Les politiques permettent de définir les règles de la sécurité et de la gestion des différents composants du système. Cela implique l'emploi d'un langage pour exprimer les règles d'affaires et les règles non fonctionnelles, et de donner aux utilisateurs la possibilité de tester et de corriger les politiques. Plusieurs langages tels que XACML, Rei ou PONDER, sont utilisés pour exprimer les politiques par rapport aux objectifs du système d'information. Ces langages peuvent définir plusieurs règles et politiques, mais la plupart de ces langages ne donnent pas de mécanisme pour tester et vérifier la présence des conflits et de l'incohérence entre les politiques du système. Ce mémoire vise la vérification des politiques de contrôle d'accès. Notre approche consiste à traduire les politiques XACML sous forme d'un ensemble de machines abstraites de la méthode B. Nous exprimons aussi les propriétés à vérifier par des formules logiques. L'approche offre aux utilisateurs des moyens pour vérifier les politiques afin de s'assurer que les règles expriment bien les objectifs régissant le comportement et les interactions des systèmes gérés. Dans la première phase, les composantes des politiques XACML ont été exprimées avec des expressions formelles basées sur la logique du premier ordre. Par la suite, les outils développés pour la méthode B, comme le langage Event-B sous la plate forme Rodin, ont été utilisés pour vérifier les règles des politiques par rapport à un ensemble de propriétés que nous avons définies. Notre approche est plus flexible et permet aux utilisateurs de tester et de vérifier les règles avant l'implémentation de ces politiques. Une telle vérification est fondée sur les preuves avec logique du premier ordre, où des propriétés importantes de la politique peuvent être énoncées et prouvées. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Politique, XACML, Méthode formelle, Event-B, Vérification.

La prise de conscience générale de l'importance de vérifier plus scrupuleusement les programmes a engendré une croissance considérable des efforts de vérification formelle de programme durant cette dernière décennie. Néanmoins, le code qu'exécute l'ordinateur, ou code exécutable, n'est pas le code écrit par le développeur, ou code source. La vérification formelle de compilateurs est donc un complément indispensable à la vérification de code source.L'une des tâches les plus complexes de compilation est l'allocation de registres. C'est lors de celle-ci que le compilateur décide de la façon dont les variables du programme sont stockées en mémoire durant son exécution. La mémoire comporte deux types de conteneurs : les registres, zones d'accès rapide, présents en nombre limité, et la pile, de capacité supposée suffisamment importante pour héberger toutes les variables d'un programme, mais à laquelle l'accès est bien plus lent. Le but de l'allocation de registres est de tirer au mieux parti de la rapidité des registres, car une allocation de registres de bonne qualité peut conduire à une amélioration significative du temps d'exécution du programme.Le modèle le plus connu de l'allocation de registres repose sur la coloration de graphe d'interférence-affinité. Dans cette thèse, l'objectif est double : d'une part vérifier formellement des algorithmes connus d'allocation de registres par coloration de graphe, et d'autre part définir de nouveaux algorithmes optimisants pour cette étape de compilation. Nous montrons tout d'abord que l'assistant à la preuve Coq est adéquat à la formalisation d'algorithmes d'allocation de registres par coloration de graphes. Nous procédons ainsi à la vérification formelle en Coq d'un des algorithmes les plus classiques d'allocation de registres par coloration de graphes, l'Iterated Register Coalescing (IRC), et d'une généralisation de celui-ci permettant à un utilisateur peu familier du système Coq d'implanter facilement sa propre variante de cet algorithme au seul prix d'une éventuelle perte d'efficacité algorithmique. Ces formalisations nécessitent des réflexions autour de la formalisation des graphes d'interférence-affinité, de la traduction sous forme purement fonctionnelle d'algorithmes impératifs et de l'efficacité algorithmique, la terminaison et la correction de cette version fonctionnelle. Notre implantation formellement vérifiée de l'IRC a été intégrée à un prototype du compilateur CompCert.Nous avons ensuite étudié deux représentations intermédiaires de programmes, dont la forme SSA, et exploité leurs propriétés pour proposer de nouvelles approches de résolution optimale de la fusion, l'une des optimisations opéréeslors de l'allocation de registres dont l'impact est le plus fort sur la qualité du code compilé. Ces approches montrent que des critères de fusion tenant compte de paramètres globaux du graphe d'interférence-affinité, tels que sa largeur d'arbre, ouvrent la voie vers de nouvelles méthodes de résolution potentiellement plus performantes.

