De tout temps, l'Homme s'est vu contraint de protéger les fruits de sa créativité et les domaines concernant sa sécurité. Ses informations sont souvent sensibles, dans les relations politiques et commerciales notamment. Aussi, la nécessité de les protéger en les rendant opaques au regard d'adversaires ou de concurrents est vite survenue. Depuis l'Antiquité, les procédés de masquages et enfin de cryptages furent nombreux. Les techniques de protection, depuis l'époque industrielle n'ont fait que croître pour voir apparaître, durant la seconde guerre mondiale, l'archétype des machines électromécaniques (telle l'Enigma), aux performances réputées inviolables. De nos jours, les nouveaux circuits de protection embarquent des procédés aux algorithmes hyper performants. Malgré toutes ces protections, les produits restent la cible privilégiée des " pirates " qui cherchent à casser par tous les moyens les structures de sécurisation, en vue d'utilisations frauduleuses. Ces " hackers " disposent d'une multitude de techniques d'attaques, l'une d'elles utilise un procédé par injections de fautes à l'aide d'un faisceau laser. Dès le début de ce manuscrit (Chapitre I), l'état de l'art de l'injection de fautes sera développé, en se focalisant sur celles faite à l'aide d'un faisceau laser. Ceci aidera à bien appréhender ces procédés intrusifs et ainsi protéger au mieux les microcontrôleurs sécurisés contre ces types d'attaques. Il est nécessaire de bien comprendre les phénomènes physiques mis en jeu lors de l'interaction entre une onde de lumière cohérente, tels les lasers et le matériau physico-chimique qu'est le silicium. De la compréhension de ces phénomènes, une modélisation électrique des portes CMOS sous illumination laser a été mise en oeuvre pour prévoir leurs comportements (chapitre II). De bonnes corrélations ont pu être obtenues entre mesures et simulations électrique. Ces résultats peuvent permettre de tester la sensibilité au laser de portes CMOS au travers de cartographies de simulation. De cette meilleure compréhension des phénomènes et de ce simulateur mis en place, de nombreuses contre-mesures ont été imaginées. Les nouvelles techniques développées, présentées dans ce manuscrit, donnent déjà des pistes pour accroître la robustesse des circuits CMOS contre des attaques laser. D'ores et déjà, ce travail a permis la mise en oeuvre de détecteurs lasers embarqués sur les puces récentes, renforçant ainsi sensiblement la sécurité des produits contre une attaque de type laser.

Dans les modules de puissance à connexion filaire de type wire-bonding (WB), les forts courants commutés (jusqu’à 200A pour une puce de 10x10mm²) imposent de faibles résistances et inductances d’interconnexion pour réduire la chute de tension et les surtensions. Pour cette raison, les concepteurs multiplient les fils de bonding de grand diamètre (jusqu’à 500μm) en parallèle. De plus, quand la surface de puce le permet, les WB sont soudés à au moins deux endroits différents pour améliorer la distribution du courant. A la différence d’un assemblage standard de type WB, dans un module de puissance de type Direct-Lead-Bonding (DLB), la puce et la diode sont généralement brasées d’un côté, via la technique du flip-chip, sur le dissipateur intégré. L’autre face est brasée ou frittée directement sur une broche (ou clip) interne large pour former la maille électrique grâce à une brasure à base d'étain, d’argent et de cuivre (SAC ou Sn-Ag-Cu), très épaisse pour éviter le claquage broche-terminaison de puce. Par conséquent, le DLB peut offrir une surface de contact plus performante sur les plans électrique et thermique que le WB, réduisant ainsi la résistance de contact d’environ 50% selon la bibliographie (d’un facteur dix selon nos simulations électromagnétiques), améliorant la distribution du courant dans les puces et homogénéisant la température au sein du composant. De plus, l’inductance parasite interne peut être atténuée de 57% comparé au WB selon la littérature. Si l’on aborde la dimension sécuritaire, la tenue en surintensité ou I²T d’un module de puissance WB rempli de gel de silicone est faible et procure un effet fusible naturel bien qu’imparfait (mode de défaut circuit-ouvert). Les fils de bonding subissent un phénomène de soulèvement même si leur design n’a pas été pensé dans ce sens. En remplaçant le gel par de la résine époxy, ce comportement se dégrade pour donner un mode de défaut intermédiaire dû à la limitation en température de la résine. A l’inverse, le DLB devrait montrer un très fort I²T et donc, un mode de défaut se rapprochant du court-circuit. Ces travaux proposent une approche innovante sur le thème du design des topologies de conversion sécurisées à tolérance de panne : pourquoi ne pas construire une topologie autour du mode de défaillance intrinsèque d’un module de puissance, au lieu de mettre en place des moyens classiques pour le contrecarrer, i.e. essayer d'isoler systématiquement le défaut avec des fusibles ? Le module de puissance DLB était le candidat idéal pour mettre à l’œuvre notre philosophie. Dans un premier temps, nous avons cherché à comparer les modes de défaillance des deux technologies, WB et DLB, grâce à des