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La cryptographie à base de réseaux euclidiens est aujourd'hui un domaine scientifique en pleine expansion et connait une évolution rapide et accélérée par l'attractivité du chiffrement complètement homomorphe ou des applications multilinéaires cryptographiques. Ses propriétés sont très attractives : une sécurité pouvant être réduite à la difficulté des pires cas de problèmes sur les réseaux euclidiens, une efficacité asymptotique quasi-optimale et une résistance présupposée aux ordinateurs quantiques. Cependant, on dénombre encore peu de résultats de recherche sur les constructions à visée pratique pour un niveau de sécurité fixé. Cette thèse s'inscrit dans cette direction et travaille à réduire l'écart entre la théorie et la pratique de la cryptographie à clé publique récente. Dans cette thèse, nous concevons et implémentons une signature numérique basée sur les réseaux euclidiens, deux schémas de chiffrement complètement homomorphe et des applications multilinéaires cryptographiques. Notre signature digitale ultra-performante, BLISS, ouvre la voie à la mise en pratique de la cryptographie à base de réseaux sur petites architectures et est un candidat sérieux à la cryptographie post-quantique. Nos schémas de chiffrement complètement homomorphes permettent d'évaluer des circuits non triviaux de manière compétitive. Finalement, nous proposons la première implémentation d'applications multilinéaires et réalisons, pour la première fois, un échange de clé non interactif entre plus de trois participants en quelques secondes.

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Une des avancées les plus notables de ces dernières années en cryptographie est sans contredit l’introduction du premier schéma de chiffrement complètement homomorphe par Craig Gentry. Ce type de système permet de réaliser des calculs arbitraires sur des données chiffrées, sans les déchiffrer. Cette particularité permet de répondre aux exigences de sécurité et de protection des données, par exemple dans le cadre en plein développement de l'informatique en nuage et de l'internet des objets. Les algorithmes mis en œuvre sont actuellement très coûteux en temps de calcul, et généralement implantés sous forme logicielle. Les travaux de cette thèse portent sur l’accélération matérielle de schémas de chiffrement homomorphes. Une étude des primitives utilisées par ces schémas et la possibilité de leur implantation matérielle est présentée. Ensuite, une nouvelle approche permettant l’implantation des deux fonctions les plus coûteuses est proposée. Notre approche exploite les capacités offertes par la synthèse de haut niveau. Elle a la particularité d’être très flexible et générique et permet de traiter des opérandes de tailles arbitraires très grandes. Cette particularité lui permet de viser un large domaine d’applications et lui autorise d’appliquer des optimisations telles que le batching. Les performances de notre architecture de type co-conception ont été évaluées sur l’un des cryptosystèmes homomorphes les plus récents et les plus efficaces. Notre approche peut être adaptée aux autres schémas homomorphes ou plus généralement dans le cadre de la cryptographie à base de réseaux. / One of the most significant advances in cryptography in recent years is certainly the introduction of the first fully homomorphic encryption scheme by Craig Gentry. This type of cryptosystem allows performing arbitrarily complex computations on encrypted data, without decrypting it. This particularity allows meeting the requirements of security and data protection, for example in the context of the rapid development of cloud computing and the internet of things. The algorithms implemented are currently very time-consuming, and most of them are implemented in software. This thesis deals with the hardware acceleration of homomorphic encryption schemes. A study of the primitives used by these schemes and the possibility of their hardware implementation is presented. Then, a new approach allowing the implementation of the two most expensive functions is proposed. Our approach exploits the high-level synthesis. It has the particularity of being very flexible and generic and makes possible to process operands of arbitrary large sizes. This feature allows it to target a wide range of applications and to apply optimizations such as batching. The performance of our co-design was evaluated on one of the most recent and efficient homomorphic cryptosystems. It can be adapted to other homomorphic schemes or, more generally, in the context of lattice-based cryptography.

