Une fonction de hachage est une fonction prenant comme argument un élément de taille arbitraire finie et renvoyant un élément de longueur fixée. Il existe différents types de fonctions de hachage qui correspondent à autant de domaines d'utilisation. Parmi ces fonctions, les fonctions de hachage cryptographiques se distinguent par la variété des missions qui leur sont confiées et par l'exigence qui leur est faîte de respecter de nombreux impératifs de sécurité. Les fonctions de hachage cryptographiques les plus utilisées en pratiques appartiennent à la famille MD-SHA, dont les membres les plus connus sont les fonctions MD5 et SHA-1. Durant ces dernières années, de nouvelles techniques de crytptanalyses ont fait leur apparition. Ces techniques, bien que très complexes, se sont montrés si efficaces qu'elles ont conduit à l'abandon de l'utilisation des fonctions MD5 et SHA-1, et à l'ouverture d'une compétition internationale pour le développement d'un nouvel algorithme de hachage cryptographique. Les travaux de recherche que nous avons menés dans le cadre de cette thèse s'inscrivent à la fois dans une démarche d'analyse et de conception. Nous étudions les nouvelles avancées dans la cryptanalyse des fonctions de hachage, et plus particulièrement leurs mise en oeuvre dans le cadre des fonctions SHA-0 et SHA-1. Nous présentons à ce titre la meilleure attaque pratique connue à ce jour contre SHA-0 et proposons la première classification des vecteurs de perturbations utilisés par les attaques par collision contre la fonction SHA-1. Nous abordons ensuite la conception de nouvelle fonctions par le biais des fonction XOR-Hash et FSB.

Dans ce mémoire nous étudions le domaine des fonctions de hachage, qui sont utilisées par de nombreux mécanismes cryptographiques. Les travaux présentés ici abordent à la fois la conception et l'analyse de la sécurité de ces fonctions. La première partie de ce mémoire est une introduction générale au domaine des fonctions de hachage. Nous décrivons la manière dont elles sont utilisées en la cryptographie et la manière de formaliser leur sécurité. Nous exposons également les principes de conception sur lesquels les fonctions de hachage les plus utilisées sont fondées. Enfin, nous évoquons la situation actuelle. La cryptanalyse différentielle a donné lieu à des attaques contre les principales fonctions de hachage. Le NIST organise actuellement une compétition de conception de fonctions de hachage (la compétition SHA-3), dans le but de définir une nouvelle norme de hachage. Dans la deuxième partie nous présentons nos travaux liés à la conception d'un candidat à cette compétition : Shabal. Nous commençons par décrire cette fonction, ainsi que les différentes évaluations de sa sécurité. En nous plaçant dans le modèle de l'indifférenciabilité d'un oracle aléatoire, nous montrons la sécurité du mode utilisé par Shabal lorsque la fonction de compression est idéalisée, puis la sécurité d'un mode plus classique lorsque cette fonction est affaiblie. Enfin, dans la troisième partie, nous abordons le domaine de la cryptanalyse de fonctions de hachage. Nous présentons la meilleure attaque connue contre RadioGatun, qui a été définie avant la compétition SHA-3 ainsi qu'une attaque contre Hamsi-256, une fonction sélectionnée pour le deuxième tour de la compétition SHA-3.

