Récemment, le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) a standardisé les systèmes LTE/LTE-A (Long Term Evolution/LTE-Advanced) qui ont été approuvés par l'UIT (Union Internationale des Télécommunications) comme des réseaux de télécommunications mobiles de 4éme génération. La sécurité est l'une des questions essentielles qui doivent être traitées avec soin pour protéger les informations de l'opérateur et des utilisateurs. Aussi, le 3GPP a normalisé plusieurs algorithmes et protocoles afin de sécuriser les communications entre les différentes entités du réseau. Cependant, l'augmentation du niveau de sécurité dans ces systèmes ne devrait pas leur imposer des contraintes lourdes telles qu’une grande complexité de calcul ou encore une forte consommation d'énergie. En effet, l'efficacité énergétique est devenue récemment un besoin critique pour les opérateurs afin de réduire l’empreinte écologique et les coûts opérationnels de ces systèmes. Les services de sécurité dans les réseaux mobiles tels que l'authentification, la confidentialité et l'intégrité des données sont le plus souvent effectués en utilisant des techniques cryptographiques. Toutefois, la plupart des solutions standardisées déjà adoptées par le 3GPP dépendent des algorithmes de chiffrement qui possèdent une grande complexité, induisant une consommation énergétique plus élevée dans les différentes entités communicantes du réseau. La confidentialité des données, qui se réfère principalement au fait de s'assurer que l'information n'est accessible qu'à ceux dont l'accès est autorisé, est réalisée au niveau de la sous-couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) de la pile protocolaire de LTE/LTE-A par l'un des trois algorithmes normalisés (EEA1, EEA2 et EEA3). Or, chacun des trois algorithmes exige une forte complexité de calcul car ils reposent sur la théorie de chiffrement de Shannon qui utilise les fonctions de confusion et de diffusion sur plusieurs itérations. Dans cette thèse, nous proposons un nouvel algorithme de confidentialité en utilisant le concept de substitution et de diffusion dans lequel le niveau de sécurité requis est atteint en un seul tour. Par conséquent, la complexité de calcul est considérablement réduite ce qui entraîne une réduction de la consommation d'énergie par les fonctions de chiffrement et de déchiffrement. De plus, la même approche est utilisée pour réduire la complexité des algorithmes 3GPP d'intégrité des données (EIA1, EIA2 et EIA3) dont le concept de chiffrement repose sur les mêmes fonctions complexes. Enfin, nous étudions dans cette thèse le problème d'authentification dans le contexte du paradigme D2D (Device to Device communications) introduit dans les systèmes 4G. Le concept D2D se réfère à la communication directe entre deux terminaux mobiles sans passer par le cœur du réseau. Il constitue un moyen prometteur pour améliorer les performances et réduire la consommation d'énergie dans les réseaux LTE/LTE-A. Toutefois, l'authentification et la dérivation de clé entre deux terminaux mobiles dans le contexte D2D n’ont pas fait l’objet d’études. Aussi, nous proposons un nouveau protocole léger d’authentification et de dérivation de clé permettant d’authentifier les terminaux D2D et de dériver les clés nécessaires à la fois pour le cryptage et pour la protection de l'intégrité des données. / Recently, the 3rd Group Project Partnership (3GPP) has developed Long Term Evolution/ Long Term Evolution-Advanced (LTE/LTE-A) systems which have been approved by the International Telecommunication Union (ITU) as 4th Generation (4G) mobile telecommunication networks. Security is one of critical issues which should be handled carefully to protect user's and mobile operator's information. Thus, the 3GPP has standardized algorithms and protocols in order to secure the communications between different entities of the mobile network. However, increasing the security level in such networks should not compel heavy constrains on these networks such as complexity and energy. Indeed, energy efficiency has become recently a critical need for mobile network operators for reduced carbon emissions and operational costs. The security services in mobile networks such as authentication, data confidentiality and data integrity are mostly performed using cryptographic techniques.However, most of the standardized solutions already adopted by the3GPP depend on encryption algorithms which possess high computational complexity which in turn contributes in consuming further energy at the different network communication parties.Data confidentiality which mainly refers to the protection of the user’s information privacy is achieved at the Packet Data Convergence Protocol (PDCP) sub-layer in the LTE/LTE-A protocol stack by one of the three standardized algorithms (EEA1, EEA2 and EEA3). However, each of the three algorithms requires high computational complexity since they rely on Shannon’s theory of encryption algorithms by applying confusion and diffusion for several rounds. In our thesis we propose a novel confidentiality algorithm using the concept of substitution and diffusion in which the required security level is attained in only one round. Consequently the computational complexity is considerably reduced which in return results in reducing the energy consumption during both encryption and decryption procedures. Similarly, the same approach is used to reduce the complexity of 3GPP data integrity algorithms (EIA1, EIA2 and EIA3) which the core cipher rely on the same complex functions. Finally, we investigate in this thesis the authentication issue in Device to Device paradigms proposal in 4G systems. Device to Device communications refer to direct communications between two mobile devices without passing through the core network. They constitute a promising mean to increase the performance and reduce energy consumptions in LTE/LTE-A networks. In such context, the authentication and key derivation between two mobile devices have not been well investigated. Thus, a novel lightweight authentication and key derivation protocol is proposed to authenticate two communicating devices during session establishments as well as deriving necessary keys for both data encryption and integrity protection.