Dans cette thèse nous étudions les possibilités que les chiffrements basés sur l’identité offrent quand ils sont utilisés dans un but différent qu’un simple chiffrement. Nous avons pu généraliser différents types de chiffrement basés sur l’identité en une nouvelle primitive nommé Downgradable Identity-based Encryption (DIBE). Nous avons trouvé un moyen générique de transformer de simple IBE en des IBE en blanc, dans le cas où l’IBE est affine nous rendons le coût de communication très faible (de linéaire à logarithmique). Ces deux primitives ont donné lieux à différentes applications : les chiffrements basés sur les attributs pour la première et le transfère inconscient pour la deuxième. Une autre application est l’utilisation d’IBE hiérarchiques pour créer des signatures à vérifieur désigné basées sur l’identité. Ensuite nous avons regardé le transfère inconscient seul et avons réussi à le généraliser en un nouveau protocole nommé Oblivious Language-based Envelope. Finalement, nous avons construit une transformation d’un protocole à un autre, d’un échange authentifié de clés par mot de passe nous avons construit un transfère inconscient. En prenant une instanciation particulière nous obtenons un protocole plus efficace que tous les précédents pour le même niveau de sécurité. La primitive chiffrement basé sur l’identité est notre outil principal pour réaliser nos constructions. Nous avons donc besoin d’une instanciation efficace de cette primitive. Nous avons utilisé celle de Blazy Kiltz et Pan à CRYPTO’14 qui est très efficace mais possède aussi une structure particulière dite affine. / During this Thesis we investigated the possibilities that Identity-based Encryption offers when used out of their original purpose. We managed to generalize a whole class of different identity-based encryption schemes into Downgradable Identity-based Encryptions. We found a generic way to construct Blind Identity-based Encryptions. These two works leads both to applications that are not a priori linked with IBE: Attribute-based Encryption from Downgradable IBE and Oblivious Transfer for Blind IBE, in the case of Affine IBE we manage to reduce the communication cost from a linear to logarithmic. As application we also find a way to use Hierarchical IBE to construct a special type of signature called Identity-based Designated Verifier Signature. We continue the research out of the context of IBE's application with Oblivious Transfer. We manage to generalize the concept of Oblivious Transfer into a new protocol called Oblivious Language-based Envelope encompassing many kind of protocols. Finally, in the image of the whole Thesis we construct Oblivious Transfer with a very different primitive called Password Authenticated Key Exchange. Surprisingly, with some optimizations this last transformation leads to a very efficient Oblivious Transfer Protocol. The Identity-based Encryption is our main basis of work, thus efficient instantiations of this primitive were the key of our own efficiency, thus we used the instanciation from the paper of Blazy et als at crypto 2014 which is efficient, tight secure and affine.

Dans cette thèse, nous étudions les constructions cryptographiques prouvées pour la protection de la vie privée. Pour cela nous nous sommes intéressés aux preuves et arguments à divulgation nulles de connaissance et leurs applications. Un exemple de ces constructions est la signature de groupe. Ce protocole a pour but de permettre à un utilisateur de s'authentifier comme appartenant à un groupe, sans révéler son identité. Afin que les utilisateurs restent responsable de leurs agissements, une autorité indépendante est capable de lever l'anonymat d'un utilisateur en cas de litige. Une telle construction peut ainsi être utilisée, par exemple, dans les systèmes de transport en commun. Un utilisateur qui rentre dans un bus prouve ainsi son appartenance aux utilisateurs possédant un abonnement valide, sans révéler qui il est, et évitant ainsi que la société de transport ne le trace. En revanche, en cas d'incident sur le réseau, la société peut faire appel à la police pour lever l'anonymat des usagers présents au moment de l'incident. Nous avons proposé deux constructions de ces signatures de groupe, prouvées sûres sous des hypothèses simples dans le monde des couplages et des réseaux euclidiens. Dans la continuité de ces travaux, nous avons aussi proposé la première construction de chiffrement de groupe (l'équivalent de la signature de groupe pour le chiffrement) à base de réseaux euclidiens. Finalement, ces travaux nous ont amené à la construction d'un schéma de transfert inconscient adaptatif avec contrôle d'accès à base de réseaux euclidiens. Ces constructions à base de réseaux ont été rendues possibles par des améliorations successives de l'expressivité du protocole de Stern, qui reposait initialement sur la difficulté du problème du décodage de syndrome. / In this thesis, we study provably secure privacy-preserving cryptographic constructions.We focus on zero-knowledge proofs and their applications.Group signatures are an example of such constructions.This primitive allows users to sign messages on behalf of a group (which they formerly joined), while remaining anonymous inside this group.Additionally, users remain accountable for their actions as another independent authority, a judge, is empowered with a secret information to lift the anonymity of any given signature.This construction has applications in anonymous access control, such as public transportations.Whenever someone enters a public transportation, he signs a timestamp. Doing this proves that he belongs to the group of people with a valid subscription.In case of problem, the transportation company hands the record of suspicious signatures to the police, which is able to un-anonymize them.We propose two constructions of group signatures for dynamically growing groups. The first is based on pairing-related assumptions and is fairly practical. The second construction is proven secure under lattice assumptions for the sake of not putting all eggs in the same basket.Following the same spirit, we also propose two constructions for privacy-preserving cryptography.The first one is a group encryption scheme, which is the encryption analogue of group signatures. Here, the goal is to hide the recipient of a ciphertext who belongs to a group, while proving some properties on the message, like the absence of malwares. The second is an adaptive oblivious transfer protocol, which allows a user to anonymously query an encrypted database, while keeping the unrequested messages hidden.These constructions were made possible through a series of work improving the expressiveness of Stern's protocol, which was originally based on the syndrome decoding problem.

