Durant ces dernières décennies, nous avons assisté à une automatisation massive de la société selon toutes ses sphères. Malheureusement, cette révolution technologique n’a pas eu que des bienfaits. En effet, une nouvelle génération de criminels en a profité, afin d’occasionner davantage d’activités illégales. De ce fait, afin de protéger les systèmes informatiques, il est devenu plus que primordial de définir rigoureusement des politiques de sécurité ainsi que de mettre en oeuvre des mécanismes efficaces capables de les appliquer. L’objectif majeur d’un mécanisme de sécurité consiste souvent à contrôler des logiciels, afin de les contraindre à “bien” se comporter. Cependant, la plupart des mécanismes de sécurité procèdent par des méthodes ad hoc qui sont loin d’être efficaces. En outre, ils sont peu fiables, puisqu’il n’y a aucune preuve sur leur capacité à faire respecter les politiques de sécurité. De là apparaît la nécessité de concevoir des mécanismes de sécurité alternatifs qui résolvent le problème de l’application de la sécurité d’une manière formelle, correcte et précise. Dans ce contexte, notre thèse cible principalement la caractérisation formelle de l’application effective des politiques de sécurité via des mécanismes basés sur la réécriture de programmes. On entend par application effective, le fait d’éliminer tous les “mauvais” comportements d’un programme, tout en conservant tous les “bons” comportements qu’il engendre, et ce, sans compromettre la sémantique du programme à sécuriser. Nous avons opté pour la réécriture de programmes, vu sa grande puissance par rapport aux autres mécanismes de sécurité qui sont soit laxistes soit très restrictifs. Les principaux résultats qui ont été réalisés, afin d’atteindre les objectifs ciblés par cette thèse sont les suivants : – Caractérisation formelle de l’application des propriétés de sûreté par la réécriture de programmes. Il s’agit d’appliquer les propriétés de sûreté qui constituent la classe de propriétés de sécurité la plus communément appliquée par les mécanismes de sécurité. – Caractérisation formelle de l’application de n’importe quelle propriété de sécurité par la réécriture de programmes. Cette contribution montre comment la réécriture de programmes permet l’application de politiques de sécurité qu’aucune autre classe de mécanismes de sécurité ne peut appliquer. – Caractérisation alternative de l’application de la sécurité par une approche algébrique. Cette contribution propose un formalisme algébrique afin de réduire l’écart entre la spécification et l’implantation des mécanismes de sécurité basés-réécriture. / During the last decades, we have witnessed a massive automation of the society at all levels. Unfortunately, this technological revolution came with its burden of disadvantages. Indeed, a new generation of criminals emerged and is benefitting from continuous progress of information technologies to cause more illegal activities. Thus, to protect computer systems, it has become very crucial to rigorously define security policies and provide the effective mechanisms required to enforce them. Usually, the main objective of a security mechanism is to control the executions of a software and ensure that it will never violate the enforced security policy. However, the majority of security mechanisms are based on ad hoc methods and thus, are not effective. In addition, they are unreliable, since there is no evidence on their ability to enforce security policies. Therefore, there is a need to develop novel security mechanisms that allow enforcing security policies in a formal, correct, and accurate way. In this context, our thesis targets the formal characterization of effective security policies enforcement that is based on programs rewriting. We mean by “effective” enforcement preventing all the “bad” behaviors of a program while keeping all its "good" behaviors. In addition, effective enforcement should not compromise the semantics of controlled programs. We have chosen for rewriting programs, because it has a great power compared to other security mechanisms that are either permissive or too restrictive. Themain contributions of this thesis are the following : – Formal characterization of security enforcement of safety properties through program rewriting. Safety properties represent the main class of properties usually enforced by security mechanisms. – Formal characterization of any security property using program rewriting. This contribution shows how program rewriting allows the enforcement of security policies that no other class of security mechanisms can enforce. – Algebraic approach as an alternative formal characterization of program rewriting based security enforcement. In this contribution, we investigate an algebraic formal model in order to reduce the gap between the specification and the implementation of program rewriting based security mechansisms.

