryptographie ayant déjà été étudiée de manière soutenue en théorie, une partie la communauté scientifique s'est maintenant tournée vers les aspects pratiques. Nous présentons dans la thèse trois sujets majeurs relatifs à ces aspects pratiques, chacun discuté dans un chapitre soutenu par une publication scientifique. Le premier sujet est celui des implémentations efficaces. L'utilisation de la cryptographie dans la société moderne implique de programmer du matériel informatique sécurisant des données. Trouver la manière la plus efficace d'implémenter les fonctions mathématiques décrites dans les spécifications de l'algorithme n'est pas toujours simple. Dans le chapitre correspondant à ce premier sujet, nous allons présenter un papier établissant la façon la plus rapide connue actuellement d'implémenter certains algorithmes participant au projet du NIST. Le deuxième sujet est celui des attaques par canaux auxiliaires. Une fois l'algorithme implémenté, son utilisation dans le monde physique donne une surface d'attaque étendue à l'adversaire. Certaines techniques sont connues pour mitiger les nouvelles attaques pouvant survenir. Dans ce chapitre, nous étudierons l'application d'une technique appelée emph{masquage} qui a été appliquée à un algorithme de signature post-quantique, lui aussi candidat au projet du NIST. Finalement, le dernier chapitre de contributions s'intéresse à la possibilité de fusionner deux algorithmes afin de créer un outil spécialisé plus efficace que l'utilisation des deux algorithmes de base. Cette technique de fusion était déjà connue par le passé mais n'avait été beaucoup étudiée dans le cadre de la cryptographie post-quantique. Ce dernier aspect est donc légèrement plus orienté design que purement pratique, mais la possibilité de fusionner à moindre coup des fonctionnalités permet d'avoir un gain concret lors de l'utilisation. / Option Informatique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Avec la possibilité de l’existence d’un ordinateur quantique, les primitives cryptographiques basées sur la théorie des nombres risquent de devenir caduques. Il devient donc important de concevoir des schémas résistants à ce nouveau type de menaces. Les réseaux euclidiens et les codes correcteurs d’erreurs sont deux outils mathématiques permettant de construire des problèmes d’algèbre linéaire, pour lesquels il n’existe aujourd’hui pas d’algorithme quantique permettant d’accélérer significativement leur résolution. Dans cette thèse, nous proposons quatre primitives cryptographiques de ce type : deux schémas de signatures (dont une signature traçable) basés sur les réseaux, un protocole de délégation de signature utilisant du chiffrement complètement homomorphe, et une nouvelle approche permettant de construire des cryptosystèmes très efficaces en pratique basés sur les codes. Ces contributions sont accompagnées de paramètres concrets permettant de jauger les coûts calculatoires des primitives cryptographique dans un monde post-quantique. / In the likely event where a quantum computer sees the light, number theoretic based cryptographic primitives being actually in use might become deciduous. This results in an important need to design schemes that could face off this new threat. Lattices and Error Correcting Codes are mathematical tools allowing to build algebraic problems, for which – up to-date – no quantum algorithm significantly speeding up their resolution is known. In this thesis, we propose four such kind cryptographic primitives: two signatures schemes (among those a traceable one) based on lattices, a signature delegation protocol using fully homomorphic encryption, and a new framework for building very efficient and practical code-based cryptosystems. These contributions are fed with concrete parameters allowing to gauge the concrete costs of security in a post-quantum world.