Le sujet de la classification de trafic r´eseau est d’une grande importance pourla planification de r´eseau efficace, la gestion de trafic `a base de r`egles, la gestionde priorit´e d’applications et le contrˆole de s´ecurit´e. Bien qu’il ait re¸cu une atten-tion consid´erable dans le milieu de la recherche, ce th`eme laisse encore de nom-breuses questions en suspens comme, par exemple, les m´ethodes de classificationdes flux de trafics chiffr´es. Cette th`ese est compos´ee de quatre parties. La premi`erepr´esente quelques aspects th´eoriques li´es `a la classification de trafic et `a la d´etec-tion d’intrusion. Les trois parties suivantes traitent des probl`emes sp´ecifiques declassification et proposent des solutions pr´ecises.Dans la deuxi`eme partie, nous proposons une m´ethode d’´echantillonnage pr´ecisepour d´etecter les attaques de type ”SYN flooding”et ”portscan”. Le syst`eme examineles segments TCP pour trouver au moins un des multiples segments ACK provenantdu serveur. La m´ethode est simple et ´evolutive, car elle permet d’obtenir unebonne d´etection avec un taux de faux positif proche de z´ero, mˆeme pour des tauxd’´echantillonnage tr`es faibles. Nos simulations bas´ees sur des traces montrent quel’efficacit´e du syst`eme propos´e repose uniquement sur le taux d’´echantillonnage,ind´ependamment de la m´ethode d’´echantillonnage.Dans la troisi`eme partie, nous consid´erons le probl`eme de la d´etection et de laclassification du trafic de Skype et de ses flux de services tels que les appels vocaux,SkypeOut, les vid´eo-conf´erences, les messages instantan´es ou le t´el´echargement defichiers. Nous proposons une m´ethode de classification pour le trafic Skype chiffr´ebas´e sur le protocole d’identification statistique (SPID) qui analyse les valeurs statis-tiques de certains attributs du trafic r´eseau. Nous avons ´evalu´e notre m´ethode surun ensemble de donn´ees montrant d’excellentes performances en termes de pr´eci-sion et de rappel. La derni`ere partie d´efinit un cadre fond´e sur deux m´ethodescompl´ementaires pour la classification des flux applicatifs chiffr´es avec TLS/SSL.La premi`ere mod´elise des ´etats de session TLS/SSL par une chaˆıne de Markov ho-mog`ene d’ordre 1. Les param`etres du mod`ele de Markov pour chaque applicationconsid´er´ee diff`erent beaucoup, ce qui est le fondement de la discrimination entreles applications. La seconde m´ethode de classification estime l’´ecart d’horodatagedu message Server Hello du protocole TLS/SSL et l’instant d’arriv´ee du paquet.Elle am´eliore la pr´ecision de classification des applications et permet l’identificationviiefficace des flux Skype. Nous combinons les m´ethodes en utilisant une ClassificationNaive Bay´esienne (NBC). Nous validons la proposition avec des exp´erimentationssur trois s´eries de donn´ees r´ecentes. Nous appliquons nos m´ethodes `a la classificationde sept applications populaires utilisant TLS/SSL pour la s´ecurit´e. Les r´esultatsmontrent une tr`es bonne performance. / The subject of traffic classification is of great importance for effective networkplanning, policy-based traffic management, application prioritization, and securitycontrol. Although it has received substantial attention in the research communitythere are still many unresolved issues, for example how to classify encrypted trafficflows. This thesis is composed of four parts. The first part presents some theoreticalaspects related to traffic classification and intrusion detection, while in the followingthree parts we tackle specific classification problems and propose accurate solutions.In the second part, we propose an accurate sampling scheme for detecting SYNflooding attacks as well as TCP portscan activity. The scheme examines TCPsegments to find at least one of multiple ACK segments coming from the server.The method is simple and