essais destructifs d’énergies maîtrisés. Les résistances de défaut, énergies critiques et I²T ont été mesurées sur un banc dédié, de même que des analyses d'endommagements des zones de défaillance ont été réalisées au sein du CNES-THALES Lab de Toulouse par une méthode non intrusive de type Lock-In-Thermography (LIT). Il a été montré que la technologie DLB pouvait présenter une résistance de défaut dix fois plus faible que celle de la technologie WB à même surface de puce et à même énergie de destruction. La présence du clip permet aussi de réduire le gradient thermique dans la région du défaut et de moins contraindre thermiquement l'encapsulant par rapport à la technologie WB. La forte épaisseur du joint de brasure broche – puce garantit aussi une meilleure métallisation par refusion de la zone de perçage et ainsi une résistance de défaut plus faible. Dans un second temps, les modules détruits WB et DLB ont subi des essais d’endurance sur 5 semaines, afin d’éprouver la robustesse et la stabilité de leur résistance de défaut à faible et fort courants. Les résultats montrent clairement la supériorité de la technologie DLB. Par la suite, une campagne de caractérisation thermique (Rth/Zth) des deux technologies WB et DLB a été réalisée sur la base d'un banc développé à cet effet. / In wire-bonding (WB) power-modules, high current commutated by fast power chips (up to 200A on a 10x10mm² chip) implies low resistance and low stray inductance interconnections in order to reduce voltage drop and overvoltage. For this purpose, designers use numerous large-diameter bonding wires (up to 500μm) in parallel. Whenever the die surface is large enough (like IGBTs), bonding wires are soldered at least in two different spots to improve current distribution. Compared to conventional WB structure, inside Direct-Lead-Bonding (DLB) power-modules, chip and diode are generally soldered on one side, using flip-chip method, to the heat spreader. The other side is directly soldered or sintered to the large inner lead (or clip) to form the electrical loop with a thick standard SAC soldering (Sn-Ag-Cu) in order to avoid electrical breakdown between chip and clip. Therefore, DLB would provide a wider bonding area than WB design, reducing the emitter contact resistance by almost 50% in the literature (by a factor of 10 according to our simulation results), improving current uniformity in the chips and thus resulting in a uniform surface temperature distribution inside the device. Besides, DLB internal inductance could be reduced to 57% of wire-bonded modules according to literature. Considering safety aspects, the overcurrent capability of a gel-filled wire-bonding power module is low and provides a natural but imperfect wire-fuse-effect (as an open-failure mode). Lift-offs happen even if WB design is not optimized for it. Replacing the gel with an epoxy resin, this behaviour gets worse and an intermediate failure-mode is reached due to the epoxy temperature limitation. On the opposite, DLB should have a very high overcurrent capability characteristic and thus short-failure mode behaviour. This work offers a quite new approach in the field of fault-tolerant structure design: what if we use the faulty power module in a new way, instead of getting rid of it using classic methods to disconnect it, i.e. systematically isolating the power device using fuses? The DLB power module was the perfect candidate to experience our philosophy. In the first place, a comparison of both technologies has been performed through post-fault-behaviour characterisation using controlled energy failure tests. Post-fault resistances, critical energies and overcurrent capability have been measured on a dedicated test-bench, along with defect localization and analysis through micro-section thanks to the CNES-THALES Lab in Toulouse, using non-intrusive Lock-In Thermography (LIT) method. Failed DLB power-modules have showed post-fault resistances 10 times lower than wire-bonded power-modules with the same die size and the same destruction energy. The clip also reduces temperature gradient around the defect location and thus, releases the resin’s thermal constraints compared to WB technology. The very thick solder joint between clip and chip ensures a better metallic reforming and therefore a less resistive post-fault resistance. In the second place, faulty power modules under low and high destruction energy, both WB and DLB, have been tested during 5 weeks for durability and robustness. Results clearly show DLB supremacy. Then, a long campaign of thermal characterization of both designs (Rth/Zth) has been carried out thanks to another dedicated bench. We have proposed a new heating technique setting the die in its linear mode, which avoids using a high current power supply. We have modelled both designs using COMSOL Multiphysics in order for them to be simulated and compared in terms of thermal resistance and impedance, electrical resistance and inductance. The DLB thermal diffuser effect has been analysed. Thermal resistances are very similar (~0,13°C/W) meanwhile, surprisingly, WB is better than DLB in terms of thermal impedance with a maximum difference of 20% at 0.1s.