L'objectif est de développer un guillochage de photographie inspiré de l'holographie numérique en ligne, capable d'encoder la signature issue d'un hachage robuste de l'image (méthode de Mihçak et Venkatesan). Une telle combinaison peut permettre l'authentification de l'image guillochée dans le domaine numérique, le cas échéant après impression. Cette approche contraint le hachage à être robuste au guillochage. La signature est codée en un nuage de formes que l'on fait virtuellement diffracter pour former la marque à insérer (guilloches dites de Fresnel) dans l'image originale. Image dense, cette marque est insérée de façon peu, voire non visible afin de ne pas gêner la perception du contenu de la photographie mais de façon à pouvoir ultérieurement lire la signature encodée en vue de la comparer à la signature de la photographie à vérifier. L'impression-lecture rend la tâche plus difficile. Le guillochage de Fresnel et l'authentification associée sont testés sur une banque (réduite) d'images

La cryptographie visuelle consiste à partager entre plusieurs " Shadow Images " (SIs) un secret qui ne se révèlera à l'oeil de l'observateur qu'à leur superposition. Depuis les travaux de Naor et Shamir, ce procédé cryptographique a été étendu à Des schémas numériques variés, adaptés à diverses problématiques. En revanche, les travaux concernant son implémentation physique sont peu nombreux à ce jour. Cette thèse est consacrée à l'implémentation de la cryptographie visuelle sur des SIs imprimés en demi-tons en vue de l'authentification de documents. Le SI associé au document peut être imprimé sur support opaque ou transparent, les autres SIs étant imprimés sur films transparents. Nous avons résolu la difficulté de leur superposition par une méthode de Fourier permettant le recalage de la structure quasi-périodique d'un SI. La précision de cette méthode nous a permis de développer un système optique de superposition par projection. On verra que les phénomènes physiques responsables du rendu visuel de SIs superposés sont propices à une protection contre la copie illicite du SI associé à un document. La complexité de ces phénomènes et leur dépendance au type d'impression imposent une modélisation physique pour obtenir un rendu précis. Cette approche nous a conduit à considérer la problématique de la reproduction des couleurs et à développer des modèles spectraux adaptés à la superposition de supports imprimés non diffusants et/ou diffusants, en réflexion et en transmission. La précision de ces modèles prédictifs est tout à fait satisfaisante au regard de celle habituellement obtenue dans le domaine de la reproduction des couleurs. Cela nous a permis d'introduire une approche originale de la cryptographie visuelle par ajustement de couleur (color matching) : une même couleur, à une tolérance près basée sur la vision humaine, est générée par différents demi-tons imprimés sur les supports à superposer. La couleur du message peut ainsi constituer un secret partagé entre les SIs de la même façon que l'est le contenu du message. Chaque SI pris individuellement ne laisse fuir aucune information sur la couleur du message, qui ne sera révélée qu'à leur superposition. Cela peut permettre de prévenir une attaque par falsification du SI associé au document (cheating attack ). De plus, le rendu des couleurs étant très dépendant du système d'impression utilisé, une reproduction fidèle à partir d'un système d'impression différent est difficile. La difficulté peut être encore accrue par l'utilisation de caractéristiques d'impression non standard

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse est consacrée à la description et à l'étude de la sécurité de divers protocoles destinés à faire de l'authentification d'objets physiques à distance à base de comparaison de vecteurs binaires. L'objectif des protocoles proposés est de pouvoir réaliser une authentification en garantissant d'une part que les informations envoyées et reçues par le lecteur n'ont pas été manipulées par un adversaire extérieur et d'autre part sans révéler l'identité de l'objet testé à un tel adversaire, ou même, modulo certaines hypothèses raisonnables, aux composantes du système. Nous nous sommes fixés de plus comme objectif d'utiliser des méthodes de cryptographie sur courbe elliptique pour pouvoir profiter des bonnes propriétés de ces dernières, notamment une sécurité accrue par rapport à la taille des clefs utilisées. Nous présentons plusieurs protocoles atteignant l'objectif et établissons pour presque tous une preuve théorique de leur sécurité, grâce notamment à une nouvelle caractérisation d'une notion standard de sécurité.

