Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la vérification formelle de programmes parallèles. L'enjeu de la vérification formelle est de s'assurer qu'un programme va bien fonctionner comme il le devrait, sans commettre d'erreur, se bloquer, ou se terminer anormalement. Cela est d'autant plus important dans le domaine du calcul parallèle, où le coût des calculs est parfois très élevé. Le modèle BSP (Bulk Synchronous Parallelism) est un modèle de parallélisme bien adapté à l'utilisation des méthodes formelles. Il garantit une forme de structure dans le programme parallèle, en l'organisant en super-étapes où chacune d'entre elle est composées d'une phase de calculs, puis d'une phase de communications entre les unités de calculs. Dans cette thèse, nous avons choisi d'étendre un outil actuel pour l'adapter à la preuve de programmes BSP. Nous nous sommes basés sur Why, un VCG (générateur de condition de vérification) qui a l'avantage de pouvoir s'interfacer avec plusieurs prouveurs automatiques et assistants de preuve pour décharger les obligations de preuves. Les contributions de cette thèse sont multiples. Dans un premier temps, nous présentons une comparaison des différentes librairies BSP disponibles, afin de mettre en évidence les primitives de programmation BSP les plus utilisées, donc les plus intéressantes à formaliser. Nous présentons ensuite BSP-Why, notre outil de preuve des programmes BSP. Cet outil se repose sur une génération d'un programme séquentiel qui simule le programme parallèle entré permettant ainsi d'utiliser Why et les nombreux prouveurs automatiques associés pour prouver les obligations de preuves. Nous montrons ensuite comment BSP-Why peut-être utilisé pour prouver la correction de quelques algorithmes BSP simples, mais aussi pour un exemple plus complexe qu'est la construction distribuée de l'espace d'états (model-checking) de systèmes et plus particulièrement dans les protocoles de sécurité. Enfin, afin de garantir la plus grande confiance dans l'outil BSP-Why, nous formalisons les sémantiques du langage, dans l'assistant de preuve Coq. Nous démontrons également la correction de la transformation utilisée pour passer d'un programme parallèle à un programme séquentiel / This thesis takes part in the formal verification of parallel programs. The aim of formal verification is to ensure that a program will run as it should, without making mistakes, blocking, or terminating abnormally. This is even more important in the parallel computation field, where the cost of calculations can be very high. The BSP model (Bulk Synchronous Parallelism) is a model of parallelism well suited for the use of formal methods. It guarantees a structure in the parallel program, by organising it into super-steps, each of them consisting of a phase of computations, then communications between the processes. In this thesis, we chose to extend an existing tool to adapt it for the proof of BSP programs. We based ourselves on Why, a VCG (verification condition generator) that has the advantage of being able to interface with several automatic provers and proof assistants to discharge the proof obligations. There are multiple contributions in this thesis. In a first part, we present a comparison of the existing BSP libraries, in order to show the most used BSP primitives, which are the most interesting to formalise. We then present BSP-Why, our tool for the proof of BSP programs. This tools uses a generation of a sequential program to simulate the parallel program in input, thus allowing the use of Why and the numerous associated provers to prove the proof obligations. We then show how BSP-Why can be used to prove the correctness of some basic BSP algorithms, and also on a more complex example, the generation of the state-space (model-checking) of systems, especially for security protocols. Finally, in order to ensure the greatest confidence in the BSP-Why tool, we give a formalisation of the language semantics, in the Coq proof assistant. We also prove the correctness of the transformation used to go from a parallel program to a sequential program