La biométrie suscite de plus en plus d’intérêt de la part des industriels car nous avons besoin de nouvelles méthodes d’authentification d’un individu : pour du contrôle d’accès physique, du contrôle aux frontières ou pour du paiement. Ces données non révocables et sensibles sont très souvent stockées sur des systèmes embarqués de type élément sécurisé (SE), comme par exemple une carte à puce. Ces SE embarquent aussi un module de comparaison nommé On-Card-Comparison (OCC), permettant de déterminer si le template présenté correspond bien à celui stocké sur l’élément sécurisé. Dans cette thèse, nous nous intéressons particulièrement aux empreintes digitales car c’est une modalité biométrique bien perçue par les usagers. Nous proposons dans cette thèse différentes contributions permettant d’évaluer des systèmes biométriques embarqués. La première est une plateforme d’évaluation de systèmes biométriques nommée EVABIO. La seconde contribution, permet d’évaluer l’incidence sur les performances lors de la réduction de templates biométriques lorsqu’ils doivent être stockés sur un SE. Nous proposons des méthodes permettant de réduire la taille du template biométrique tout en gardant un taux de reconnaissance élevé, garantissant ainsi un bon niveau de performance du système biométrique complet. La dernière contribution étudie les attaques d’un système biométrique embarqué sur SE. Nous regardons quels a priori sont importants pour un imposteur : nous avons montré que le type de l’empreinte digitale est une information importante pour un attaquant. Nous avons également proposé une contre-mesure pour les systèmes embarqués. / Biometrics is sparking the interest of manufacturers and industrial compagniesbecause we are in need of new methods of authenticating individuals: for physicalaccess control, border control or for payments. Non-revocable and sensitive data isvery often stored on embedded systems of the secure element type (SE), such as asmart card. SEs include a comparison module called On-Card-Comparison (OCC),which determines whether the template presented corresponds to the template storedwithin it. In this thesis, we are particularly interested in fingerprints because it is abiometric modality that is very well perceived by the population.We propose in this thesis different contributions to evaluate embedded biometricsystems. The first is a biometric evaluation platform called EVABIO. The secondcontribution evaluates the impact on performance when reducing biometric templatesthat are to be stored on an SE. We propose methods to reduce the size of biometrictemplates while maintaining a high recognition rate thus, guaranteeing a good level ofperformance of the global biometric system. The last contribution studies attacks ona biometric system that is embedded on a SE. We look at what a priori are importantfor an impostor: we have shown that the type of fingerprint is an important a prioriand the reason why we have also proposed a countermeasure for embedded systems.

Le défi de la transition vers une énergie sans carbone passe, aujourd’hui, par un recours systématique à l’énergie électrique avec au centre des échanges l’électronique de puissance. Pour être à la hauteur des enjeux, l'électronique de puissance nécessite des composants de plusen plus performants pour permettre un haut niveau d'intégration, une haute efficacité énergétique et un haut niveau de fiabilité. Aujourd’hui, le transistor de puissance, du type MOSFET, en carbure de silicium (SiC) est une technologie de rupture permettant de répondre aux enjeux d’intégration et d’efficacité par un faible niveau de perte et une vitesse de commutation élevée. Cependant, leur fiabilité non maitrisée et leur faible robustesse aux régimes extrêmes du type court-circuit répétitifs freinent aujourd’hui leur pénétration dans les applications industrielles. Dans cette thèse, une étude poussée du comportement en court-circuit d'un ensemble exhaustif de composants commerciaux, décrivant toutes les variantes structurelles et technologiques en jeu, a été menée sur un banc de test spécifique développé durant la thèse, afin de quantifier leur tenue au courtcircuit. Cette étude a mis en lumière des propriétés à la fois génériques et singulières aux semiconducteurs en SiC déclinés en version MOSFET tel qu’un courant de fuite dynamique de grille et un mode de défaillance par un court-circuit grille-source amenant, dans certaines conditions d'usage et pour certaines structures de MOSFET, à un auto-blocage drain-source. Une recherchesystématique de la compréhension physique des phénomènes observés a été menée par une approche mêlant analyse technologique interne des composants défaillants et modélisation électrothermique fine. Une modélisation électrothermique compacte étendue à la prise en compte des modes de défaillance a été établie et implémentée dans un logiciel de type circuit. Ce modèle a été confronté à de très nombreux résultats expérimentaux sur toutes les séquences temporelles décrivant un cycle de court-circuit jusqu'à la défaillance. Ce modèle offre un support d'analyse intéressant et aussi une aide à la conception des circuits de protection. Ainsi, à titre d'application, un driver doté d'une partie de traitement numérique a été conçu et validé en mode de détection de plusieurs scénarii de court-circuit mais aussi potentiellement pour la détection de la dégradation de la grille du composant de puissance. D’autres travaux plus exploratoires ont aussi été menés en partenariat avec l’Université de Nottingham afin d’étudier l'impact de régimes de court-circuit impulsionnels répétés sur le vieillissement de puces en parallèle présentant des dispersions. La propagation d'un premier mode de défaillance issu d'un composant "faible" a aussi été étudiée. Ce travail ouvre la voie à la conception de convertisseurs intrinsèquement sûrs et disponibles en tirant parti des propriétés atypiques