Dans de nombreuses applications dont celles du domaine médical et de l’embarqué, l’authentification des images nécessite de prendre en compte les contraintes temporelles, le taux d’insertion, la qualité visuelle et la robustesse contre différentes attaques. Le tatouage a été proposé comme approche complémentaire à la cryptographie pour l’amélioration de la sécurité des images. Il peut être effectué soit dans le domaine spatial sur les pixels de l’image, soit dans le domaine fréquentiel sur les coefficients de sa transformée. Dans cette thèse, le but est de proposer des approches de tatouage permettant d’assurer un niveau élevé d’imperceptibilité et de robustesse, tout en maintenant un niveau de complexité répondant aux exigences d’applications soumises à des contraintes temporelles. La démarche adoptée a consisté, d’une part, à s’appuyer sur les bénéfices du zéro-tatouage (zero-watermarking) qui ne change pas la qualité perceptuelle de l’image et qui a une faible complexité computationnelle, et d’autre part, à analyser les caractéristiques visuelles de l’image afin de détecter les zones les plus adaptées pour insérer la marque avec un bon niveau d’imperceptibilité et une bonne robustesse. Une approche de zéro-tatouage a ainsi été proposée dans cette thèse, ainsi que plusieurs approches de tatouage basées sur l’analyse de caractéristiques visuelles de l’image et sur des techniques d’intelligence artificielles ou connexes.Les solutions proposées ont été analysées du point de vue de l’imperceptibilité, de la robustesse et de la performance temporelle et les résultats d’analyses ont montré qu’elles apportent des améliorations significatives par rapport aux approches existantes. / In numerous applications such as those of medical and embedded domains, images authentication requires taking into account time constraints, embedding rate, perceptual quality and robustness against various attacks. Watermarking has been proposed as a complementary approach to cryptography, for improving the security of digital images. Watermarking can be applied either in the spatial domain on the pixels of the image, or in the frequency domain on the coefficient of its transform.In this thesis, the goal is to propose image watermarking approaches that make it possible to ensure high level of imperceptibility and robustness while maintaining a level of computational complexity fitting the requirements of time-constrained applications. The method adopted in this thesis has consisted, on the one hand, to rely on the benefit of zero-watermarking that does not degrade the perceptual quality of image data and has low computational complexity, and on the other hand, to analyze visual characteristics of digital image (characteristics that are correlated to the Human Visual System - HVS) in order to identify the locations the most adapted for embedding the watermark with good level of imperceptibility and robustness. A zero-watermarking has therefore been proposed in this thesis, as well as several watermarking approaches based on the analysis of visual characteristics of image and on artificial intelligence or related techniques. The proposed solutions have been analyzed with respect to imperceptibility, robustness and temporal performance and the results have shown significant improvements in comparison to existing approaches.

Nous étudions dans cette thèse l'influence d'un système d'authentification utilisant des codes graphiques 2D modifiés lors de l'impression par un procédé physique non-clônable. Un tel procédé part du principe qu'à très haute résolution le système d'impression acquisition peut être modélisé comme un processus stochastique, de part le caractère aléatoire de la disposition des fibres de papiers, de mélange des particules d'encre, de l'adressabilité de l'imprimante ou encore du bruit d'acquisition. Nous considérons un scénario où l'adversaire pourra estimer le code original et essaiera de le reproduire en utilisant son propre système d'impression. La première solution que nous proposons pour arriver à l'authentification est d'utiliser un test d'hypothèse à partir des modèles à priori connus et sans mémoire des canaux d'impression-acquisition de l'imprimeur légitime et du contrefacteur. Dans ce contexte nous proposons une approximation fiable des probabilités d'erreur via l'utilisation de bornes exponentiels et du principe des grandes déviations. Dans un second temps, nous analysons un scénario plus réaliste qui prends en compte une estimation a priori du canal du contrefacteur et nous mesurons l'impact de cette étape sur les performances du système d'authentification. Nous montrons qu'il est possible de calculer la distribution des probabilité de non-détection et d'en extraire par exemple ses performances moyennes. La dernière partie de cette thèse propose d'optimiser, au travers d'un jeu minimax, le canal de l'imprimeur. / We study in this thesis the impact of an authentication system based on 2D graphical codes that are corrupted by a physically unclonable noise such as the one emitted by a printing process. The core of such a system is that a printing process at very high resolution can be seen as a stochastic process and hence produces noise, this is due to the nature of different elements such as the randomness of paper fibers, the physical properties of the ink drop, the dot addressability of the printer, etc. We consider a scenario where the opponent may estimate the original graphical code and tries to reproduce the forged one using his printing process in order to fool the receiver. Our first solution to perform authentication is to use hypothesis testing on the observed memoryless sequences of a printed graphical code considering the assumption that we are able to perfectly model the printing process. The proposed approach arises from error exponent using exponential bounds as a direct application of the large deviation principle. Moreover, when looking for a more practical scenario, we take into account the estimation of the printing process used to generate the graphical code of the opponent, and we see how it impacts the performance of the authentication system. We show that it is both possible to compute the distribution of the probability of non-detection and to compute the average performance of the authentication system when the opponent channel has to be estimated. The last part of this thesis addresses the optimization problem of the printing channel.