Garantir le fonctionnement correct des systèmes informatisés est un enjeu chaque jour plus important. La vérification formelle est un ensemble de techniquespermettant d’établir la correction d’un modèle mathématique du système par rapport à des propriétés exprimées dans un langage formel.Le "Regular model checking" est une technique bien connuede vérification de systèmes infinis. Elle manipule des ensembles infinis de configurations représentés de façon symbolique. Le "Regular model checking" de systèmes à canaux non fiables (LCS) soulève des questions fondamentales de décision et de complexité concernant l’ordre sous-mot qui modélise la perte de messages. Nous abordons ces questions et résolvons un problème ouvert sur l’index de la congruence de Simon pour les langages testables par morceaux.L’accessibilité pour les LCS est décidable mais de complexité F_{omega^omega} très élevée, bien au delà des complexités primitives récursives. Plusieurs problèmes de complexité équivalente ont été découverts récemment, par exemple dans la vérification de mémoire faibles ou de logique temporelle métrique. Le problème de plongement de Post (PEP) est une abstraction de l’accessibilité des LCS, lui aussi de complexité F_{omega^omega}, et qui nous sert de base dans la définition d’une classe de complexité correspondante. Nous proposons une généralisation commune aux deux variantes existantes de PEP et donnons une preuve de décidabilité simplifiée. Ceci permet d’étendre le modèle des systèmes à canaux unidirectionnels (UCS) par des tests simples tout en préservant la décidabilité de l’accessibilité. / The increasing use of software and automated systems has made it important to ensure their correct behaviour. Formal verification is the technique that establishes correctness of a system or a mathematical model of the system with respect to properties expressed in a formal language.Regular model checking is a common technique for verification of infinite-state systems - it represents infinite sets of configurations symbolically in a finite manner and manipulates them using these representations. Regular model checking for lossy channel systems brings up basic automata-theoretic questions concerning the subword relation on words which models the lossiness of the channels. We address these state complexity and decision problems, and also solve a long-standing problem involving the index of the Simon's piecewise-testability congruence.The reachability problem for lossy channel systems (LCS), though decidable, has very high F_{omega^omega} complexity, well beyond primitive-recursive. In recent times several problems with this complexity have been discovered, for example in the fields of verification of weak memory models and metric temporal logic. The Post Embedding Problem (PEP) is an algebraic abstraction of the reachability problem on LCS, with the same complexity, and is our champion for a "master" problem for the class F_{omega^omega}. We provide a common generalization of two known variants of PEP and give a simpler proof of decidability. This allows us to extend the unidirectional channel system (UCS) model with simple channel tests while having decidable reachability.

Cette these concerne la verification formelle et la composition de protocoles de securite, motivees en particulier par l'analyse des protocoles de vote electronique. Les chapitres 3 a 5 ont comme sujet la verification de protocoles de securite et le Chapitre 6 vise la composition.Nous montrons dans le Chapitre 3 comment reduire certains problemes d'une algebre quotient des termes a l'algebre libre des termes en utilisant des ensembles fortement complets de variants. Nous montrons que, si l'algebre quotient est donnee par un systeme de reecriture de termes convergent et optimalement reducteur (optimally reducing), alors des ensembles fortement complets de variants existent et sont finis et calculables.Dans le Chapitre 4, nous montrons que l'equivalence statique pour (des classes) de theories equationnelles, dont les theories sous-terme convergentes, la theorie de l'engagement a trappe (trapdoor commitment) et la theorie de signature en aveugle (blind signatures), est decidable en temps polynomial. Nous avons implemente de maniere efficace cette procedure.Dans le Chapitre 5, nous etendons la procedure de decision precedente a l'equivalence de traces. Nous utilisons des ensembles fortement complets de variants du Chapitre 3 pour reduire le probleme a l'algebre libre. Nous modelisons chaque trace du protocole comme une theorie de Horn et nous utilisons un raffinement de la resolution pour resoudre cette theorie. Meme si nous n'avons pas reussi a prouver que la procedure de resolution termine toujours, nous l'avons implementee et utilisee pour donner la premiere preuve automatique de l'anonymat dans le protocole de vote electronique FOO.Dans le Chapitre 6, nous etudions la composition de protocoles. Nous montrons que la composition de deux protocoles qui utilisent des primitives