et originales des semi-conducteurs en SiC et du MOSFET en particulier / Nowaday, the challenge of the transition to carbon-free energy involves a systematic use of electrical energy with power electronics at the heart of the exchanges. To meet the challenges, power electronics requires increasingly high-performance devices to provide a high level of integration, high efficiency and a high level of reliability. Today, the power transistor, of the MOSFET type, made of silicon carbide (SiC) is a breakthrough technology that allows us to meet the challenges of integration and efficiency through their low level of loss and high switching speed. However, their limited reliability and low robustness at extreme operating conditions such as repetitive short-circuits are now hindering their expansion in industrial applications. In this thesis, an in-depth study of the short-circuit behaviour of an exhaustive set of commercial devices, describing all the structural and technological variants involved, was carried out on a specific test bench developed during the thesis, in order to quantify their short-circuit resistance. This study highlighted both generic and singular properties of SiC semiconductors for every Mosfet version such as a dynamic gate leakage current and a failure mode by a short-circuit grid-source leading, under certain conditions of use and for certain Mosfet structures, to a self-blocking drain-source. A systematic research of the physical understanding of the observed mechanisms was carried out by an approach combining an internal technological analysis of the failed devices and a fine electrothermal modelling. A compact electrothermal modeling extended to failure mode consideration has been established and implemented in circuit software. This model was confronted with numerous experimental results describing a short-circuit cycle up to failure. This model offers an interesting analytical support and also helps the design of protection circuits. Thus, as an application, a driver equipped with a digital processing part has been designed and validated in detection mode for several short-circuit scenarios but also potentially for the detection of the degradation of the power component grid. Other more exploratory work has also been carried out in partnership with the University of Nottingham to study the impact of repeated pulse short-circuit regimes on the aging of parallel chips with dispersions. The propagation of a first failure mode from a "weak" device was also studied. This work paves the way for the design of intrinsically safe and available converters by taking advantage of the atypical and original properties of SiC semiconductors and Mosfet in particular

A l'origine conçus pour protéger le protocole de Découverte de Voisins (Neighbor Discovery Protocol, NDP) en IPv6, les adresses générées de manière cryptographique (Cryptographically Generated Addresses, CGA) et le protocole SEND (Secure Neighbor Discovery) doivent maintenant s'adapter au contexte de mobilité et à ses nouvelles fonctionnalités. Cette mobilité revêt de nombreuses formes : mobilité du noeud (Mobile IPv6, MIPv6), mobilité des routeurs (Network Mobility, NEMO) ou encore mobilité gérée par le réseau (Proxy Mobile IPv6). De nombreux changements doivent être opérés dans le protocole SEND : les opérations cryptographiques doivent être allégées pour les terminaux à faible capacité de calcul, les incompatibilités entre le partage d'adresse dans les protocoles de mobilité et le mécanisme de protection d'adresses de SEND doivent être corrigés, etc. Dans une première partie de cette thèse, nous présentons le protocole de Découverte de Voisins, les adresses CGA et le protocole de sécurité SEND. Nous étudions leurs limitations et, afin d'améliorer les performances, nous proposons l'utilisation de la cryptographie basée sur les courbes elliptiques (ECC). À travers une série de tests, nous mesurons l'impact de notre proposition. Par la suite, nous modifions les spécifications du protocole SEND afin de supporter de nouveaux algorithmes crytpographiques. Dans une deuxième partie, nous résolvons les incompatibilités entre le protocole SEND et les protocoles de mobilité (par ex. MIPv6) et entre le protocole SEND et les adresses anycast. Dans une dernière partie, nous présentons plusieurs contributions basées sur une utilisation dérivée des adresses CGA et du protocole SEND. / Originally designed to protect the Neighbor Discovery Protocol (NDP) (part of the IPv6 protocol suite), the Cryptographically Generated Addresses (CGA) and the Secure Neighbor Discovery (SEND) now need to be adapted to the context of Mobility and extended to new functionalities. The term "Mobility" encompasses many aspects, among them : node mobility (Mobile IPv6, MIPv6), router mobility (Network Mobility, NEMO) and network-based mobility management (Proxy Mobile IPv6, PMIPv6). Numerous changes need to be operated on the SEND protocol in order to comply with the Mobility : the cryptographic operations need to be adapted to operate on low power mobile nodes, the incompatibilities between the address sharing model of the mobile protocol and the address protections offered by SEND need to be fixed, etc. Firstly, we present the Neighbor Discovery protocol, the CGA addresses and the SEND protocol. We study their limitations, and, in order to improve their performances, we propose to replace the signature algorithm used in SEND (RSA) by the elliptic curves cryptography (ECC). We then evaluate the performances of our proposal. Subsequently, we modify the SEND protocol to include a signature algorithm selection mechanism. Secondly, we solve incompatilities between the SEND protocol and the mobility protocols (e.g. MIPv6) and between the SEND protocol and the anycast addresses. Finally, we present our contributions containing a derivate use of the CGA addresses and the SEND protocol.

