L’émergence d’internet et l’amélioration des infrastructures de com- munication ont considérablement encouragé l’explosion des flux d’in- formations au niveau mondial. Cette évolution a été accompagnée par l’apparition de nouveaux besoins et de nouvelles attentes de la part des consommateurs. Communiquer avec ses proches ou ses collaborateurs, stocker des documents de travail, des fichiers mul- timédia, utiliser des services innovants traitant nos documents per- sonnels, tout cela se traduit immanquablement par le partage, avec des tiers, d’informations potentiellement sensibles. Ces tiers, s’ils ne sont pas de confiance, peuvent réutiliser à notre insu les données sensibles que l’on leur a confiées. Dans ce contexte, le chiffrement homomorphe apporte une bonne solution. Il permet de cacher aux yeux des tiers les données qu’ils sont en train de manipuler. Cependant, à l’heure actuelle, le chif- frement homomorphe reste complexe. Pour faire des opérations sur des données de quelques bits (données en clair), il est nécessaire de manipuler des opérandes sur quelques millions de bits (données chiffrées). Ainsi, une opération normalement simple devient longue en termes de temps de calcul. Dans cette étude, nous avons cherché à rendre le chiffrement ho- momorphe plus pratique en concevant un accélérateur spécifique. Nous nous sommes basés sur une approche de type co-conception logicielle/matérielle utilisant l’algorithme de Karatsuba. En particulier, notre approche est compatible avec le batching, qui permet de sto- cker plusieurs bits d’informations dans un même chiffré. Notre étude démontre que le batching peut être implémenté sans surcoût important comparé à l’approche sans batching, et permet à la fois de réduire les temps de calcul (calculs effectués en parallèle) et de réduire le rapport entre la taille des données chiffrées et des données en clair. / The emergence of internet and the improvement of communica- tion infrastructures have considerably increased the information flow around the world. This development has come with the emergence of new needs and new expectations from consumers. Communicate with family or colleagues, store documents or multimedia files, using innovative services which processes our personal data, all of this im- plies sharing with third parties some potentially sensitive data. If third parties are untrusted, they can manipulate without our agreement data we share with them. In this context, homomorphic encryption can be a good solution. Ho- momorphic encryption can hide to the third parties the data they are processing. However, at this point, homomorphic encryption is still complex. To process a few bits of clear data (cleartext), one needs to manage a few million bits of encrypted data (ciphertext). Thus, a computation which is usually simple becomes very costly in terms of computation time. In this work, we have improved the practicability of homomorphic en- cryption by implementing a specific accelerator. We have followed a software/hardware co-design approach with the help of Karatsuba algorithm. In particular, our approach is compatible with batching, a technique that “packs" several messages into one ciphertext. Our work demonstrates that the batching can be implemented at no important additional cost compared to non-batching approaches, and allows both reducing computation time (operations are processed in parallel) and the ciphertext/cleartext ratio.

L’amélioration de la sécurité des communications et la confidentialité de l’information exige de développer des nouvelles solutions reposant sur diverses stratégies. Une solution de sécurité multicouche pour les systèmes de communication numérique est d’abord explorée en considérant les effets conjoints de sécurité de codage de canal de la couche physique avec la couche d’application de la cryptographie. Nous présentons ensuite des modèles pratiques de codage qui peuvent être utilisés en conjonction avec la cryptographie pour assurer des taux d’erreur importants sur les observations d’un espion sur les données chiffrées, tout en garantissant des communications idéalement sans erreur pour les utilisateurs légitimes. Dans ce mémoire, on présente une étude des techniques de sécurité au niveau de la couche physique récemment proposées dans la littérature. Ces techniques utilisent les codes LDPC avec ensembles d’arrêt permettant de nuire au processus de décodage par un utilisateur non légitime, ou espion, à de faibles taux d’erreur. Ces codes sont très efficaces lorsque le récepteur légitime bénéficie d’un canal de retour authentifié. On s’intéresse également au codage sécuritaire à travers un canal gaussien AWGN. L’objectif est de construire des codes permettant de compromettre le décodage au niveau de l’espion aussitôt que le bruit au niveau du canal d’écoute dépasse un certain seuil. Les techniques utilisées dans ce contexte reposent sur les codes LDPC avec poinçonnage, avec insertion des bits virtuels et avec brouillage. / Improving communications security and confidentiality of information requires the development of new solutions based on various strategies. A multilayer security solution for digital communication systems is first explored by considering the effects of joint security channel coding at the physical layer with cryptography at the application layer. We then present practical coding models that can be used in conjunction with cryptography to ensure high error rate observations for an eavesdropper on encrypted data, while ensuring reliable communications for the legitimate users. In this Master’s thesis, we present a study of security techniques at the physical layer recently proposed in the literature. These techniques use LDPC codes with stopping sets to prevent the decoding of information by the eavesdropper even with the lowest error rates. These codes are very efficient when the legitimate receiver has access to an authenticated feedback channel. The thesis also focuses on secure coding through AWGN Gaussian channels. The goal is to construct codes that prevent proper decoding at the eavesdropper end’s as soon as the noise in the wiretap channel exceeds a certain threshold. The techniques used in this context are based on LDPC codes with puncturing, insertion of dummy bits and scrambling.