La sécurité des systèmes d’information est l’une des préoccupations les plus importantes du domaine de la science informatique d’aujourd’hui. Les particuliers et les entreprises sont de plus en plus touchés par des failles de sécurité et des milliards de dollars ont été perdus en raison de cyberattaques. Cette thèse présente une approche formelle basée sur la réécriture de programmes permettant d’appliquer automatiquement des politiques de sécurité sur des programmes non sécuritaires. Pour un programme P et une politique de sécurité Q, nous générons un autre programme P’ qui respecte une politique de sécurité Q et qui se comporte comme P, sauf si la politique est sur le point d’être violée. L’approche présentée utilise l’algèbre [symbol] qui est une variante de [symbol] (Basic Process Algebra) étendue avec des variables, des environnements et des conditions pour formaliser et résoudre le problème. Le problème de trouver la version sécuritaire P’ à partir de P et de Q se transforme en un problème de résolution d’un système linéaire pour lequel nous savons déjà comment extraire la solution par un algorithme polynomial. Cette thèse présente progressivement notre approche en montrant comment la solution évolue lorsqu’on passe de l’algèbre de [symbol] à [symbol]. / The security of information systems is one of the most important preoccupations of today’s computer science field. Individuals and companies are more and more affected by security flaws and billions of dollars have been lost because of cyber-attacks. This thesis introduces a formal program-rewriting approach that can automatically enforce security policies on non-trusted programs. For a program P and a security policy Q, we generate another program P’ that respects the security policy Q and behaves like P except when the enforced security policy is about to be violated. The presented approach uses the [symbol] algebra that is a variant of the BPA (Basic Process Algebra) algebra extended with variables, environments and conditions to formalize and resolve the problem. The problem of computing the expected enforced program [symbol] is transformed to a problem of resolving a linear system for which we already know how to extract the solution by a polynomial algorithm. This thesis presents our approach progressively and shows how the solution evolves when we move from the [symbol] algebra to the [symbol] algebra.

Titre de l'écran-titre (visionné le 28 février 2024) / Avec l'avènement de la technologie de la chaîne de blocs, un nouveau type de contrat appelé contrat intelligent a émergé. Les contrats intelligents sont des programmes informatiques permettant de formaliser des accords contractuels complexes tout en assurant automatiquement le respect de ces accords sans l'aide d'intermédiaires de confiance. Aujourd'hui, ils gèrent des millions de dollars en jetons numériques et effectuent des tâches quotidiennes de processus métier. Compte tenu des énormes enjeux financiers, les pirates informatiques sont plus que jamais motivés à exploiter tout bogue dans les contrats intelligents ou l'infrastructure sous-jacente. Une grande prudence est donc requise avant le déploiement des contrats intelligents, d'autant plus qu'ils deviennent immuables (*pas de possibilité de les modifier*) une fois déployés sur la chaîne de blocs. Écrire des contrats intelligents sécurisés et fiables est une tâche ardue et les méthodes existantes de sécurisation des contrats intelligents reposent largement sur l'expérience du programmeur, laissant ainsi place à des erreurs de logique et d'inattention. Dans cette thèse, nous proposons une approche novatrice basée sur la réécriture de programmes pour renforcer la sécurité des contrats intelligents. Plus précisément, étant donné un contrat intelligent *S* et une politique de sécurité *ϕ*, nous dérivons un nouveau contrat intelligent *S'* à partir de *S* et de *ϕ* de telle sorte que *S′* satisfait la politique de sécurité *ϕ* et reste correct par rapport à *S*. Le contrat *S′* (*c'est-à-dire le contrat sécurisé*) est celui qui sera en fin de compte déployé sur la chaîne de blocs. L'approche présentée utilise l'algèbre SBPA$^\textup{*}_\textup{0,1}$ qui est une variante de BPA$^\textup{*}_\textup{0,1}$ (*Basic Process Algebra*) étendue avec des variables, des environnements et des conditions pour formaliser et résoudre le problème. Le problème de trouver la version sécuritaire *S′* à partir de *S* et de *ϕ* se transforme en un problème de résolution d'un système d'équations linéaires pour lequel nous savons déjà comment extraire la solution dans un temps polynomial. Cette recherche contribue à combler le fossé dans la sécurisation des contrats intelligents et ouvre la voie à une adoption plus large de cette technologie révolutionnaire. / With the advent of blockchain technology, a new type of contract called smart contract has emerged. Smart contracts are computer programs to formalize complex contractual agreements while automatically ensuring compliance with these agreements without the help of trusted intermediaries. Today, they manage millions of dollars in digital tokens and perform daily business process tasks. Given the huge financial stakes, hackers are more motivated than ever to exploit any bugs in smart contracts or the underlying infrastructure. Great caution is therefore required before deploying smart contracts, especially since they become immutable (*no possibility to modify them*) once deployed on the blockchain. Writing secure and reliable smart contracts is a daunting task and existing methods of securing smart contracts rely heavily on the experience of the programmer, leaving room for errors of logic and carelessness. In this thesis, we propose an innovative approach based on program rewriting to strengthen the security of smart contracts. Specifically, given a smart contract *S* and a security policy *ϕ*, we derive a new smart contract *S′* from *S* and *ϕ* such that *S′* satisfies the security policy *ϕ* and remains correct with respect to *S*. The *S′* contract (*i.e. the secure contract*) is the one that will ultimately be deployed on the blockchain. The presented approach uses the algebra SBPA$^\textup{*}_\textup{0,1}$ which is a variant of BPA$^\textup{*}_\textup{0,1}$ (*Basic Process Algebra*) extended with variables, environments and conditions to formalize and solve the problem. The problem of finding the secure version *S′* from *S* and *ϕ* turns into a problem of solving a system of linear equations for which we already know how to extract the solution in polynomial time. This research helps bridge the gap in securing smart contracts and paves the way for wider adoption of this game-changing technology.