Dans un monde de plus en plus connecté, la question de la confiance dans les sys-tèmes d’information qui nous entourent devient primordiale, et amène naturellement à des interrogations quant à leur sécurité. Les enjeux de cette dernière concernent autant la confidentialité des données individuelles que la protection des architectures critiques, notamment déployées dans le domaine de l’énergie et du transport. Dans cette thèse, nous abordons trois problématiques liées aux architectures de sécurité des systèmes d’information. Tout d’abord, nous proposons une architecture pour un module de rupture protocolaire, fournissant une protection face aux attaques utilisant le réseau comme vecteur. Grâce à l’isolation et le filtrage des échanges qu’il réalise, nous montrons que ce nouvel équipement est particulièrement adapté à la sécurisation des systèmes de contrôle-commandes. Nous abordons ensuite le thème de la sécurité des utilisateurs finaux ou objets connectés, par la définition d’une Infrastructure de Gestion de Clefs (IGC) centrée sur ces derniers, dénommée LocalPKI. Elle repose sur l’utilisation de certificats auto-signés, et son objectif est d’allier la simplicité des IGC pair-à-pair avec la sécurité des IGC hiérarchiques.Enfin, nous nous intéressons à l’amélioration du mécanisme des ancres de confiance pour les autorités de certification, utilisé par exemple dans PKIX et LocalPKI. A cet égard, nous commençons par définir des protocoles multi-parties permettant de calculer des produits scalaires et matriciels, préservant la confidentialité des données. Nous montrons finalement comment les appliquer dans le cadre de l’agrégation de confiance, et par conséquent à la réputation des autorités de certification / In a increasingly connected world, trust in information systems is essential. Thus, many questions about their security arise. Topics of these questions include individual data confidentiality as well as protection of Industrial Critical Systems(ICS). For instance, ICS are deployed in sectors including energy or transportation where security is of high importance. In this thesis, we address three problems related to the security architecture of information systems. We first propose an architecture for a protocol splitting device. This provides protection against networkattacks by isolating and filtering data exchanges. We show that this new security equipment is well suited for ICS. Then, we focus on end-user security. We define a user-centric Public Key Infrastructure (PKI) called LocalPKI. By using self-signed certificates, this infrastructure combines the user-friendliness of PGP-based PKI and the security of hierarchical PKI. Finally, we improve the trust anchormechanism. It is employed by Certification Authorities (CA) and especially used in PKIX or LocalPKI. In that respect, we first define multi-party protocols to securely compute dot and matrix products. Then, we explain how to apply them on trust aggregations and thus on the reputation of certification authorities.

Grâce aux progrès de miniaturisation des systèmes embarqués, les mini-drones qu'on appelle en anglais Small Unmanned Aerial Vehicle (UAVs) sont apparus et permettent de réaliser des applications civiles à moindres coûts. Pour améliorer leurs performances sur des missions complexes (par exemple, pour contourner un obstacle), il est possible de déployer une flotte de drones coopératifs afin de partager les tâches entre les drones. Ce type d'opération exige un niveau élevé de coopération entre les drones et la station de contrôle. La communication entre les drones de la flotte est donc un enjeu important dans la réalisation des opérations d'une flotte de drones. Parmi les différentes architectures de communication qui existent, le réseau ad hoc s'avère être une solution efficace et prometteuse pour l'opération d'une flotte de drones. Un réseau ad hoc de drones ou UAV Ad hoc Network (UAANET) est un système autonome constitué d'une flotte de mini-drones et d'une ou plusieurs station(s) sol. Ce réseau peut être considéré comme une sous-catégorie d'un réseau ad hoc mobile (MANET) avec des caractéristiques spécifiques (vitesse importante des nœuds, modèle de mobilité spécifique, etc.) qui peuvent engendrer des baisses de performance du protocole de routage utilisé. Par ailleurs, la nature partagée du support de transmission et l'absence d'une infrastructure fixe pour vérifier l'authenticité des nœuds et des messages posent un problème de sécurité des communications. Compte tenu du caractère critique des données de charge utile échangées (en effet, un attaquant peut capturer un drone et l'utiliser à des fins malveillantes), il est important que les messages échangés soient authentifiés et qu'ils n'ont pas été modifiés ou retardés par un attaquant. L'authentification des messages est donc un des objectifs à atteindre pour garantir la sécurité du système Unmanned Aerial System (UAS) final. Diverses solutions de sécurité ont été conçues pour les réseaux sans fil, puis ont ensuite été adaptées aux réseaux MANET. Ces solutions peuvent s'étendre à des applications pour les réseaux UAANET, c'est pourquoi nous proposons dans cette thèse une architecture de communication fiable et sécurisée pour les flottes des drones. Dans ce travail, nous avons étudié en premier lieu l'application d'un réseau ad hoc mobile pour