Les travaux de cette thèse portent sur les critères de sécurité des<br />algorithmes de chiffrement à clé secrète et ont été menés suivant deux<br />axes. Le premier concerne la sécurité des chiffrements symétriques<br />itératifs par blocs contre les attaques par distingueur sur le dernier<br />tour. Les résultats portent en particulier sur la généralisation d'une<br />attaque différentielle d'ordre supérieur menée sur l'algorithme<br />MISTY1. L'origine de cette attaque ainsi que de sa généralisation a pu<br />être expliquée grâce aux propriétés du spectre de Walsh des fonctions<br />de non-linéarité maximale utilisées. Ainsi il a été possible<br />d'élaborer une attaque générique sur tous les chiffrements de Feistel<br />à cinq tours utilisant des fonctions dont le spectre de Walsh est<br />divisible par une grande puissance de 2 car cette propriété permet<br />d'obtenir une borne supérieure sur le degré de la composition de<br />telles fonctions, nettement plus faible que la borne<br />triviale. Cette attaque suggère ainsi un nouveau critère de sécurité<br />qui porte sur la divisibilité du spectre de Walsh des fonctions de<br />tour utilisées dans les chiffrements itératifs par blocs. La deuxième<br />partie de la thèse porte sur l'étude des fonctions booléennes<br />symétriques, et en particulier sur l'existence éventuelle de<br />propriétés cryptographiques. À partir d'une propriété structurelle de<br />périodicité d'une représentation d'une fonction booléenne symétrique,<br />les propriétés de degré algébrique, d'équilibre, de résilience, de<br />critère de propagation et de non-linéarité ont été étudiées, ce qui a<br />permis d'améliorer les résultats existants. Par ailleurs, le calcul<br />explicite du spectre de Walsh des fonctions booléennes symétriques de<br />degré 2 et 3 a été réalisé, ainsi que la détermination de toutes les<br />fonctions symétriques équilibrées de degré inférieur ou égal à 7,<br />indépendamment du nombre de variables.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La thèse traite de l’utilisation des systèmes hybrides dans le contexte particulier des communications sécurisées et de la cryptographie. Ce travail est motivé par les faits suivants. L’essor considérable des communications qui a marqué ces dernières décennies nécessite des besoins croissants en terme de sécurité des échanges et de protection de l’information. Dans ce contexte, la cryptographie joue un rôle central puisque les informations transitent la plupart du temps au travers de canaux publics. Parmi les nombreuses techniques de chiffrement existants, le chiffrement par flot se distingue tout particulièrement lorsqu’on le débit d’une communication sécurisée est privilégié. Les chiffreurs par flot sont construits à partir de générateurs de séquences complexes décrits par des systèmes dynamiques et devant être synchronisés de part et d’autre du canal d’échanges. Les objectifs et les résultats de ce travail se déclinent en trois points. Tout d’abord, l’intérêt d’utiliser des systèmes hybrides en tant que primitives cryptographiques est motivé. Par la suite, une étude comparative est menée afin d’établir une connexion entre les algorithmes de masquage de l’information basés sur le chaos et les algorithmes de chiffrement usuels. L’étude porte exclusivement sur des considérations structurelles et repose sur des concepts de la théorie du contrôle, en particulier l’inversibilité à gauche et la platitude. On montre que la technique de masquage dite par inclusion, qui consiste à injecter l’information à protéger dans une dynamique complexe, est la plus efficace. De plus, on montre que sous la condition de platitude, un système de masquage par inclusion est structurellement équivalent à un chiffreur par flot particulier appelé auto-synchronisant. Enfin, des méthodes de cryptanalyse pour évaluer la sécurité du masquage par inclusion sont proposées pour une classe particulières de systèmes hybrides à savoir les systèmes linéaires à commutations. A nouveau, des concepts de la théorie du contrôle sont utilisés, il s’agit de l’identifiabilité paramétrique et des algorithmes d’identification. Des spécificités relatives au contexte particulier de la cryptographie sont prises en compte. En effet, contrairement à la plupart des cas rencontrés dans le domaine du contrôle où les variables des modèles dynamiques sont continues car relatives à des systèmes physiques, les variables prennent ici des valeurs discrètes. Les modèles dynamiques sont en effet décrits non plus dans le corps des réels mais dans des corps finis en vue d’une implémentation sur des machines à états finis tels ordinateur ou tout autre dispositif numérique / This manuscript deals with a specific engineering application involving hybrid dynamical systems : secure communications and cryptography. The work is motivated