Avec la complexité croissante des systèmes sur puce, le processus de vérification devient une tâche de plus en plus cruciale à tous les niveaux du cycle de conception, et monopolise une part importante du temps de développement. Dans ce contexte, l'assertion-based verification (ABV) a considérablement gagné en popularité ces dernières années. Il s'agit de spécifier le comportement attendu du système par l'intermédiaire de propriétés logico-temporelles, et de vérifier ces propriétés par des méthodes semi-formelles ou formelles. Des langages de spécification comme PSL ou SVA (standards IEEE) sont couramment utilisés pour exprimer ces propriétés. Des techniques de vérification statiques (model checking) ou dynamiques (validation en cours de simulation) peuvent être mises en œuvre. Nous nous plaçons dans le contexte de la vérification dynamique. A partir d'assertions exprimées en PSL ou SVA, des descriptions VHDL ou Verilog synthétisables de moniteurs matériels de surveillance peuvent être produites (outil Horus). Ces composants peuvent être utilisés pendant la conception (en simulation et/ou émulation pour le débug et la validation de circuits), ou comme composants embarqués, pour la surveillance du comportement de systèmes critiques. Pour l'analyse en phase de conception, que ce soit en simulation ou en émulation, le problème de la génération des séquences de test se pose. En effet, des séquences de test générées aléatoirement peuvent conduire à un faible taux de couverture des conditions d'activation des moniteurs et, de ce fait, peuvent être peu révélatrices de la satisfaction des assertions. Les méthodes de génération de séquences de test sous contraintes n'apportent pas de réelle solution car les contraintes ne peuvent pas être liées à des conditions temporelles. De nouvelles méthodes doivent être spécifiées et implémentées, c'est ce que nous nous proposons d'étudier dans cette thèse. / With the increasing complexity of SoC, the verification process becomes a task more crucial at all levels of the design cycle, and monopolize a large share of development time. In this context, the assertion-based verification (ABV) has gained considerable popularity in recent years. This is to specify the behavior of the system through logico-temporal properties and check these properties by semiformal or formal methods. Specification languages such as PSL or SVA (IEEE) are commonly used to express these properties. Static verification techniques (model checking) or dynamic (during simulation) can be implemented. We are placed in the context of dynamic verification. Our assertions are expressed in PSL or SVA, and synthesizable descriptions VHDL or Verilog hardware surveillance monitors can be produced (Horus tool). These components can be used for design (simulation and/or emulation for circuit debug and validation) or as embedded components for monitoring the behavior of critical systems. For analysis in the design phase, either in simulation or emulation, the problem of generating test sequences arises. In effect, sequences of randomly generated test can lead to a low coverage conditions of activation monitors and, therefore, may be indicative of little satisfaction assertions. The methods of generation of test sequences under constraints do not provide real solution because the constraints can not be linked to temporal conditions. New methods must be specified and implemented, this's what we propose to study in this thesis.