les flottes de drones. Nous examinons en particulier le comportement des protocoles de routage ad hoc existants dans un environnement UAANET. Ces solutions sont ainsi évaluées pour permettre d'identifier le protocole adéquat pour l'échange des données. Cela nous amène dans un deuxième temps, à proposer un protocole de routage intitulé Secure UAV Ad hoc routing Protocol (SUAP) qui garantit l'authentification des messages et détecte l'attaque wormhole. Cette attaque peut être définie comme un scénario dans lequel un attaquant enregistre les paquets en un point, et les rejoue à un autre point distant. L'attaque wormhole est particulièrement dangereuse lorsqu'un protocole de routage réactif (qui utilise le nombre de sauts comme métrique d'une route) est utilisé. Pour contrer cette attaque, le protocole SUAP permet d'une part d'assurer des services de livraison de donnés (une vidéo de télésurveillance) entre un drone distant et une station sol. D'autre part, le protocole SUAP possède également des partitions de sécurisation qui se basent sur une signature et une fonction de hachage pour assurer l'authentification et l'intégrité des messages. En ce qui concerne l'attaque wormhole, une technique qui consiste à corréler le nombre de sauts et la distance relative entre deux nœuds voisins est utilisée. Ce mécanisme permet de déduire la présence ou non d'un tunnel wormhole dans le réseau. En outre, cette architecture de communication est conçue avec une méthodologie de prototypage rapide avec l'utilisation d'une méthode orientée modèle pour tenir compte du besoin de validation du système UAS final. / Advances in miniaturization of embedded systems have helped to produce small Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with highly effective capacity. In order to improve their capability in civilian complex missions (for instance, to bypass an obstruction), it is now possible to deploy UAV swarms, in which cooperative UAVs share different tasks. This type of operations needs a high level of coordination between UAVs and Ground Control Station (GCS) through a frequent exchange of information. The communication capabilities are therefore an important objective to achieve for effective UAV swarm operations. Several communication architectures can be used to allow communication between UAVs and GCS. Ad hoc network is one of them and is an effective and promising solution for multi-UAV systems. Such a network is called UAANET (UAV Ad hoc Network) and is an autonomous system made of a UAV swarm and one or several GCS (Ground Control Station). This network can also be considered as a sub category of the well-known MANET (Mobile Ad hoc network). However, it has some specific features (such as node velocity, specific mobility model) that can impact performance of routing protocols. Furthermore, the nature of the wireless medium, along with the lack of fixed infrastructure, which is necessary to verify node and message authentication, create security breaches. Specifically, given the critical characteristic of the real-time data traffic, message authentication proves to be an important step to guarantee the security of the final UAS (composed of UAV swarm). Security of routing protocols has been widely investigated in wired networks and MANETs, but as far as we are aware, there is no previous research dealing with the security features of UAANET routing protocols. Those existing solutions can be adapted to meet UAANET requirements. With that in mind, in this thesis, we propose a secure and reliable communication architecture for a UAV swarm. In this work, the creation of UAANET has first been concieved. In order to do this, we studied the impact of existing MANET routing protocols into UAANET to assess their performance and to select the best performer as the core of our proposed secure routing protocol. Accordingly, we evaluated those existing routing protocols based on a realistic mobility model and realistic UAANET environment. Based on this first study, we created a secure routing protocol for UAANET called SUAP (Secure UAV Ad hoc routing Protocol). On the one hand, SUAP ensures routing services by finding routing paths between nodes to exchange real time traffic (remote monitoring video traffic). On the other hand, SUAP ensures message authentication and provides detection to avoid wormhole attack. The SUAP routing protocol is a reactive routing protocol using public key cryptography and hash chains. In order to detect wormhole attack, a geographical leash-based algorithm is used to estimate the correlation between the packet traveled distance and the hop count value. We also contribute to the certification of the secure communication system software through a Model-Driven Development (MDD) approach. This certification is needed to validate the operation of the UAV swarm, especially in cases where it is used to exchange control and command traffic. We used Simulink and Stateflow tools and formal verification tools of Matlab Software to design SUAP routing protocol. The evaluation of the effectiveness of SUAP has been executed both through emulation and real experiment studies. Our results show that SUAP ensures authentication and integrity security services and protects against a wormhole attack. It also provides an acceptable quality of service for real-time data exchanges.