by the following facts. The considerable progress in communication technology during the last decades has led to an increasing need for security in information exchanges. In this context, cryptography plays a major role as information is mostly conveyed through public networks. Among a wide variety of cryptographic techniques, stream ciphers are of special interest for high speed encryption. They are mainly based on generators of complex sequences in the form of dynamical systems, which must be synchronized at the transmitter and receiver sides. The aim of this work is threefold. First, the interest of resorting to hybrid dynamical systems for the design of cryptographic primitives is motivated. Secondly, a connection between chaotic and conventional cryptography is brought out by comparing the respective algorithms proposed in the open literature. The investigation focuses on structural consideration. Control theoretical concepts, in particular left invertibility and flatness, are the central tools to this end. It is shown that the so-called message-embedding technique, consisting in injecting the information to be concealed into a dynamical system, is the most relevant technique. Furthermore, it is shown that, under the flatness condition, the resulting cipher acts as a self-synchronizing stream cipher. Finally, cryptanalytic methodologies for assessing the security of the message-embedded cryptosystem involving a special class of hybrid systems, namely the switched linear systems, are proposed. Again concepts borrowed from control theory, namely identifiability and identification, are considered. Specificities related to the context are taken into account. The variables describing the dynamical systems do not take values in a continuum unlike what usually happens in automatic control when physical models are considered. They rather take values in finite cardinality sets, especially finite fields, since an implementation in finite state machines, say computers or digital electronic devices, is expected

Craig Gentry a proposé en 2009 le premier schéma de chiffrement complétement homomorphe. Depuis, un effort conséquent a été, et est toujours, fourni par la communauté scientifique pour rendre utilisable ce nouveau type de cryptographie. Son côté révolutionnaire tient au fait qu'il permet d'effectuer des traitements directement sur des données chiffrées (sans que l’entité réalisant les traitements ait besoin de les déchiffrer). Plusieurs pistes se sont développées en parallèle, explorant d'un côté des schémas complétement homomorphes, plus flexibles entermes d'applications mais plus contraignants en termes de taille de données ou en coût de calcul, et de l'autre côté des schémas quelque peu homomorphes, moins flexibles mais aussi moins coûteux. Cette thèse, réalisée au sein de la chaire de cyberdéfense des systèmes navals, s’inscrit dans cette dynamique. Nous avons endossé divers rôles. Tout d’abord un rôle d'attaquant pour éprouver la sécurité des hypothèses sous-jacentes aux propositions. Ensuite, nous avons effectué un état de l’art comparatif des schémas quelque peu homomorphes les plus prometteurs afin d'identifier le(s) meilleur(s) selon les cas d’usages, et de donner des conseils dans le choix des paramètres influant sur leur niveau de sécurité, la taille des données chiffrées et le coût algorithmique des calculs. Enfin, nous avons endossé le rôle du concepteur en proposant un nouveau schéma complétement homomorphe performant, ainsi que son implémentation mise à disposition sur github. / Craig Gentry presented in 2009 the first fully homomorphic encryption scheme. Since then, a tremendous effort has been, and still is, dedicated by the cryptographic community to make practical this new kind of cryptography. It is revolutionnary because it enables direct computation on encrypted data (without the need for the computing entity to decrypt them). Several trends have been developed in parallel, exploring on one side fully homomorphic encryption schemes, more versatile for applications but more costly in terms of time and memory. On the other side, the somewhat homomorphic encryption schemes are less flexible but more efficient. This thesis, achieved within the Chair of Naval Cyber Defence, contributes to these trends. We have endorsed different roles. First, an attacker position to assess the hardness of the security assumptions of the proposals. Then, we conducted a state-of-the-art of the most promising schemes in order to identify the best(s) depending on the use-cases and to give precise advice to appropriately set the parameters that drive security level, ciphertext sizes and computation costs. Last, we endorsed a designer role. We proposed a new powerful fully homomorphic encryption scheme together with its open-source implementation, available on github.