Cette thèse a pour objet l'amélioration de la sécurité de systèmes à accès distant par l'utilisation d'outils cryptographiques. Elle s'applique en particulier aux applications de gestion de documents numériques pour leurs problématiques de communication, d'authentification et de gestion de droits. Contrairement aux approches classiques consistant à utiliser des moyens de protections ponctuels, nous proposons ici un ensemble d'outils conçu pour collaborer afin de renforcer la sécurité du système. La sécurisation des communications est réalisée grâce à la conception d'un protocole de communications sécurisée adapté aux applications distribuées. Les problématiques d'authentification ont donné lieu à l'élaboration de solutions permettant d'apporter un support cryptographique pour toutes modalités d'authentification. La gestion des droits fait l'objet d'un développement spécifique permettant d'associer des droits à des applications cryptographiques. Un point clé de ces réflexions est l'importance de l'accessibilité de ces outils de sécurité pour les utilisateurs du système. Cela a influé sur les propositions pour qu'elles perturbent le moins possible l'expérience utilisateur. Le résultat est l'intégration en un système global de différents outils et mécanismes apportant une sécurité complète à un système de gestion de documents numériques. Cette sécurité est basée sur des algorithmes cryptographiques afin de disposer de propriétés de sécurité prouvables et vérifiables. Comme support de ces mécanismes, une plate-forme de sécurité logicielle a été conçu pour fournir les outils cryptographiques de façon portable. / This thesis' goal is the improvement of the security of remotely accessed systems with the use of cryptographic tools. Specifically it is applied to digital documents management software that raise issues in three fields~: communication, authentication and rights management. Unlike common approaches that involve the use of individual protections for these three fields, we offer a set of tools made to work together to improve the system's security. Securing communication is done thanks to a new secure communication protocol designed for distributed applications. Authentication issues led to the development of two tailored solutions providing cryptographic support to the application for any authentication method. Rights management is handled through new associations between a given access right and specific cryptographic applications. A key element of those solutions is the emphasis put on the usability of these secure tools. It swayed the development of our proposals toward more transparent solutions that would not disturb the user experience. As a result, we obtained a secure system made of these tools and mechanisms that work together to provide full and transparent security for a digital documents management software. This security is fully based on cryptographic algorithms to provide provable and verifiable security properties. As a supporting layer for these mechanisms, a secure software library was designed to provide all the required tools for cryptographic uses in a portable way.

Cette thèse aborde différents aspects de la cryptologie, subsumant des champs aussi variés que la conception de protocoles, l’amélioration d’outils algorithmiques et les attaques. Les deux principales focales de cette étude sont : un protocole de co-signature prouvé irréfragable et un système de chiffrement authentifié à sécurité prouvée. Notre protocole de co-signature permet l’équité légale. L’équité légale est une nouvelle variante de la notion d’équité, ne reposant pas sur des tiers. Notre instanciation d’équité légale est construite à l’aide des signatures de Schnorr. Nous présenterons également un protocole d’authentification distribué de type Fiat-Shamir. La deuxième partie de cette thèse est consacrée aux améliorations algorithmiques. Nous introduisons une méthode permettant de doubler la vitesse de l’algorithme de Barrett en utilisant des modules composites spécifiques et un nouvel algorithme de multiplication à retour sur trace, particulièrement adapté aux microprocesseurs bon marché. Nous nous intéresserons ensuite à la sécurité des composants en étudiant la régulation du débit des correcteurs de von Neumann et les attaques en fautes sur des implémentations de cryptographie à courbes elliptiques. Enfin, un des actes novatoires incidents notre travail sera d’adapter aux codes correcteurs d’erreurs deux techniques empruntées à la cryptographie : un premier résultat améliore l’efficacité calculatoire des codes BCH grâce à une version de l’algorithme de Barrett étendue aux polynômes. Le second est un nouveau code correcteur d’erreurs basé sur la théorie des nombres. / This thesis addresses various topics in cryptology, namely protocol design, algorithmic improvements and attacks. In addition, we venture out of cryptography and propose two new applications of cryptographic techniques to error correcting codes. Our main results comprise a provably secure co-signature protocol and a provably secure authenticated encryption scheme. Our co-signature protocol achieves legal fairness, a novel fairness variant that does not rely on third parties. Legal fairness is implemented using Schnorr signatures. We also present a distributed Fiat-Shamir authentication protocol. The second part of the thesis is devoted to computational improvements, we discuss a method for doubling the speed of Barrett’s algorithm by using specific composite moduli, devise new BCH speed-up strategies using polynomial extensions of Barrett’s algorithm, describe a new backtracking-based multiplication algorithm suited for lightweight microprocessors and present a new number theoretic error-correcting code. Fault injection attacks are further overviewed and a new fault attack on ECC implementations is proposed.