Cette thèse a pour objet d'étude les algorithmes de chiffrement par blocet les fonctions de hachage cryptograpiques, qui sont deux primitives essentielles de la cryptographie dite «symétrique».Dans une première partie, nous étudions des éléments utiles pour la conception de chiffres par bloc: tout d'abord des matrices de diffusion de grande dimension issues de codes correcteurs géométriques, puis une boîte de substitution offrant une bonne diffusion. Dans le second cas, nous montrons aussi comment utiliser cet élément pour construire un chiffre compact et efficace sur petits processeurs.Dans une seconde partie, nous nous intéressons à des attaques en collision à initialisation libre sur la fonction de hachage SHA-1. Nous montrons comment les attaques classiques sur cette fonction peuvent être rendues plus efficaces en exploitant la liberté supplémentaire offerte par ce modèle. Ceci nous permet en particulier de calculer explicitement des collisions pour la fonction de compression de SHA-1 non réduite. / This thesis is about block ciphers and cryptographic hash functions, which are two essential primitives of symmetric-key cryptography. In the first part of this manuscript, we study useful building blocks for block cipher design. We first consider large diffusion matrices builtfrom algebraic-geometry codes, and then construct a small S-box with good diffusion. In the second case, we show how the S-box can be used to define a compact and efficient block cipher targetting small processors. In the second part, we focus on the SHA-1 hash function, for which we develop a free start collision attack. We show how classical collision attacks can be made more efficient by exploiting the additional freedom provided by the model. This allows us in particular to compute explicit collisions for the full compression function of SHA-1.

Depuis plusieurs années, les composants dédiés à la sécurité comme les cartes à puce sont soumises à des attaques dites par canaux cachés. Ces attaques permettent d'exhiber les secrets en analysant des caractéristiques physiques comme la consommation du composant ou encore son temps d'exécution. Dans le cadre de cette thèse, deux contremesures ont été réalisées et appliquées à l'AES (algorithme de chiffrement symétrique). De plus, afin d'aider les développements futurs des contremesures et la validation de celles-ci, un simulateur a été développé. Il permet de réaliser des attaques grâce à un modèle de consommation défini dans les phases amont de développement. Enfin, j'ai pu participer aux groupes de travail qui ont proposé Shabal à la compétition SHA-3, qui vise à définir un nouveau standard pour les fonctions de hachage. Des implantations matérielles ont été réalisées par la suite. / For several years, the security components such as smart cards are subject to side channel attacks. These attacks allow to exhibit secrets by analyzing the physical characteristics such as power consumption or execution time. As part of this thesis, two countermeasures were carried out and applied to the AES (symmetric cipher). In addition, to help future development of countermeasures and their validation, a simulator was developed. It realizes attacks using a power consumption model defined in the early phases of development. Finally, I participated in working groups that have proposed Shabal to SHA-3 competition, which aims to define a new standard for hash functions. Hardware implementations have been made thereafter.

En 2008, l'Institut National des Standards et de la Technologie américain (NIST) a initié une compétition publique, nommée SHA-3, afin de sélectionner une nouvelle norme pour les fonctions de hachage. Nous étudions ici des propriétés algébriques de certaines des fonctions candidates à ce concours. Parmi les fonctions étudiées se trouve l'algorithme Keccak, qui est depuis peu la fonction qui a remporté la compétition et qui est devenue le nouveau standard SHA-3. Dans un premier temps nous avons étudié et analysé un nouveau type de distingueur introduit en 2009 et appelé distingueur par partition en sommes nulles. Nous l'avons appliqué sur plusieurs candidats du concours SHA-3. Nous nous sommes ensuite intéressés au degré algébrique des permutations itérées. Nous avons établi une première borne qui exploite la structure des fonctions non-linéaires usuellement employées dans les constructions de type SPN. Après, nous avons étudié le rôle de la permutation inverse dans les constructions itérées et nous avons prouvé une deuxième borne, plus générale, sur le degré. Nous présentons également une étude sur une nouvelle notion concernant les boîtes-S, qui exprime le fait que certaines composantes d'une boîte-S peuvent s'exprimer comme des fonctions affines sur un sous-espace bien choisi et sur tous ses translatés. L'analyse de ce type de propriétés a mené à l'amélioration d'une cryptanalyse de la fonction de hachage Hamsi. Enfin, nous avons étudié la résistance contre les attaques par canaux cachés de deux candidats au concours SHA-3 et nous avons proposé des contre-mesures au niveau logiciel.