cryptographiques disjointes est sure s'ils ne revelent et ne reutilisent pas les secrets partages. Nous montrons qu'une forme d'etiquettage de protocoles est suffisante pour assurer la disjonction pour un ensemble fixe de primitives cryptographiques. / This thesis is about the formal verification and composition of security protocols, motivated by applications to electronic voting protocols. Chapters 3 to 5 concern the verification of security protocols while Chapter 6 concerns composition.We show in Chapter 3 how to reduce certain problems from a quotient term algebra to the free term algebra via the use of strongly complete sets of variants. We show that, when the quotient algebra is given by a convergent optimally reducing rewrite system, finite strongly complete sets of variants exist and are effectively computable.In Chapter 4, we show that static equivalence for (classes of) equational theories including subterm convergent equational theories, trapdoor commitment and blind signatures is decidable in polynomial time. We also provide an efficient implementation.In Chapter 5 we extend the previous decision procedure to handle trace equivalence. We use finite strongly complete sets of variants introduced in Chapter 3 to get rid of the equational theory and we model each protocol trace as a Horn theory which we solve using a refinement of resolution. Although we have not been able to prove that this procedure always terminates, we have implemented it and used it to provide the first automated proof of vote privacy of the FOO electronic voting protocol.In Chapter 6, we study composition of protocols. We show that two protocols that use arbitrary disjoint cryptographic primitives compose securely if they do not reveal or reuse any shared secret. We also show that a form of tagging is sufficient to provide disjointness in the case of a fixed set of cryptographic primitives.

Les multiprocesseurs et microprocesseurs multicœurs modernes mettent en oeuvre des modèles mémoires dits faibles ou relâchés, dans dans lesquels l'ordre apparent des opérations mémoire ne suit pas la cohérence séquentielle (SC) proposée par Leslie Lamport. Tout programme concurrent s'exécutant sur une telle architecture et conçu avec un modèle SC en tête risque de montrer à l'exécution de nouveaux comportements, dont certains sont potentiellement des comportements incorrects. Par exemple, un algorithme d'exclusion mutuelle correct avec une sémantique par entrelacement pourrait ne plus garantir l'exclusion mutuelle lorsqu'il est mis en oeuvre sur une architecture plus relâchée. Raisonner sur la sémantique de tels programmes s'avère très difficile. Par ailleurs, bon nombre d'algorithmes concurrents sont conçus pour fonctionner indépendamment du nombre de processus mis en oeuvre. On voudrait donc pouvoir s'assurer de la correction d'algorithmes concurrents, quel que soit le nombre de processus impliqués. Pour ce faire, on s'appuie sur le cadre du Model Checking Modulo Theories (MCMT), développé par Ghilardi et Ranise, qui permet la vérification de propriétés de sûreté de programmes concurrents paramétrés, c'est-à-dire mettant en oeuvre un nombre arbitraire de processus. On étend cette technologie avec une théorie permettant de raisonner sur des modèles mémoires faibles. Le résultat ce ces travaux est une extension du model checker Cubicle, appelée Cubicle-W, permettant de vérifier des propriétés de systèmes de transitions paramétrés s'exécutant sur un modèle mémoire faible similaire à TSO. / Modern multiprocessors and microprocesseurs implement weak or relaxed memory models, in which the apparent order of memory operation does not follow the sequential consistency (SC) proposed by Leslie Lamport. Any concurrent program running on such architecture and designed with an SC model in mind may exhibit new behaviors during its execution, some of which may potentially be incorrect. For instance, a mutual exclusion algorithm, correct under an interleaving semantics, may no longer guarantee mutual exclusion when implemented on a weaker architecture. Reasoning about the semantics of such programs is a difficult task. Moreover, most concurrent algorithms are designed for an arbitrary number of processus. We would like to ensure the correctness of concurrent algorithms, regardless of the number of processes involved. For this purpose, we rely on the Model Checking Modulo Theories (MCMT) framework, developed by Ghilardi and Ranise, which allows for the verification of safety properties of parameterized concurrent programs, that is to say, programs involving an arbitrary number of processes. We extend this technology with a theory for reasoning about weak memory models. The result of this work is an extension of the Cubicle model checker called Cubicle-W, which allows the verification of safety properties of parameterized transition systems running under a weak memory model similar to TSO.