La cryptographie basée sur les codes n'est pas largement déployée dans la pratique. Principalement à cause de son inconvénient majeur: des tailles de clés énormes. Dans cette thèse, nous proposons deux approches différentes pour résoudre ce problème. Le premier utilise des codes algébriques, présentant un moyen de construire des codes de Goppa qui admettent une représentation compacte. Ce sont les Codes de Goppa p-adiques. Nous montrons comment construire ces codes pour instancier des systèmes de chiffrement à clé publique, comment étendre cette approche pour instancier un schéma de signature et, enfin, comment généraliser cet approche pour définir des codes de caractéristique plus grande au égale à deux. En résumé, nous avons réussi à produire des clés très compact basé sur la renommée famille de codes de Goppa. Bien qu'efficace, codes de Goppa p-adiques ont une propriété non souhaitable: une forte structure algébrique. Cela nous amène à notre deuxième approche, en utilisant des codes LDPC avec densité augmentée, ou tout simplement des codes MDPC. Ce sont des codes basés sur des graphes, qui sont libres de structure algébrique. Il est très raisonnable de supposer que les codes MDPC sont distinguable seulement en trouvant des mots de code de poids faible dans son dual. Ceci constitue un avantage important non seulement par rapport à tous les autres variantes du système de McEliece à clés compactes, mais aussi en ce qui concerne la version classique basée sur les codes de Goppa binaires. Ici, les clés compactes sont obtenus en utilisant une structure quasi-cyclique.

La cryptographie à base de codes correcteurs, introduite par Robert McEliece en 1978, est un candidat potentiel au remplacement des primitives asymétriques vulnérables à l'émergence d'un ordinateur quantique. Elle possède de plus une sécurité classique éprouvée depuis plus de trente ans, et permet des fonctions de chiffrement très rapides. Son défaut majeur réside dans la taille des clefs publiques. Pour cette raison, plusieurs variantes du schéma de McEliece pour lesquelles les clefs sont plus aisées à stocker ont été proposées ces dernières années. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux variantes utilisant soit des codes alternants avec symétrie, soit des codes de Goppa sauvages. Nous étudions leur résistance aux attaques algébriques et exhibons des faiblesses parfois fatales. Dans chaque cas, nous révélons l'existence de structures algébriques cachées qui nous permettent de décrire la clef secrète par un système non-linéaire d'équations en un nombre de variables très inférieur aux modélisations antérieures. Sa résolution par base de Gröbner nous permet de trouver la clef secrète pour de nombreuses instances hors de portée jusqu'à présent et proposés pour un usage à des fins cryptographiques. Dans le cas des codes alternants avec symétrie, nous montrons une vulnérabilité plus fondamentale du processus de réduction de taille de la clef.Pour un déploiement à l'échelle industrielle de la cryptographie à base de codes correcteurs, il est nécessaire d'en évaluer la résistance aux attaques physiques, qui visent le matériel exécutant les primitives. Nous décrivons dans cette optique un algorithme de déchiffrement McEliece plus résistant que l'état de l'art. / Code-based cryptography, introduced by Robert McEliece in 1978, is a potential candidate to replace the asymetric primitives which are threatened by quantum computers. More generral, it has been considered secure for more than thirty years, and allow very vast encryption primitives. Its major drawback lies in the size of the public keys. For this reason, several variants of the original McEliece scheme with keys easier to store were proposed in the last years.In this thesis, we are interested in variants using alternant codes with symmetries and wild Goppa codes. We study their resistance to algebraic attacks, and reveal sometimes fatal weaknesses. In each case, we show the existence of hidden algebraic structures allowing to describe the secret key with non-linear systems of multivariate equations containing fewer variables then in the previous modellings. Their resolutions with Gröbner bases allow to find the secret keys for numerous instances out of reach until now and proposed for cryptographic purposes. For the alternant codes with symmetries, we show a more fondamental vulnerability of the key size reduction process. Prior to an industrial deployment, it is necessary to evaluate the resistance to physical attacks, which target device executing a primitive. To this purpose, we describe a decryption algorithm of McEliece more resistant than the state-of-the-art.Code-based cryptography, introduced by Robert McEliece in 1978, is a potential candidate to replace the asymetric primitives which are threatened by quantum computers. More generral, it has been considered secure for more than thirty years, and allow very vast encryption primitives. Its major drawback lies in the size of the public keys. For this reason, several variants of the original McEliece scheme with keys easier to store were proposed in the last years.In this thesis, we are interested in variants using alternant codes with symmetries and wild Goppa codes. We study their resistance to algebraic attacks, and reveal sometimes fatal weaknesses. In each case, we show the existence of hidden algebraic structures allowing to describe the secret key with non-linear systems of multivariate equations containing fewer variables then in the previous modellings. Their resolutions with Gröbner bases allow to find the secret keys for numerous instances out of reach until now and proposed for cryptographic purposes. For the alternant codes with symmetries, we show a more fondamental vulnerability of the key size reduction process. Prior to an industrial deployment, it is necessary to evaluate the resistance to physical attacks, which target device executing a primitive. To this purpose, we describe a decryption algorithm of McEliece more resistant than the state-of-the-art.