scalable, because it achieves a good detection with aFalse Positive Rate close to zero even for very low sampling rates. Our trace-basedsimulations show that the effectiveness of the proposed scheme only relies on thesampling rate regardless of the sampling method.In the third part, we consider the problem of detecting Skype traffic and classi-fying Skype service flows such as voice calls, skypeOut, video conferences, chat, fileupload and download. We propose a classification method for Skype encrypted traf-fic based on the Statistical Protocol IDentification (SPID) that analyzes statisticalvalues of some traffic attributes. We have evaluated our method on a representativedataset to show excellent performance in terms of Precision and Recall.The last part defines a framework based on two complementary methods for clas-sifying application flows encrypted with TLS/SSL. The first one models TLS/SSLsession states as a first-order homogeneous Markov chain. The parameters of theMarkov models for each considered application differ a lot, which is the basis foraccurate discrimination between applications. The second classifier considers thedeviation between the timestamp in the TLS/SSL Server Hello message and thepacket arrival time. It improves the accuracy of application classification and al-lows efficient identification of Skype flows. We combine the methods using a NaiveBayes Classifier (NBC).We validate the framework with experiments on three recentdatasets—we apply our methods to the classification of seven popular applicationsthat use TLS/SSL for security. The results show a very good performance.

Cette thèse porte sur les liens entre les codes correcteurs d'erreurs et les matrices de diffusion linéaires utilisées en cryptographie symétrique. L'objectif est d'étudier les constructions possibles de codes MDS additifs définis sur le groupe (Fm2, +) des m-uplets binaires et de minimiser le coût de l'implémentation matérielle ou logicielles de ces matrices de diffusion. Cette thèse commence par l'étude des codes définis sur un anneau de polynômes du type F[x]/f(x), qui généralisent les codes quasi-cycliques. Elle se poursuit par l'étude des codes additifs systématiques définis sur (Fm2, +) et leur lien avec la diffusion linéaire en cryptographie symétrique. Un point important de la thèse est l'introduction de codes à coefficient dans l'anneau des endomorphismes de Fm2. Le lien entre les codes qui sont des sous-modules à gauche et les codes additifs est mis en évidence. La dernière partie porte sur l'étude et la construction de matrices de diffusion MDS ayant de bonnes propriétés pour la cryptographie, à savoir les matrices circulantes, les matrices dyadiques, ainsi que les matrices ayant des représentations creuses minimisant leur implémentation. / This PhD focuses on the links between error correcting codes and diffusion matrices used in cryptography symmetric. The goal is to study the possible construction of additives MDS codes defined over the group (Fm2, +) of binary m-tuples and minimize cost of hardware or software implementation of these diffusion matrices. This thesis begins with the study of codes defined over the polynomial ring F[x]/f(x), these codes are a generalization of quasi-cyclic codes, and continues with the study of additive systematic codes over (Fm2, +) and there relation with linear diffusion on symmetric cryptography. An important point of this thesis is the introduction of codes with coefficients in the ring of endomorphisms of Fm2. The link between codes which are a left-submodules and additive codes have been identified. The last part focuses on the study and construction of efficient diffusion MDS matrices for the cryptographic applications, namely the circulantes matrices, dyadic matrices, and matrices with hollow representation, in ordre to minimize their implementations.