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / La vérification de modèle est une technique permettant de faire un modèle représentant le comportement d'un système ou d'un programme, de décrire une propriété à vérifier sur ce dernier et de faire la vérification au moyen d'un algorithme. Dans ce mémoire, nous décrivons notre propre méthode de vérification de modèle basée sur les algèbres de Kleene. Plus particulièrement, nous utilisons une extension appelée omégaalgèbre avec domaine. Cette méthode algébrique permet de vérifier des propriétés pouvant être exprimées au moyen de la logique CTL* basée sur les états et les actions du modèle à vérifier. Nous représentons ces propriétés au moyen d'expressions sur une oméga-algèbre avec domaine. / Les modèles que nous pouvons vérifier sont les systèmes à pile, une classe de systèmes de transitions pouvant avoir un nombre infini d'états. Les systèmes à pile peuvent représenter le flot de contrôle des programmes avec appels de procédures, incluant les appels récursifs. Des matrices sur une oméga-algèbre avec domaine sont utilisées pour représenter ces systèmes de transitions. Notre méthode génère, à partir de la matrice représentant le système à pile à vérifier et de l'expression représentant la propriété à vérifier sur ce dernier, une équation qu'il faut démontrer de façon axiomatique afin de conclure que le système satisfait la propriété.

À mesure que le nombre d’objets capables de communiquer croît, le besoin de sécuriser leurs interactions également. La conception des protocoles cryptographiques nécessaires pour cela est une tâche notoirement complexe et fréquemment sujette aux erreurs humaines. La vérification formelle de protocoles entend offrir des méthodes automatiques et exactes pour s’assurer de leur sécurité. Nous nous intéressons en particulier aux méthodes de vérification automatique des propriétés d’équivalence pour de tels protocoles dans le modèle symbolique et pour un nombre non borné de sessions. Les propriétés d’équivalences ont naturellement employées pour s’assurer, par exemple, de l’anonymat du vote électronique ou de la non-traçabilité des passeports électroniques. Parce que la vérification de propriétés d’équivalence est un problème complexe, nous proposons dans un premier temps deux méthodes pour en simplifier la vérification : tout d’abord une méthode pour supprimer l’utilisation des nonces dans un protocole tout en préservant la correction de la vérification automatique; puis nous démontrons un résultat de typage qui permet de restreindre l’espace de recherche d’attaques sans pour autant affecter le pouvoir de l’attaquant. Dans un second temps nous exposons trois classes de protocoles pour lesquelles la vérification de l’équivalence dans le modèle symbolique est décidable. Ces classes bénéficient des méthodes de simplification présentées plus tôt et permettent d’étudier automatiquement des protocoles taggués, avec ou sans nonces, ou encore des protocoles ping-pong. / As the number of devices able to communicate grows, so does the need to secure their interactions. The design of cryptographic protocols is a difficult task and prone to human errors. Formal verification of such protocols offers a way to automatically and exactly prove their security. In particular, we focus on automated verification methods to prove the equivalence of cryptographic protocols for a un-bounded number of sessions. This kind of property naturally arises when dealing with the anonymity of electronic votingor the untracability of electronic passports. Because the verification of equivalence properties is a complex issue, we first propose two methods to simplify it: first we design a transformation on protocols to delete any nonce while maintaining the soundness of equivalence checking; then we prove a typing result which decreases the search space for attacks without affecting the power of the attacker. Finally, we describe three classes of protocols for which equivalence is decidable in the symbolic model. These classes benefit from the simplification results stated earlier and enable us to automatically analyze tagged protocols with or without nonces, as well as ping-pong protocols.