Le chiffrement homomorphe est un système de cryptographie permettant la manipulation de données chiffrées. Cette propriété offre à un utilisateur la possibilité de déléguer des traitements sur ses données privées, à un tiers non fiable sur un serveur distant, sans perte de confidentialité.Bien que les recherches sur l'homomorphe soient, à ce jour, encore récentes, de nombreux schémas de chiffrement ont été mis au point. Néanmoins, ces schémas souffrent de quelques inconvénients, notamment, de temps d'exécution particulièrement longs et de coûts mémoire importants. Ces limitations rendent difficile la comparaison des schémas afin de déterminer lequel serait le plus adapté pour une application donnée, c’est-à-dire le moins coûteux en temps et en mémoire.Ce manuscrit présente PAnTHErS, un outil rassemblant plusieurs fonctionnalités permettant de répondre à la problématique citée ci-dessus. Dans l'outil PAnTHErS, les schémas de chiffrement homomorphe sont tout d'abord représentés dans un format commun grâce à une méthode de modélisation. Puis, une analyse théorique estime, dans le pire cas, la complexité algorithmique et le coût mémoire de ces schémas en fonction des paramètres d’entrée fournis. Enfin, une phase de calibration permet la conversion des analyses théoriques en résultats concrets : la complexité algorithmique est convertie en un temps d'exécution estimé en secondes et le coût mémoire en une consommation estimée en mébioctets.Toutes ces fonctionnalités associées ont permis la réalisation d’un module d'exploration qui, à partir d'une application, sélectionne les schémas ainsi que les paramètres d'entrée associés produisant des temps d'exécution et coûts mémoire proches de l'optimal. / Homomorphic encryption (HE) is a cryptographic system allowing to manipulate encrypted data. This property enables a user to delegate treatments on private data to an untrusted third person on a distant server, without loss of confidentiality.Even if current researches in HE domain are still young, numerous HE schemes have been created. Nevertheless, those schemes suffer from some drawbacks, especially, from too long execution times and important memory costs. These restrictions make difficult to compare schemes in order to define which one is the most appropriate for a given application, i. e. the less expensive in terms of time and memory.This thesis presents PAnTHErS, a tool gathering several features to answer to the previous problem. In the tool PAnTHErS, homomorphic encryption schemes are first represented into a common structure thanks to a modeling method. Then, a theoretical analysis evaluates, in the worst case, computational complexity and memory consumption of those schemes according to given input parameters. Finally, a calibration phase enables conversion of theoretical analysis into concrete results: computational complexity is converted into an estimated execution time in seconds and memory cost into an estimated consumption in mebibytes.These gathered features allowed the creation of an exploration method which, from an application, selects best schemes and associated input parameters that implies close to optimal execution times and memory costs.

La thèse traite de l'utilisation des systèmes hybrides dans le contexte particulier des communications sécurisées et de la cryptographie. Ce travail est motivé par les faits suivants. L'essor considérable des communications qui a marqué ces dernières décennies nécessite des besoins croissants en terme de sécurité des échanges et de protection de l'information. Dans ce contexte, la cryptographie joue un rôle central puisque les informations transitent la plupart du temps au travers de canaux publics. Parmi les nombreuses techniques de chiffrement existants, le chiffrement par flot se distingue tout particulièrement lorsqu'on le débit d'une communication sécurisée est privilégié. Les chiffreurs par flot sont construits à partir de générateurs de séquences complexes décrits par des systèmes dynamiques et devant être synchronisés de part et d'autre du canal d'échanges. Les objectifs et les résultats de ce travail se déclinent en trois points. Tout d'abord, l'intérêt d'utiliser des systèmes hybrides en tant que primitives cryptographiques est motivé. Par la suite, une étude comparative est menée afin d'établir une connexion entre les algorithmes de masquage de l'information basés sur le chaos et les algorithmes de chiffrement usuels. L'étude porte exclusivement sur des considérations structurelles et repose sur des concepts de la théorie du contrôle, en particulier l'inversibilité à gauche et la platitude. On montre que la technique de masquage dite par inclusion, qui consiste à injecter l'information à protéger dans une dynamique complexe, est la plus efficace. De plus, on montre que sous la condition de platitude, un système de masquage par inclusion est structurellement équivalent à un chiffreur par flot particulier appelé auto-synchronisant. Enfin, des méthodes de cryptanalyse pour évaluer la sécurité du masquage par inclusion sont proposées pour une classe particulières de systèmes hybrides à savoir les systèmes linéaires à commutations. A nouveau, des concepts de la théorie du contrôle sont utilisés, il s'agit de l'identifiabilité paramétrique et des algorithmes d'identification. Des spécificités relatives au contexte particulier de la cryptographie sont prises en compte. En effet, contrairement à la plupart des cas rencontrés dans le domaine du contrôle où les variables des modèles dynamiques sont continues car relatives à des systèmes physiques, les variables prennent ici des valeurs discrètes. Les modèles dynamiques sont en effet décrits non plus dans le corps des réels mais dans des corps finis en vue d'une implémentation sur des machines à états finis tels ordinateur ou tout autre dispositif numérique.