Bien que relativement récente, la cryptographie à base de réseaux euclidiens s’est distinguée sur de nombreux points, que ce soit par la richesse des constructions qu’elle permet, par sa résistance supposée à l’avènement des ordinateursquantiques ou par la rapidité dont elle fait preuve lorsqu’instanciée sur certaines classes de réseaux. Un des outils les plus puissants de la cryptographie sur les réseaux est le Gaussian sampling. À très haut niveau, il permet de prouver qu’on connaît une base particulière d’un réseau, et ce sans dévoiler la moindre information sur cette base. Il permet de réaliser une grande variété de cryptosystèmes. De manière quelque peu surprenante, on dispose de peu d’instanciations pratiques de ces schémas cryptographiques, et les algorithmes permettant d’effectuer du Gaussian sampling sont peu étudiés. Le but de cette thèse est de combler le fossé qui existe entre la théorie et la pratique du Gaussian sampling. Dans un premier temps, nous étudions et améliorons les algorithmes existants, à la fois par une analyse statistique et une approche géométrique. Puis nous exploitons les structures sous-tendant de nombreuses classes de réseaux, ce qui nous permet d’appliquer à un algorithme de Gaussian sampling les idées de la transformée de Fourier rapide, passant ainsi d’une complexité quadratique à quasilinéaire. Enfin, nous utilisons le Gaussian sampling en pratique et instancions un schéma de signature et un schéma de chiffrement basé sur l’identité. Le premierfournit des signatures qui sont les plus compactes obtenues avec les réseaux à l’heure actuelle, et le deuxième permet de chiffrer et de déchiffrer à une vitesse près de mille fois supérieure à celle obtenue en utilisant un schéma à base de couplages sur les courbes elliptiques. / Although rather recent, lattice-based cryptography has stood out on numerous points, be it by the variety of constructions that it allows, by its expected resistance to quantum computers, of by its efficiency when instantiated on some classes of lattices. One of the most powerful tools of lattice-based cryptography is Gaussian sampling. At a high level, it allows to prove the knowledge of a particular lattice basis without disclosing any information about this basis. It allows to realize a wide array of cryptosystems. Somewhat surprisingly, few practical instantiations of such schemes are realized, and the algorithms which perform Gaussian sampling are seldom studied. The goal of this thesis is to fill the gap between the theory and practice of Gaussian sampling. First, we study and improve the existing algorithms, byboth a statistical analysis and a geometrical approach. We then exploit the structures underlying many classes of lattices and apply the ideas of the fast Fourier transform to a Gaussian sampler, allowing us to reach a quasilinearcomplexity instead of quadratic. Finally, we use Gaussian sampling in practice to instantiate a signature scheme and an identity-based encryption scheme. The first one yields signatures that are the most compact currently obtained in lattice-based cryptography, and the second one allows encryption and decryption that are about one thousand times faster than those obtained with a pairing-based counterpart on elliptic curves.