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.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Plusieurs outils ont été développé pour vérifier automatiquement les propriétés de sécurité sur des protocoles cryptographiques. Jusqu'à maintenant, la plupart de ces outils permettent de vérifier des propriétés de trace (ou propriétés d'accessibilité) tel que le secret simple ou l'authentification. Néanmoins, plusieurs propriétés de sécurité ne peuvent pas être exprimés en tant que propriété de trace, mais peuvent l'être en tant que propriété d'équivalence. L'anonymat, la non-tracabilité ou le secret fort sont des exemples classique de propriété d'équivalence. Typiquement, deux protocoles P et Q sont équivalent si les actions d'un adversaire (intrus) ne lui permettent pas de distinguer P de Q. Dans la littérature, plusieurs notions d'équivalence ont été étudiés, par exemple l'équivalence de trace ou l'équivalence observationnelle. Néanmoins, ces équivalences se relèvent être très difficiles à démontrer , d'où l'importance de développer des outils de vérification automatique efficaces de ces équivalences. Au sein de cette thèse, nous avons dans un premier temps travaillé sur une approche reposant sur des techniques de résolution de contraintes et nous avons créé un nouvel algorithme pour décider l'équivalence de trace entre deux protocoles pouvant contenir des conditionnelles avec branches "else", et pouvant également être non-déterministe. Cet algorithme a été appliqué sur des exemples concrets comme le "Private authentification protocol" ainsi que le "E-passport protocol". Cette thèse propose également des résultats de composition pour l'équivalence de trace. En particulier, nous nous sommes intéressé à la composition parallèle de protocoles partageant certains secrets. Ainsi dans cette thèse, nous avons démontré que, sous certaines conditions, la composition parallèle de protocoles préserve les propriétés d'équivalence. Ce résultat fut appliqué au "E-passport protocol". Enfin, cette thèse présente une extension à l'outil de vérification automatique ProVerif afin de démontrer automatiquement plus de propriétés d'équivalence. Cette extension a été implémenté au sein de ProVerif ce qui a permis de démontrer la propriété d'anonymat pour le "Private authentification protocol" . / Many tools have been developed to automatically verify security properties on cryptographic protocols. But until recently, most tools focused on trace properties (or reachability properties) such as authentication and secrecy. However, many security properties cannot be expressed as trace properties, but can be written as equivalence properties. Privacy, unlinkability, and strong secrecy are typical examples of equivalence properties. Intuitively, two protocols P, Q are equivalent if an adversary can not distinguish P from Q by interacting with these processes. In the literature, several notions of equivalence were studied, e.g. trace equivalence or a stronger one, observational equivalence. However, it is often very difficult to prove by hand any of these equivalences, hence the need for efficient and automatic tools. We first worked on an approach that rely on constraint solving techniques and that is well suited for bounded number of sessions. We provided a new algorithm for deciding the trace equivalence between processes that may contain negative tests and non-determinism. We applied our results on concrete examples such as anonymity of the Private Authentication protocol and the E-passport protocol. We also investigated composition results. More precisely, we focused on parallel composition under shared secrets. We showed that under certain conditions on the protocols, the privacy type properties are preserved under parallel composition and under shared secrets. We applied our result on the e-passport protocol. At last this work presents an extension of the automatic protocol verifier ProVerif in order to prove more observational equivalences. This extension have been implemented in ProVerif and allows us to automatically prove anonymity in the private authentication protocol.

On présente une Logique Probabiliste avec des opérateurs Conditionnels - LPCP, sa syntaxe, sémantique, axiomatisation correcte et fortement complète, comprenant une règle de déduction infinitaire. On prouve que LPCP est décidable, et on l'étend pour qu’il puisse représenter l'évidence, en créant ainsi la première axiomatisation propositionnelle du raisonnement basé sur l'évidence. On codifie les Logiques Probabilistes LPP1Q et LPPQ2 dans l'Assistant de Preuve Coq, et on vérifie formellement leurs propriétés principales: correction, complétude fort et non-compacité. Les deux logiques étendent la Logique Classique avec des opérateurs de probabilité, et présentent une règle de déduction infinitaire. LPPQ1 permet des itérations des opérateurs de probabilité, lorsque LPPQ2 ne le permet pas. On a formellement justifié l'utilisation des solveurs SAT probabilistes pour vérifier les questions liées à la cohérence. On présente LFP, un Cadre Logique avec Prédicats Externes, en introduisant un mécanisme pour bloquer et débloquer types et termes dans LF, en permettant l'utilisation d’oracles externes. On démontre que LFP satisfait tous les principales propriétés et on développe un cadre canonique correspondant, qui permet de prouver l’adéquation. On fournit diverses encodages - le λ-calcul non-typé avec la stratégie de réduction CBV, Programmation-par-Contrats, un langage impératif avec la Logique de Hoare, des Logiques Modales et la Logique Linéaire Non-Commutative, en montrant que en LFP on peut codifier aisément des side-conditions dans l'application des règles de typage et atteindre une séparation entre vérification et computation, en obtenant des preuves plus claires et lisibles. / We introduce a Probability Logic with Conditional Operators - LPCP, its syntax, semantics, and a sound and strongly-complete axiomatic system, featuring an infinitary inference rule. We prove the obtained formalism decidable, and extend it so as to represent evidence, making it the first propositional axiomatisation of reasoning about evidence. We encode Probability Logics LPP1Q and LPP2Q in the Proof Assistant Coq and formally verify their key properties - soundness, strong completeness, and non-compactness. Both logics extend Classical Logic with modal-like probability operators, and both feature an infinitary inference rule. LPP1Q allows iterations of probability operators, while LPP2Q does not. In this way, we have formally justified the use of Probabilistic SAT-solvers for the checking of consistency-related questions. We present LFP - a Logical Framework with External Predicates, by introducing a mechanism for locking and unlocking types and terms into LF, allowing the use of external oracles. We prove that LFP satisfies all the main meta-theoretic properties and develop a corresponding canonical framework, allowing for easy proofs of adequacy. We provide a number of encodings - the simple untyped λ-calculus with a Call-by-Value reduction strategy, the Design-by-Contract paradigm, a small imperative language with Hoare Logic, Modal Logics in Hilbert and Natural Deduction style, and Non-Commutative Linear Logic (encoded for the first time in an LF-like framework), illustrating that in LFP we can encode side-conditions on the application of rules elegantly, and achieve a separation between verification and computation, resulting in cleaner and more readable proofs.