De nombreux systèmes distribués sont confrontés au problème du déséquilibre de charge entre machines. Avec l'émergence du Big Data, de larges volumes de données aux valeurs souvent biaisées sont produits par des sources hétérogènes pour être souvent traités en temps réel. Il faut donc être capable de s'adapter aux variations de volume/contenu/provenance de ces données. Nous nous intéressons ici aux données RDF, un format du Web Sémantique. Nous proposons une nouvelle approche pour améliorer la répartition des données, basée sur l'utilisation de plusieurs fonctions de hachage préservant l'ordre naturel des données dans le réseau. Cela permet à chaque pair de pouvoir indépendamment modifier la fonction de hachage qu'il applique sur les données afin de réduire l'intervalle de valeurs dont il est responsable. Plus généralement, pour résoudre le problème du déséquilibre de charge, il existe presque autant de stratégies qu'il y a de systèmes différents. Nous montrons que de nombreux dispositifs d'équilibrage de charge sont constitués des mêmes éléments de base, et que seules la mise en œuvre et l'interconnexion de ces éléments varient. Partant de ce constat, nous décrivons les concepts derrière la construction d'une API générique pour appliquer une stratégie d'équilibrage de charge qui est indépendante du reste du code. Mise en place sur notre système, l'API a un impact minimal sur le code métier et permet de changer une partie d'une stratégie sans modifier d'autres composants. Nous montrons aussi que la variation de certains paramètres peut influer sur les résultats obtenus. / Many distributed systems face the problem of load imbalance between machines. With the advent of Big Data, large datasets whose values are often highly skewed are produced by heterogeneous sources to be often processed in real time. Thus, it is necessary to be able to adapt to the variations of size/content/source of the incoming data. In this thesis, we focus on RDF data, a format of the Semantic Web. We propose a novel approach to improve data distribution, based on the use of several order-preserving hash functions. This allows an overloaded peer to independently modify its hash function in order to reduce the interval of values it is responsible for. More generally, to address the load imbalance issue, there exist almost as many load balancing strategies as there are different systems. We show that many load balancing schemes are comprised of the same basic elements, and only the implementation and interconnection of these elements vary. Based on this observation, we describe the concepts behind the building of a common API to implement any load balancing strategy independently from the rest of the code. Implemented on our distributed storage system, the API has a minimal impact on the business code and allows the developer to change only a part of a strategy without modifying the other components. We also show how modifying some parameters can lead to significant improvements in terms of results.

Les itérations chaotiques, un outil issu des mathématiques discrètes, sont pour la première fois étudiées pour obtenir de la divergence et du désordre. Après avoir utilisé les mathématiques discrètes pour en déduire des situations de non convergence, ces itérations sont modélisées sous la forme d'un système dynamique et sont étudiées topologiquement dans le cadre de la théorie mathématique du chaos. Nous prouvons que leur adjectif " chaotique " a été bien choisi: ces itérations sont du chaos aux sens de Devaney, Li-Yorke, l'expansivité, l'entropie topologique et l'exposant de Lyapunov, etc. Ces propriétés ayant été établies pour une topologie autre que la topologie de l'ordre, les conséquences de ce choix sont discutées. Nous montrons alors que ces itérations chaotiques peuvent être portées telles quelles sur ordinateur, sans perte de propriétés, et qu'il est possible de contourner le problème de la finitude des ordinateurs pour obtenir des programmes aux comportements prouvés chaotiques selon Devaney, etc. Cette manière de faire est respectée pour générer un algorithme de tatouage numérique et une fonction de hachage chaotiques au sens le plus fort qui soit. A chaque fois, l'intérêt d'être dans le cadre de la théorie mathématique du chaos est justifié, les propriétés à respecter sont choisies suivant les objectifs visés, et l'objet ainsi construit est évalué. Une notion de sécurité pour la stéganographie est introduite, pour combler l'absence d'outil permettant d'estimer la résistance d'un schéma de dissimulation d'information face à certaines catégories d'attaques. Enfin, deux solutions au problème de l'agrégation sécurisée des données dans les réseaux de capteurs sans fil sont proposées.