Les systèmes informatiques occupent une place grandissante dans notre société actuelle hautement informatisée. À mesure que les systèmes transactionnels traditionnels sont informatisés, une composante de confidentialité vient s'ajouter aux systèmes informatiques. Ces systèmes gagnant en complexité, la vérification manuelle par des êtres humains devient rapidement impraticable. Nous présentons des methods traditionnelles de verification automatique de la conformité d'un programme à une propriété de sécurité. Ensuite, nous présentons une approche originale de Hugues Chabot et al. utilisant des omega-automates, qui permettent de verifier des programmes pour lesquels une execution peut ne jamais se terminer. Nous proposons quelques optimisations puis procédons a son implantation pour en mesurer la performance. Nous présentons finalement une approche alternative, base sur la théorie des transactions logicielles, qui permet de corriger un programme deviant plutôt que de le rejetter. Nous terminons en posant un regrard critique sur le travail accompli.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 septembre 2023) / Le mandat des institutions supérieures de contrôle (ISC) est d'assurer une saine gestion des finances publiques. Leurs activités d'audit exigent l'imputabilité (accountability) et la transparence de la part des agents publics. Le respect de ces deux valeurs de gestion publique participe à réduire un fléau d'envergure mondiale qu'est la corruption. La lutte contre la corruption est ancienne, et pourtant demeure un enjeu majeur de gouvernance. Diverses institutions publiques nationales et internationales travaillent à réduire ce fléau. L'implication des institutions supérieures de contrôle des finances publiques dans cette lutte est plutôt récente. Leur responsabilité en la matière n'est pas clairement définie, ni la façon dont elles doivent interagir avec les organisations qui les ont précédées dans ce combat, afin d'assurer un cadre efficace contre la corruption. Cette thèse se base sur la notion de « système national d'intégrité » de l'organisation Transparency International, place les ISC au centre du système, et contribue à l'avancement des connaissances en répondant à trois questions : 1) Au-delà des éléments généraux rapportés dans la littérature, quel est le rôle concret des ISC dans la lutte contre la corruption ? 2) Quels sont les principes à respecter dans les relations entre les ISC et les autres institutions de gouvernance pour renforcer leur efficacité en matière de lutte contre la corruption ? 3) Quel est l'impact d'un dispositif institutionnel anticorruption centré sur les ISC sur le niveau de perception de corruption ? Le chapitre premier présente une revue de littérature sur la corruption et le rôle des ISC pour la réduire. Les chapitres deuxième, troisième et quatrième mobilisent les méthodologies qualitatives et quantitatives pour répondre à chacune des trois questions de recherche. Chacun des chapitres est rédigé sous forme d'article. Pour la méthode qualitative, des entretiens semi-directifs ont été effectués avec treize membres d'ISC de France, du Sénégal et du Québec. Les analyses de régression ont été réalisées pour la méthode quantitative. Les résultats démontrent une implication effective des ISC dans le combat contre la corruption, même si ce rôle ne fait pas partie de leur mandat officiel. Ensuite, les principes devant gouverner les relations entre les ISC et les autres institutions publiques nécessitent des améliorations pour une lutte efficace contre la corruption. Ces améliorations sont notamment nécessaires au niveau de leur indépendance et de leur collaboration avec les acteurs sociaux. Enfin, la qualité d'un dispositif institutionnel anticorruption centré sur l'ISC démontre un effet réducteur sur le niveau de perception de la corruption. / The mandate of supreme audit institutions (SAIs) is to ensure sound management of public finances. Their audit activities require accountability and transparency from public officials. Respect of these two public management values contributes to reducing the global scourge that is corruption. The fight against corruption is old, yet it remains a major issue for governance. Various national and international public institutions are working to reduce this scourge. SAIs' involvement in this fight is rather recent. Their responsibility in this matter is not clearly defined, nor is the way in which they should interact with the organizations that preceded them in this fight, to ensure an effective framework against corruption. This thesis draws on Transparency International's concept of a "national integrity system", places SAIs at the center of the system, and contributes to the advancement of knowledge by answering three questions: 1) Beyond the general elements reported in the literature, what is SAIs' actual role in fighting corruption? 