Contrairement aux protocoles cryptographiques fondés sur la théorie des nombres, les systèmes de chiffrement basés sur les codes correcteurs d’erreurs semblent résister à l’émergence des ordinateurs quantiques. Un autre avantage de ces systèmes est que le chiffrement et le déchiffrement sont très rapides, environ cinq fois plus rapide pour le chiffrement, et 10 à 100 fois plus rapide pour le déchiffrement par rapport à RSA. De nos jours, l’intérêt de la communauté scientifique pour la cryptographie basée sur les codes est fortement motivé par la dernière annonce de la “National Institute of Standards and Technology" (NIST), qui a récemment initié le projet intitulé “Post-Quantum cryptography Project". Ce projet vise à définir de nouveaux standards pour les cryptosystèmes résistants aux attaques quantiques et la date limite pour la soumission des cryptosystèmes à clé publique est fixée pour novembre 2017. Une telle annonce motive certainement à proposer de nouveaux protocoles cryptographiques basés sur les codes, mais aussi à étudier profondément la sécurité des protocoles existants afin d’écarter toute surprise en matière de sécurité. Cette thèse suit cet ordre d’idée en étudiant la sécurité de plusieurs protocoles cryptographiques fondés sur la théorie des codes correcteurs d’erreurs. Nous avons commencé par l’étude de la sécurité d’une version modifiée du cryptosystème de Sidelnikov, proposée par Gueye et Mboup [GM13] et basée sur les codes de Reed-Muller. Cette modification consiste à insérer des colonnes aléatoires dans la matrice génératrice (ou de parité) secrète. La cryptanalyse repose sur le calcul de carrés du code public. La nature particulière des codes de Reed-Muller qui sont définis au moyen de polynômes multivariés binaires, permet de prédire les valeurs des dimensions des codes carrés calculés, puis permet de récupérer complètement en temps polynomial les positions secrètes des colonnes aléatoires. Notre travail montre que l’insertion de colonnes aléatoires dans le schéma de Sidelnikov n’apporte aucune amélioration en matière de sécurité. Le résultat suivant est une cryptanalyse améliorée de plusieurs variantes du cryptosystème GPT qui est un schéma de chiffrement en métrique rang utilisant les codes de Gabidulin. Nous montrons qu’en utilisant le Frobenius de façon appropriée sur le code public, il est possible d’en extraire un code de Gabidulin ayant la même dimension que le code de Gabidulin secret mais avec une longueur inférieure. Le code obtenu corrige ainsi moins d’erreurs que le code secret, mais sa capacité de correction d’erreurs dépasse le nombre d’erreurs ajoutées par l’expéditeur et par conséquent, un attaquant est capable de déchiffrer tout texte chiffré, à l’aide de ce code de Gabidulin dégradé. Nos résultats montrent qu’en fin de compte, toutes les techniques existantes visant à cacher la structure algébrique des codes de Gabidulin ont échoué. Enfin, nous avons étudié la sécurité du système de chiffrement de Faure-Loidreau [FL05] qui est également basé sur les codes de Gabidulin. Inspiré par les travaux précédents et, bien que la structure de ce schéma diffère considérablement du cadre classique du cryptosystème GPT, nous avons pu montrer que ce schéma est également vulnérable à une attaque polynomiale qui récupère la clé privée en appliquant l’attaque d’Overbeck sur un code public approprié. Comme exemple, nous arrivons en quelques secondes à casser les paramètres qui ont été proposés comme ayant un niveau de sécurité de 80 bits. / Contrary to the cryptosystems based on number theory, the security of cryptosystems based on error correcting codes appears to be resistant to the emergence of quantum computers. Another advantage of these systems is that the encryption and decryption are very fast, about five times faster for encryption, and 10 to 100 times faster for decryption compared to RSA cryptosystem. Nowadays, the interest of scientific community in code-based cryptography is highly motivated by the latest announcement of the National Institute of Standards and Technology (NIST). They initiated the Post-Quantum cryptography Project which aims to define new standards for quantum resistant cryptography and fixed the deadline for public key cryptographic algorithm submissions for November 2017. This announcement motivates to study the security of existing schemes in order to find out whether they are secure. This thesis thus presents several attacks which dismantle several code-based encryption schemes. We started by a cryptanalysis of a modified version of the Sidelnikov cryptosystem proposed by Gueye and Mboup [GM13] which is based on Reed-Muller codes. This modified scheme consists in inserting random columns in the secret generating matrix or parity check matrix. The cryptanalysis relies on the computation