Le développement d'un système a pour objectif de répondre à des exigences. Aussi, le succès de sa réalisation repose en grande partie sur la phase de spécification des exigences qui a pour vocation de décrire de manière précise et non ambiguë toutes les caractéristiques du système à développer.Les spécifications d'exigences sont le résultat d'une analyse des besoins faisant intervenir différentes parties. Elles sont généralement rédigées en langage naturel (LN) pour une plus large compréhension, ce qui peut mener à diverses interprétations, car les textes en LN peuvent contenir des ambiguïtés sémantiques ou des informations implicites. Il n'est donc pas aisé de spécifier un ensemble complet et cohérent d'exigences. D'où la nécessité d'une vérification formelle des spécifications résultats.Les spécifications LN ne sont pas considérées comme formelles et ne permettent pas l'application directe de méthodes vérification formelles.Ce constat mène à la nécessité de transformer les spécifications LN en spécifications formelles.C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse.La difficulté principale d'une telle transformation réside dans l'ampleur du fossé entre spécifications LN et spécifications formelles.L'objectif de mon travail de thèse est de proposer une approche permettant de vérifier automatiquement des spécifications d'exigences utilisateur, écrites en langage naturel et décrivant le comportement d'un système.Pour cela, nous avons exploré les possibilités offertes par un modèle de représentation fondé sur un formalisme logique.Nos contributions portent essentiellement sur trois propositions :1) une ontologie en OWL-DL fondée sur les logiques de description, comme modèle de représentation pivot permettant de faire le lien entre spécifications en langage naturel et spécifications formelles; 2) une approche d'instanciation du modèle de représentation pivot, fondée sur une analyse dirigée par la sémantique de l'ontologie, permettant de passer automatiquement des spécifications en langage naturel à leur représentation conceptuelle; et 3) une approche exploitant le formalisme logique de l'ontologie, pour permettre un passage automatique du modèle de représentation pivot vers un langage de spécifications formelles nommé Maude. / The main objective of system development is to address requirements. As such, success in its realisation is highly dependent on a requirement specification phase which aims to describe precisely and unambiguously all the characteristics of the system that should be developed. In order to arrive at a set of requirements, a user needs analysis is carried out which involves different parties (stakeholders). The system requirements are generally written in natural language to garantuee a wider understanding. However, since NL texts can contain semantic ambiguities, implicit information, or other inconsistenties, this can lead to diverse interpretations. Hence, it is not easy to specify a set of complete and consistent requirements, and therefore, the specified requirements must be formally checked. Specifications written in NL are not considered to be formal and do not allow for a direct application of formal methods. We must therefore transform NL requirements into formal specifications. The work presented in this thesis was carried out in this framework. The main difficulty of such transformation is the gap between NL requirements and formal specifications. The objective of this work is to propose an approach for an automatic verification of user requirements which are written in natural language and describe a system's expected behaviour. Our approach uses the potential offered by a representation model based on a logical formalism. Our contribution has three main aspects: 1) an OWL-DL ontology based on description logic, used as a pivot representation model that serves as a link between NL requirements to formal specifications; 2) an approach for the instantiation of the pivot ontology, which allows an automatic transformation of NL requirements to their conceptual representations; and 3) an approach exploiting the logical formalism of the ontology in order to automatically translate the ontology into a formal specification language called Maude.