Une large quantité de données personnelles sont partagées en temps réel par des utilisateurs en ligne, utilisant de plus en plus des terminaux mobiles avec connexion sans-fil. L'industrie s'efforce d'accumuler et d'analyser ces données pour fournir de nouveaux services ou des améliorations. La recherche fournit un effort équivalent pour permettre de traiter ces données de façon sécurisée et protectrice de la vie privée. Les problèmes de performance des communications temps réels sur terminaux mobiles sur un canal sans-fil sont aussi étudiés. Les codes à effacement sont un moyen courant d'améliorer ces performances. Le secret sharing est un mécanisme permettant de partager des données privées, ne les révélant qu'à un groupe d'utilisateur choisi. Dans cette thèse, nous lions théoriquement les secret sharing schemes et les codes à effacement, pour fournir une source plus riche de solutions aux deux problèmes. Notre objectif est de fournir des solutions ayant le niveau de sécurité souhaité, tout en restant efficace et implémentable. Les contributions de cette thèse sont les suivantes. Nous évaluons l'applicabilité d'une nouvelle classe de codes à effacements à Maximum Distance Séparable (MDS) pour transférer du contenu temps réel à des terminaux mobiles, et nous démontrons que le code systématique réduit grandement la complexité d'exécution et la taille nécessaire des tampons en comparaison du code non systématique, faisant de lui un bon candidat pour une application mobile. Nous proposons un nouveau Layered secret sharing scheme pour le partage en temps réel de données sur des réseaux sociaux (OSNs pour Online Social Network). Le procédé permet de partager automatiquement un profile dans un groupe défini dans un OSN, en utilisant un multi-secret sharing scheme formé de multiples couches. Le procédé ne dépend nullement d'un tiers de confiance. Comparé à un partage simple de chaque attributs (pouvant être un texte, une image ou une vidéo), le procédé ne divulgue aucune information à propos de ce qui est partagé, pas même le nombre de ceux-ci, et il induit une augmentation relativement faible du temps de calcul et des données à envoyer. Finalement, nous étudions les liens entre les codes MDS et les secret sharing schemes, ayant pour motivation l'inefficacité du très populaire Shamir secret sharing scheme. Nous établissons les liens théoriques entre les deux domaines et nous proposons une nouvelle construction de strong ramp schemes à partir de codes MDS. Ceci permet d'utiliser les codes MDS existants et efficaces pour des applications de partage de secret et de calculs distribués et sécurisés. Nous évaluons et montrons une réduction significative de temps de calcul et du coût de communication en utilisant un strong ramp scheme, en comparaison avec le procédé de Shamir. / Data from both individuals and companies is increasingly aggregated and analysed to provide new and improved services. There is a corresponding research effort to enable processing of such data in a secure and privacy preserving way, in line with the increasing public concerns and more stringent regulatory requirements for the protection of such data. Secure Multi-Party Computation (MPC) and secret sharing are mechanisms that can enable both secure distribution and computations on private data. In this thesis, we address the inefficiencies of these mechanisms by utilising results from a theoretically related rich area, erasure codes. We derive links between erasure codes and secret sharing, and use Maximum Distance Separable (MDS) codes as a basis to provide real-time applications relying on private user's data, revealing this data only to the selected group (which can be empty). The thesis has three contributions. A new class of erasure code called on-the-fly coding, have been introduced for their improvements in terms of recovery delay and achievable capacity. However little is known about the complexity of the systematic and non-systematic variants of this code, notably for live multicast transmission of multimedia content which is their ideal use case. The evaluation of both variants demonstrate that the systematic code outperforms the non-systematic one in regard to both the buffer sizes and the computation complexity. Then, we propose a new Layered secret sharing scheme and its application to Online Social Network (OSN). In current OSN, access to the user's profile information is managed by the service provider based on a limited set of rules. The proposed scheme enables automated profile sharing in OSN's groups with fine grained privacy control, via a multi-secret sharing scheme comprising of layered shares, without relying on a trusted third party. We evaluate the security of the scheme and the resulting profile's level of protection in an OSN scenario. Finally, after showing that erasure codes are efficient for real-time applications and that the security offered by secret sharing schemes can be applied to real-case applications, we derive the theoretical links between MDS codes and secret sharing to enable the implementation of efficient secret sharing scheme built from MDS codes. To illustrate this efficiency, we implement two of these schemes and evaluate their benefits in regard to computation and communication costs in an MPC application.