L’analyse de visages 3D y compris la reconnaissance des visages et des expressions faciales 3D est devenue un domaine actif de recherche ces dernières années. Plusieurs méthodes ont été développées en utilisant des images 2D pour traiter ces problèmes. Cependant, ces méthodes présentent un certain nombre de limitations dépendantes à l’orientation du visage, à l’éclairage, à l’expression faciale, et aux occultations. Récemment, le développement des capteurs d’acquisition 3D a fait que les données 3D deviennent de plus en plus disponibles. Ces données 3D sont relativement invariables à l’illumination et à la pose, mais elles restent sensibles à la variation de l’expression. L’objectif principal de cette thèse est de proposer de nouvelles techniques de reconnaissance/vérification de visages et de reconnaissance d’expressions faciales 3D. Tout d’abord, une méthode de reconnaissance de visages en utilisant des matrices de covariance comme des descripteurs de régions de visages est proposée. Notre méthode comprend les étapes suivantes : le prétraitement et l’alignement de visages, un échantillonnage uniforme est ensuite appliqué sur la surface faciale pour localiser un ensemble de points de caractéristiques. Autours de chaque point, nous extrayons une matrice de covariance comme un descripteur de région du visage. Deux méthodes d’appariement sont ainsi proposées, et différentes distances (géodésiques / non-géodésique) sont appliquées pour comparer les visages. La méthode proposée est évaluée sur troisbases de visages GAVAB, FRGCv2 et BU-3DFE. Une description hiérarchique en utilisant trois niveaux de covariances est ensuite proposée et validée. La deuxième partie de cette thèse porte sur la reconnaissance des expressions faciales 3D. Pour ce faire, nous avons proposé d’utiliser les matrices de covariances avec les méthodes noyau. Dans cette contribution, nous avons appliqué le noyau de Gauss pour transformer les matrices de covariances en espace d’Hilbert. Cela permet d’utiliser les algorithmes qui sont déjà implémentés pour l’espace Euclidean (i.e. SVM) dans cet espace non-linéaire. Des expérimentations sont alors entreprises sur deux bases d’expressions faciales 3D (BU-3DFE et Bosphorus) pour reconnaître les six expressions faciales prototypiques. / 3D face analysis including 3D face recognition and 3D Facial expression recognition has become a very active area of research in recent years. Various methods using 2D image analysis have been presented to tackle these problems. 2D image-based methods are inherently limited by variability in imaging factors such as illumination and pose. The recent development of 3D acquisition sensors has made 3D data more and more available. Such data is relatively invariant to illumination and pose, but it is still sensitive to expression variation. The principal objective of this thesis is to propose efficient methods for 3D face recognition/verification and 3D facial expression recognition. First, a new covariance based method for 3D face recognition is presented. Our method includes the following steps : first 3D facial surface is preprocessed and aligned. A uniform sampling is then applied to localize a set of feature points, around each point, we extract a matrix as local region descriptor. Two matching strategies are then proposed, and various distances (geodesic and non-geodesic) are applied to compare faces. The proposed method is assessed on three datasetsincluding GAVAB, FRGCv2 and BU-3DFE. A hierarchical description using three levels of covariances is then proposed and validated. In the second part of this thesis, we present an efficient approach for 3D facial expression recognition using kernel methods with covariance matrices. In this contribution, we propose to use Gaussian kernel which maps covariance matrices into a high dimensional Hilbert space. This enables to use conventional algorithms developed for Euclidean valued data such as SVM on such non-linear valued data. The proposed method have been assessed on two known datasets including BU-3DFE and Bosphorus datasets to recognize the six prototypical expressions.