of the square of the public code. The particular nature of Reed-Muller which are defined by means of multivariate binary polynomials, permits to predict the values of the dimensions of the square codes and then to fully recover in polynomial time the secret positions of the random columns. Our work shows that the insertion of random columns in the Sidelnikov scheme does not bring any security improvement. The second result is an improved cryptanalysis of several variants of the GPT cryptosystem which is a rank-metric scheme based on Gabidulin codes. We prove that any variant of the GPT cryptosystem which uses a right column scrambler over the extension field as advocated by the works of Gabidulin et al. [Gab08, GRH09, RGH11] with the goal to resist Overbeck’s structural attack [Ove08], are actually still vulnerable to that attack. We show that by applying the Frobeniusoperator appropriately on the public key, it is possible to build a Gabidulin code having the same dimension as the original secret Gabidulin code, but with a lower length. In particular, the code obtained by this way corrects less errors than thesecret one but its error correction capabilities are beyond the number of errors added by a sender, and consequently an attacker is able to decrypt any ciphertext with this degraded Gabidulin code. We also considered the case where an isometrictransformation is applied in conjunction with a right column scrambler which has its entries in the extension field. We proved that this protection is useless both in terms of performance and security. Consequently, our results show that all the existingtechniques aiming to hide the inherent algebraic structure of Gabidulin codes have failed. To finish, we studied the security of the Faure-Loidreau encryption scheme [FL05] which is also a rank-metric scheme based on Gabidulin codes. Inspired by our precedent work and, although the structure of the scheme differs considerably from the classical setting of the GPT cryptosystem, we show that for a range of parameters, this scheme is also vulnerable to a polynomial-time attack that recovers the private key by applying Overbeck’s attack on an appropriate public code. As an example we break in a few seconds parameters with 80-bit security claim.

Le premier protocole cryptographique basé sur les codes correcteurs d'erreurs a été proposé en 1978 par Robert McEliece. La cryptographie basée sur les codes est dite post-quantique car il n'existe pas à l'heure actuelle d'algorithme capable d'attaquer ce type de protocoles en temps polynomial, même en utilisant un ordinateur quantique, contrairement aux protocoles basés sur des problèmes de théorie des nombres. Toutefois, la sécurité du cryptosystème de McEliece ne repose pas uniquement sur des problèmes mathématiques. L'implantation, logicielle ou matérielle, a également un rôle très important pour sa sécurité et l'étude de celle-ci face aux attaques par canaux auxiliaires/cachés n'a débuté qu'en 2008. Des améliorations sont encore possibles. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles attaques sur le déchiffrement du cryptosystème de McEliece, utilisé avec les codes de Goppa classiques, ainsi que des contre-mesures correspondantes. Les attaques proposées sont des analyses de temps d'exécution ou de consommation d'énergie. Les contre-mesures associées reposent sur des propriétés mathématiques et algorithmiques. Nous montrons qu'il est essentiel de sécuriser l'algorithme de déchiffrement en le considérant dans son ensemble et non pas seulement étape par étape / The first cryptographic protocol based on error-correcting codes was proposed in 1978 by Robert McEliece. Cryptography based on codes is called post-quantum because until now, no algorithm able to attack this kind of protocols in polynomial time, even using a quantum computer, has been proposed. This is in contrast with protocols based on number theory problems like factorization of large numbers, for which efficient Shor's algorithm can be used on quantum computers. Nevertheless, the McEliece cryptosystem security is based not only on mathematical problems. Implementation (in software or hardware) is also very important for its security. Study of side-channel attacks against the McEliece cryptosystem have begun in 2008. Improvements can still be done. In this thesis, we propose new attacks against decryption in the McEliece cryptosystem, used with classical Goppa codes, including corresponding countermeasures. Proposed attacks are based on evaluation of execution time of the algorithm or its power consumption analysis. Associate countermeasures are based on mathematical and algorithmic properties of the underlying algorithm. We show that it is necessary to secure the decryption algorithm by considering it as a whole and not only step by step