Cette thèse présente des résultats appartenant aux trois thèmes fondamentaux de la cryptographie à clé publique : l’intégrité, l’authentification et la confidentialité. Au sein de chaque thème nous concevons des nouvelles primitives et améliorons des primitives existantes. Le premier chapitre, dédié à l’intégrité, introduit une preuve non-interactive de génération appropriée de clés publiques RSA et un protocole de co-signature dans lequel tout irrespect de l’équité laisse automatiquement la partie lésée en possession d’une preuve de culpabilité incriminant la partie tricheuse. Le second chapitre, ayant pour sujet l’authentification, montre comme une mesure de temps permet de raccourcir les engagements dans des preuves à divulgation nulle et comment des biais, introduits à dessin dans le défi, permettent d’accroitre l’efficacité de protocoles. Ce chapitre généralise également le protocole de Fiat-Shamir à plusieurs prouveurs et décrit une fraude très sophistiquée de cartes-à-puce illustrant les dangers de protocoles d’authentification mal-conçus. Au troisième chapitre nous nous intéressons à la confidentialité. Nous y proposons un cryptosystème à clé publique où les hypothèses de complexité traditionnelles sont remplacées par un raffinement du concept de CAPTCHA et nous explorons l’application du chiffrement-pot-de-miel au langage naturel. Nos dernières contributions concernent le chiffrement basé sur l’identité (IBE). Nous montrerons comment ajouter des fonctions d’émission à l’IBE hiérarchique et comment l’IBE permet de réduire la fenêtre temporelle de risque lors de la diffusion de mises à jour logicielles. / This thesis presents new results in three fundamental areas of public-key cryptography: integrity, authentication and confidentiality. In each case we design new primitives or improve the features of existing ones. The first chapter, dealing with integrity, introduces a non-interactive proof for proper RSA public key generation and a contract co-signature protocol in which a breach in fairness provides the victim with transferable evidence against the cheater. The second chapter, focusing on authentication, shows how to use time measurements to shorten zeroknowledge commitments and how to exploit bias in zero-knowledge challenges to gain efficiency. This chapter also generalizes Fiat-Shamir into a one-to-many protocol and describes a very sophisticated smart card fraud illustrating what can happen when authentication protocols are wrongly designed. The third chapter is devoted to confidentiality. We propose public-key cryptosystems where traditional hardness assumptions are replaced by refinements of the CAPTCHA concept and explore the adaptation of honey encryption to natural language messages. Our final contributions focus on identity-based encryption (IBE) showing how to add broadcast features to hierarchical IBE and how to use IBE to reduce vulnerability exposure time of during software patch broadcast.

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.

La sécurité de l’information repose sur la bonne interaction entre différents niveaux d’abstraction : les composants matériels, systèmes d’exploitation, algorithmes, et réseaux de communication. Cependant, protéger ces éléments a un coût ; ainsi de nombreux appareils sont laissés sans bonne couverture. Cette thèse s’intéresse à ces différents aspects, du point de vue de la sécurité et de la cryptographie. Nous décrivons ainsi de nouveaux algorithmes cryptographiques (tels que des raffinements du chiffrement de Naccache–Stern), de nouveaux protocoles (dont un algorithme d’identification distribuée à divulgation nulle de connaissance), des algorithmes améliorés (dont un nouveau code correcteur et un algorithme efficace de multiplication d’entiers),ainsi que plusieurs contributions à visée systémique relevant de la sécurité de l’information et à l’intrusion. En outre, plusieurs de ces contributions s’attachent à l’amélioration des performances des constructions existantes ou introduites dans cette thèse. / Information security relies on the correct interaction of several abstraction layers: hardware, operating systems, algorithms, and networks. However, protecting each component of the technological stack has a cost; for this reason, many devices are left unprotected or under-protected. This thesis addresses several of these aspects, from a security and cryptography viewpoint. To that effect we introduce new cryptographic algorithms (such as extensions of the Naccache–Stern encryption scheme), new protocols (including a distributed zero-knowledge identification protocol), improved algorithms (including a new error-correcting code, and an efficient integer multiplication algorithm), as well as several contributions relevant to information security and network intrusion. Furthermore, several of these contributions address the performance of existing and newly-introduced constructions.