Cette thèse présente des résultats appartenant aux trois thèmes fondamentaux de la cryptographie à clé publique : l’intégrité, l’authentification et la confidentialité. Au sein de chaque thème nous concevons des nouvelles primitives et améliorons des primitives existantes. Le premier chapitre, dédié à l’intégrité, introduit une preuve non-interactive de génération appropriée de clés publiques RSA et un protocole de co-signature dans lequel tout irrespect de l’équité laisse automatiquement la partie lésée en possession d’une preuve de culpabilité incriminant la partie tricheuse. Le second chapitre, ayant pour sujet l’authentification, montre comme une mesure de temps permet de raccourcir les engagements dans des preuves à divulgation nulle et comment des biais, introduits à dessin dans le défi, permettent d’accroitre l’efficacité de protocoles. Ce chapitre généralise également le protocole de Fiat-Shamir à plusieurs prouveurs et décrit une fraude très sophistiquée de cartes-à-puce illustrant les dangers de protocoles d’authentification mal-conçus. Au troisième chapitre nous nous intéressons à la confidentialité. Nous y proposons un cryptosystème à clé publique où les hypothèses de complexité traditionnelles sont remplacées par un raffinement du concept de CAPTCHA et nous explorons l’application du chiffrement-pot-de-miel au langage naturel. Nos dernières contributions concernent le chiffrement basé sur l’identité (IBE). Nous montrerons comment ajouter des fonctions d’émission à l’IBE hiérarchique et comment l’IBE permet de réduire la fenêtre temporelle de risque lors de la diffusion de mises à jour logicielles. / This thesis presents new results in three fundamental areas of public-key cryptography: integrity, authentication and confidentiality. In each case we design new primitives or improve the features of existing ones. The first chapter, dealing with integrity, introduces a non-interactive proof for proper RSA public key generation and a contract co-signature protocol in which a breach in fairness provides the victim with transferable evidence against the cheater. The second chapter, focusing on authentication, shows how to use time measurements to shorten zeroknowledge commitments and how to exploit bias in zero-knowledge challenges to gain efficiency. This chapter also generalizes Fiat-Shamir into a one-to-many protocol and describes a very sophisticated smart card fraud illustrating what can happen when authentication protocols are wrongly designed. The third chapter is devoted to confidentiality. We propose public-key cryptosystems where traditional hardness assumptions are replaced by refinements of the CAPTCHA concept and explore the adaptation of honey encryption to natural language messages. Our final contributions focus on identity-based encryption (IBE) showing how to add broadcast features to hierarchical IBE and how to use IBE to reduce vulnerability exposure time of during software patch broadcast.

Le chiffrement fonctionnel est une technique émergente en cryptographie dans laquelle une autorité toute puissante est capable de distribuer des clés permettant d’effectuer des calculs sur des données chiffrées de manière contrôlée. La mode dans ce domaine est de construire des schémas qui sont aussi expressifs que possible, c’est-à-dire du chiffrement fonctionnel qui permet l’évaluation de n’importe quel circuit. Ces contributions délaissent souvent l’efficacité ainsi que la sécurité. Elles reposent sur des hypothèses fortes, très peu étudiées, et aucune construction n’est proche d’être pratique. Le but de cette thèse est d’attaquer ce défi sous un autre angle : nous essayons de construire des schémas de chiffrement fonctionnel les plus expressifs que nous le pouvons en se basant sur des hypothèses standards, tout en conservant la simplicité et l’efficacité des constructions. C’est pourquoi nous introduisons la notion de chiffrement fonctionnel pour l’évaluation de produits scalaires, où les messages sont des vecteurs ~x, et l’autorité peut transmettre des clés correspondants à des vecteurs ~y qui permettent l’évaluation du produit scalaire h~x, ~yi. Cette fonctionnalité possède immédiatement des applications directes, et peut aussi être utilisé dans d’autres constructions plus théoriques, leproduit scalaire étant une opération couramment utilisée. Enfin, nous présentons deux structures génériques pour construire des schémas de chiffrement fonctionnels pour le produit scalaire, ainsi que des instanciations concrètes dont la sécurité repose sur des hypothèses standards. Nous comparons aussi les avantages et inconvénients de chacune d’entre elles. / Functional encryption is an emerging framework in which a master authority can distribute keys that allow some computation over encrypted data in a controlled manner. The trend on this topic is to try to build schemes that are as expressive possible, i.e., functional encryption that supports any circuit evaluation. These results are at the cost of efficiency and security. They rely on recent, not very well studied assumptions, and no construction is close to being practical. The goal of this thesis is to attack this challenge from a different angle: we try to build the most expressive functional encryption scheme we can get from standard assumption, while keeping the constructions simple and efficient. To this end, we introduce the notion of functional encryption for inner-product evaluations, where plaintexts are vectors ~x, and the trusted authority delivers keys for vectors ~y that allow the evaluation of the inner-product h~x, ~yi. This functionality already offers some direct applications, and it can also be used for theoretical constructions, as inner-product is a widely used operation. Finally, we present two generic frameworks to construct inner-product functional encryption schemes, as well as some concrete instantiations whose security relies on standard assumptions. We also compare their pros and cons.