À ce jour, les mesures de risque des cancers ou d’efficacité de leur suivi, se font à partir de recueils de données médicales spécifiques initiés par les médecins épidémiologistes. Ces recueils disposent néanmoins de certaines limites : perte d’information, biais de déclaration, absence de données pour un risque non connu, biais de mesure (par exemple pour les données de nature médico-économiques). Le partage sécurisé de données médicales entre différentes structures médicales publiques et/ou privées est à ce jour en pleine mutation technologique. Les technologies proposées doivent rendre possible un partage électronique et sécurisé de ces données de manière à les rendre disponible à tout instant dans le cadre de l’observation sanitaire à l’évaluation de prises en charge ou de politiques de santé. Pour répondre à ces besoins, l’infrastructure GINSENG se base sur des informations produites dans le cadre des soins, sans nouvelles modalités de recueil, permettant à la fois une vitesse d’accès à l’information et une exhaustivité accrue. Ce recueil se fait par ailleurs avec de meilleures garanties d’anonymat et un chaînage de l’information médicale pour chaque patient. Une autorisation de la CNIL a été octroyée à l’infrastructure informatique du projet ainsi qu’à son utilisation pour le suivi des cancers en octobre 2013. Depuis le portail web e-ginseng.com, les médecins habilités s’authentifient grâce à leur Carte de Professionnel de Santé (CPS). Chaque patient, dont les données médicales sont réparties dans les établissements de santé, est identifié avec son accord, par les attributs suivants : nom, prénom, année et mois de naissance ainsi que son code postal de résidence avant d’être assigné à un numéro d’identification unique et anonyme. La mise à jour des données médicales de chaque patient est réalisée une fois par semaine ; chaque médecin peut alors consulter toutes les informations médicales relatives à chaque patient par une simple connexion au réseau. Ces informations lui apparaissent sous forme d’une arborescence d’évènements médicaux. Par exemple, un médecin chargé du suivi des patients dans le cadre du dépistage organisé pourra accéder directement depuis le portail web aux informations médicales dont il aura besoin pour établir une fiche médicale exhaustive du parcours du patient pour lequel un cancer aurait été détecté ou bien une suspicion de cancer qui se serait avérée négative suite à plusieurs examens médicaux. Un médecin épidémiologiste peut également réaliser des requêtes statistiques d’envergure sur les données médicales afin de répondre à des questions d’intérêt en santé publique. Pour aller plus loin, les requêtes épidémiologiques lancées sur les données médicales peuvent être couplées à des informations d’utilité publique recueillies sur d’autres bases de données en accès libre sur internet. L’infrastructure informatique GINSENG est actuellement déployée pour le suivi des cancers en région Auvergne entre les structures de gestion du dépistage organisé du cancer (SGDO) et le cabinet d’anatomie et cytologie pathologiques (ACP) Sipath-Unilabs. Le recours à un hébergeur de données de santé (HADS), nommé Informatique de sécurité (IDS), est également proposé pour le stockage des informations confidentielles des patients. Cette infrastructure permet actuellement de collecter toutes les informations médicales d’intérêt pour le suivi des cancers et l’évaluation des pratiques médicales. Les équipes de bio-statistiques et de santé publique du CHU de Clermont-Ferrand établissent actuellement les analyses épidémiologiques d’intérêt à partir des données collectées par le réseau. / The implementation of a grid network to support large-scale epidemiology analysis (based on distributed medical data sources) and medical data sharing require medical data integration and semantic alignment. In this thesis, we present the GINSENG (Global Initiative for Sentinel eHealth Network on Grid) network that federates existing Electronic Health Records through a rich metamodel (FedEHR), a semantic data model (SemEHR) and distributed query toolkits. A query interface based on the VIP platform, and available through the e-ginseng.com web portal helps medical end-users in the design of epidemiological studies and the retrieval of relevant medical data sets.

Dans cette thèse, nous étudions les preuves à divulgation nulle de connaissance, une primitive cryptographique permettant de prouver une assertion en ne révélant rien de plus que sa véracité, et leurs applications au calcul sécurisé. Nous introduisons tout d’abord un nouveau type de preuves à divulgation nulle, appelées arguments implicites à divulgation nulle, intermédiaire entre deux notions existantes, les preuves interactives et les preuves non interactives à divulgation nulle. Cette nouvelle notion permet d’obtenir les mêmes bénéfices en terme d’efficacité que les preuves non-interactives dans le contexte de la construction de protocoles de calcul sécurisé faiblement interactifs, mais peut être instanciée à partir des mêmes hypothèses cryptographiques que les preuves interactives, permettant d’obtenir de meilleures garanties d’efficacité et de sécurité. Dans un second temps, nous revisitons un système de preuves à divulgation nulle de connaissance qui est particulièrement utile dans le cadre de protocoles de calcul sécurisé manipulant des nombres entiers, et nous démontrons que son analyse de sécurité classique peut être améliorée pour faire reposer ce système de preuve sur une hypothèse plus standard et mieux connue. Enfin, nous introduisons une nouvelle méthode de construction de systèmes de preuves à divulgation nulle sur les entiers, qui représente une amélioration par rapport aux méthodes existantes, tout particulièrement dans un modèle de type client-serveur, où un client à faible puissance de calcul participe à un protocole de calcul sécurisé avec un serveur à forte puissance de calcul. / In this thesis, we study zero-knowledge proofs, a cryptographic primitive that allows to prove a statement while yielding nothing beyond its truth, and their applications to secure computation. Specifically, we first introduce a new type of zero-knowledge proofs, called implicit zero-knowledge arguments, that stands between two existing notions, interactive zeroknowledge proofs and non-interactive zero-knowledge proofs. Our new notion provides the same efficiency benefits than the latter when used to design roundefficient secure computation protocols, but it can be built from essentially the same cryptographic assumptions than the former, which allows to get improved efficiency and security guarantees. Second, we revisit a zero-knowledge proof system that is particularly useful for secure computation protocols manipulating integers, and show that the known security analysis can be improved to base the proof system on a more wellstudied assumption. Eventually, we introduce a new method to build zero-knowledge proof systems over the integers, which particularly improves over existing methods in a client-server model, where a weak client executes a secure computation protocol with a powerful server.