La vérification automatique est aujourd'hui devenue un domaine central de recherche en informatique. Depuis plus de 25 ans, une riche théorie a été développée menant à de nombreux outils, à la fois académiques et industriels, permettant la vérification de propriétés booléennes - celles qui peuvent être soit vraies soit fausses. Les besoins actuels évoluent vers une analyse plus fine, c'est-à-dire plus quantitative. L'extension des techniques de vérification aux domaines quantitatifs a débuté depuis 15 ans avec les systèmes probabilistes. Cependant, de nombreuses autres propriétés quantitatives existent, telles que la durée de vie d'un équipement, la consommation énergétique d'une application, la fiabilité d'un programme, ou le nombre de résultats d'une requête dans une base de données. Exprimer ces propriétés requiert de nouveaux langages de spécification, ainsi que des algorithmes vérifiant ces propriétés sur une structure donnée. Cette thèse a pour objectif l'étude de plusieurs formalismes permettant de spécifier de telles propriétés, qu'ils soient dénotationnels - expressions régulières, logiques monadiques ou logiques temporelles - ou davantage opérationnels, comme des automates pondérés, éventuellement étendus avec des jetons. Un premier objectif de ce manuscript est l'étude de résultats d'expressivité comparant ces formalismes. En particulier, on donne des traductions efficaces des formalismes dénotationnels vers celui opérationnel. Ces objets, ainsi que les résultats associés, sont présentés dans un cadre unifié de structures de graphes. Ils peuvent, entre autres, s'appliquer aux mots et arbres finis, aux mots emboîtés (nested words), aux images ou aux traces de Mazurkiewicz. Par conséquent, la vérification de propriétés quantitatives de traces de programmes (potentiellement récursifs, ou concurrents), les requêtes sur des documents XML (modélisant par exemple des bases de données), ou le traitement des langues naturelles sont des applications possibles. On s'intéresse ensuite aux questions algorithmiques que soulèvent naturellement ces résultats, tels que l'évaluation, la satisfaction et le model checking. En particulier, on étudie la décidabilité et la complexité de certains de ces problèmes, en fonction du semi-anneau sous-jacent et des structures considérées (mots, arbres...). Finalement, on considère des restrictions intéressantes des formalismes précédents. Certaines permettent d'étendre l'ensemble des semi-anneau sur lesquels on peut spécifier des propriétés quantitatives. Une autre est dédiée à l'étude du cas spécial de spécifications probabilistes : on étudie en particulier des fragments syntaxiques de nos formalismes génériques de spécification générant uniquement des comportements probabilistes. / Automatic verification has nowadays become a central domain of investigation in computer science. Over 25 years, a rich theory has been developed leading to numerous tools, both in academics and industry, allowing the verification of Boolean properties - those that can be either true or false. Current needs evolve to a finer analysis, a more quantitative one. Extension of verification techniques to quantitative domains has begun 15 years ago with probabilistic systems. However, many other quantitative properties are of interest, such as the lifespan of an equipment, energy consumption of an application, the reliability of a program, or the number of results matching a database query. Expressing these properties requires new specification languages, as well as algorithms checking these properties over a given structure. This thesis aims at investigating several formalisms, equipped with weights, able to specify such properties: denotational ones - like regular expressions, first-order logic with transitive closure, or temporal logics - or more operational ones, like navigating automata, possibly extended with pebbles. A first objective of this thesis is to study expressiveness results comparing these formalisms. In particular, we give efficient translations from denotational formalisms to the operational one. These objects, and the associated results, are presented in a unified framework of graph structures. This permits to handle finite words and trees, nested words, pictures or Mazurkiewicz traces, as special cases. Therefore, possible applications are the verification of quantitative properties of traces of programs (possibly recursive, or concurrent), querying of XML documents (modeling databases for example), or natural language processing. Second, we tackle some of the algorithmic questions that naturally arise in this context, like evaluation, satisfiability and model checking. In particular, we study some decidability and complexity results of these problems depending on the underlying semiring and the structures under consideration (words, trees...). Finally, we consider some interesting restrictions of the previous formalisms. Some permit to extend the class of semirings on which we may specify quantitative properties. Another is dedicated to the special case of probabilistic specifications: in particular, we study syntactic fragments of our generic specification formalisms generating only probabilistic behaviors.