La thèse traite de l'utilisation des systèmes hybrides dans le contexte particulier des communications sécurisées et de la cryptographie. Ce travail est motivé par les faits suivants. L'essor considérable des communications qui a marqué ces dernières décennies nécessite des besoins croissants en terme de sécurité des échanges et de protection de l'information. Dans ce contexte, la cryptographie joue un rôle central puisque les informations transitent la plupart du temps au travers de canaux publics. Parmi les nombreuses techniques de chiffrement existants, le chiffrement par flot se distingue tout particulièrement lorsqu'on le débit d'une communication sécurisée est privilégié. Les chiffreurs par flot sont construits à partir de générateurs de séquences complexes décrits par des systèmes dynamiques et devant être synchronisés de part et d'autre du canal d'échanges. Les objectifs et les résultats de ce travail se déclinent en trois points. Tout d'abord, l'intérêt d'utiliser des systèmes hybrides en tant que primitives cryptographiques est motivé. Par la suite, une étude comparative est menée afin d'établir une connexion entre les algorithmes de masquage de l'information basés sur le chaos et les algorithmes de chiffrement usuels. L'étude porte exclusivement sur des considérations structurelles et repose sur des concepts de la théorie du contrôle, en particulier l'inversibilité à gauche et la platitude. On montre que la technique de masquage dite par inclusion, qui consiste à injecter l'information à protéger dans une dynamique complexe, est la plus efficace. De plus, on montre que sous la condition de platitude, un système de masquage par inclusion est structurellement équivalent à un chiffreur par flot particulier appelé auto-synchronisant. Enfin, des méthodes de cryptanalyse pour évaluer la sécurité du masquage par inclusion sont proposées pour une classe particulières de systèmes hybrides à savoir les systèmes linéaires à commutations. A nouveau, des concepts de la théorie du contrôle sont utilisés, il s'agit de l'identifiabilité paramétrique et des algorithmes d'identification. Des spécificités relatives au contexte particulier de la cryptographie sont prises en compte. En effet, contrairement à la plupart des cas rencontrés dans le domaine du contrôle où les variables des modèles dynamiques sont continues car relatives à des systèmes physiques, les variables prennent ici des valeurs discrètes. Les modèles dynamiques sont en effet décrits non plus dans le corps des réels mais dans des corps finis en vue d'une implémentation sur des machines à états finis tels ordinateur ou tout autre dispositif numérique.

" [...] Puis, l'on ferra des récepteurs de télévision bijoux, comme il y a des postes de TSF bijoux. Des postes de poches, grands comme une lampe électrique. Plus besoin d'acheter un journal, l'on se branchera sur l'émission d'information, ou sur l'éditorial politique, ou sur la chronique de mode, ou sur le compte rendu sportif. Voir même sur un problème de mots croisés. Et la rue présentera un singulier spectacle. " R. Barjavel, " La télévision, oeil de demain ", 1947. C'est ainsi que l'auteur de romans de science fiction et d'anticipation René Barjavel, avait prédit dés la fin des années 40 l'avènement de ce que nous connaissons sous le nom de smartphones. Drôle de scène, en effet, que de voir des individus déambuler dans les rues, les yeux rivés sur l'objet au creux de leur main. Pour le meilleur et pour le pire, l'avènement de la mise en réseau à l'échelle mondiale a rendu les systèmes embarqués omniprésents dans notre quotidien. Désormais dans le nuage, le nombre d'information personnel en transit et les vitesses de transfert toujours plus importants, imposent une sécurité adéquate. Cependant, le coût en général associé est économiquement dissuasif. Proposer des solutions de sécurité ad-hoc pour ces systèmes restreints en ressources, est le propos de nos travaux. S'appuyant sur des techniques à la fois anciennes et récentes, nous montrons que le couple embarqué/sécurité peut s'accorder, et éviter ainsi, une inévitable procédure de divorce.