2) What principles should be observed in relations between SAIs and other governance institutions to enhance their effectiveness in the fight against corruption? 3) What is the impact of an institutional anticorruption system centered on SAIs on the perceived level of corruption? The first chapter presents a literature review on corruption and the role of SAIs in its fight. The second, third and fourth chapters mobilize qualitative and quantitative research methodologies to answer each of the three research questions. Each of these chapters is a manuscript article. For the qualitative analysis, semi-structured interviews were carried out with thirteen members of SAIs in France, Senegal, and Quebec. Regression analyses were performed for the quantitative method. The results demonstrate that involving SAIs in the fight against corruption is effective, even if this is not part of their official mandate. Also, principles that should govern the relations between SAIs and other public institutions must be improved to fight corruption more efficiently. These improvements are particularly necessary in terms of SAIs' independence and their collaboration with social actors. Finally, the quality of an institutional anticorruption system centered on SAIs demonstrates a reducing effect on the perceived level of corruption.

Ce mémoire traite en premier lieu des avantages et des désavantages des différentes approches visant à assurer la sûreté et la sécurité des logiciels. En second lieu, il présente une nouvelle approche pour combiner l'analyse statique et l'analyse dynamique afin de produire une architecture de sécurité plus puissante. Les premiers chapitres du mémoire comportent une revue analytique des différentes approches statiques, dynamiques et hybrides qui peuvent être utilisées afin de sécuriser le code potentiellement malicieux. L'exposé identifie alors les avantages et les inconvénients de chaque approche ainsi que le champ des politiques de sécurité dans lesquels on peut l'appliquer. Le dernier chapitre traite de la possibilité de combiner l'analyse statique et l'analyse dynamique par une nouvelle approche hybride. Cette approche consiste à instrumenter le code seulement là où c'est nécessaire pour assurer satisfaire une politique de sécurité définie par l'usager et exprimée en un ensemble de propriétés exprimées μ-calcul modal. Cette instrumentation est guidée par une analyse statique effectuée à priori et basée sur un système de type à effets. Les effets représentent les accès aux ressources protégées du système. / The purpose of this thesis is twofold. In the first place it presents a comparative study of the advantages and drawbacks of several approaches to insure software safety and security. It then focuses more particularly on combining static analyses and dynamic monitoring in order to produce a more powerful security architecture. The first chapters of the thesis present an analytical review of the various static, dynamic and hybrid approaches that can be used to secure a potentially malicious code. The advantages and drawbacks of each approach are thereby analyzed and the field of security properties that can be enforced by using it are identified. The thesis then focuses on the possibility of combining static and dynamic analysis through a new hybrid approach. This approach consists in a code instrumentation, that only alters those parts of a program where it is necessary to do so to insure the respect of a user-defined security policy expressed in a set of modal μ-calculus properties. this instrumentation is guided by a static analysis based on a type and effect system. The effects represent the accesses made to pretested system ressources.

Ce mémoire présente une nouvelle approche pour sécuriser du code potentiellement malicieux à l'aide d'un moniteur incorporé au code. Les premiers chapitres du mémoire introduisent les notions préliminaires à la présentation de l'approche. Plus précisément, les concepts fondamentaux de la vérification de modèle et du contrôle des systèmes à événements discrets. Le dernier chapitre présente les fondements théoriques de l'approche en généralisant les résultats de Ligatti, Bauer et Walker, et montre une classe de moniteurs qui est plus puissante lorsqu'on précise son contexte d'application. Cette observation mène à l'élaboration d'une approche consistant à instrumenter un programme, dans le but de le rendre sécuritaire, à partir d'un modèle du programme et d'une propriété de sécurité représentée par un automate de Rabin.