This project aims to enhance the capabilities of the Host Identity Protocol version 2 (HIPv2) within the Mininet network emulator and PyHIP framework. The objectives include integrating HIPv2 into Mininet to facilitate testing of HIPv2 environments and optimizing PyHIP for real-world applications. Integration with Mininet involves running the HIP daemon within a virtual host environment and ensuring successful ping replies between HIP-enabled Mininet hosts. Optimization efforts focus on potentially changing cryptographic algorithms. These enhancements aim to improve the testing and practical usability of HIPv2 in network emulation. The tests conducted for this thesis involved only two hosts, which limits the comprehensiveness regarding scalability and performance in larger network setups. While the initial findings are promising, a more extensive evaluation with varied scenarios and additional hosts is critical to fully grasp the system's capabilities. Regarding performance of the unmodified version, tests reveal that TCP window sizes ranging from 128,000 to 225,000 bytes and buffer settings at 3,000 $bytes$ were optimal for optimizing throughput. The last objective of throughput optimization, transitioning from PyCryptoDome to the cryptography library boosts throughput by approximately 20 Mbits/s, reaching up to 59 Mbits/s. Furthermore, it is important to acknowledge that modifications were not extended to the symmetric cryptography libraries, like AES, which could potentially greatly influence system throughput. Therefore, we recommend to further extend these modifications to validate throughput improvements across all modified cryptography algorithms. Depending solely on a single high-performing setup may mislead the assessment of the changes, as various iPerf3 test combinations could yield different outcomes. Thus, it is essential to recognize that these limitations may impact the credibility of the findings.

<div>In a potentially hostile networked environment, a large diversity of security mechanisms with varying degree of sophistication are being deployed to protect valuable computer systems and digital assets. </div><div><br></div><div>While many competing implementations of similar security mechanisms are available in the current software development landscape, the robustness and reliability of such implementations are often overlooked, resulting in exploitable flaws in system deployments. In this dissertation, we systematically evaluate implementations of security mechanisms that are deployed in the wild. First, we examine how content distribution applications on the Android platform control access to their multimedia contents. With respect to a well-defined hierarchy of adversarial capabilities and attack surfaces, we find that many content distribution applications, including that of some world-renowned publications and streaming services, are vulnerable to content extraction due to the use of unjustified assumptions in their security mechanism designs and implementations. Second, we investigate the validation logic of X.509 certificate chains as implemented in various open-source TLS libraries. X.509 certificates are widely used in TLS as a means to achieve authentication. A validation logic that is overly restrictive could lead to the loss of legitimate services, while an overly permissive implementation could open door to impersonation attacks. Instead of manual analysis and unguided fuzzing, we propose a principled approach that leverages symbolic execution to achieve better coverage and uncover logical flaws that are buried deep in the code. We find that many TLS libraries deviate from the specification. Finally, we study the verification of RSA signatures, as specified in the PKCS#1 v1.5 standard, which is widely used in many security-critical network protocols. We propose an approach to automatically generate meaningful concolic test cases for this particular problem, and design and implement a provenance tracking mechanism to assist root-cause analysis in general. Our investigation revealed that several crypto and IPSec implementations are susceptible to new variants of the Bleichenbacher low-exponent signature forgery.</div>

La composition automatique de services web est une tâche difficile. De nombreux travaux ont considérés des modèles simplifiés d'automates qui font abstraction de la structure des messages échangés par les services. Pour le domaine des services sécurisés nous proposons une nouvelle approche pour automatiser la composition des services basée sur leurs politiques de sécurité. Étant donnés, une communauté de services et un service objectif, nous réduisons le problème de la synthèse de l'objectif à partir des services dans la communauté à un problème de sécurité, où un intrus que nous appelons médiateur doit intercepter et rediriger les messages depuis et vers la communauté de services et un service client jusqu'à atteindre un état satisfaisant pour le dernier. Nous avons implémenté notre algorithme dans la plateforme de validation du projet AVANTSSAR et nous avons testé l'outil correspondant sur plusieurs études de cas. Ensuite, nous présentons un outil qui compile les traces obtenues décrivant l'exécution d'un médiateur vers le code exécutable correspondant. Pour cela nous calculons d'abord une spécification exécutable aussi prudente que possible de son rôle dans l'orchestration. Cette spécification est exprimé en ASLan, un langage formel conçu pour la modélisation des services Web liés à des politiques de sécurité. Ensuite, nous pouvons vérifier avec des outils automatiques que la spécification ASLan obtenue vérifie certaines propriétés requises de sécurité telles que le secret et l'authentification. Si aucune faille n'est détectée, nous compilons la spécification ASLan vers une servlet Java qui peut être utilisé par le médiateur pour contrôler l'orchestration / Automatic composition of web services is a challenging task. Many works have considered simplified automata models that abstract away from the structure of messages exchanged by the services. For the domain of secured services we propose a novel approach to automated composition of services based on their security policies. Given a community of services and a goal service, we reduce the problem of composing the goal from services in the community to a security problem where an intruder we call mediator should intercept and redirect messages from the service community and a client service till reaching a satisfying state. We have implemented the algorithm in AVANTSSAR Platform and applied the tool to several case studies. Then we present a tool that compiles the obtained trace describing the execution of a the mediator into its corresponding runnable code. For that we first compute an executable specification as prudent as possible of her role in the orchestration. This specification is expressed in ASLan language, a formal language designed for modeling Web Services tied with security policies. Then we can check with automatic tools that this ASLan specification verifies some required security properties such as secrecy and authentication. If no flaw is found, we compile the specification into a Java servlet that can be used by the mediatior to lead the orchestration

Le développement de la société de l'information et de la monnaie virtuelle, a soulevé de nouveaux problèmes aux communautés de la sécurité et du circuit intégré, faisant devenir la cryptologie un outil incontournable permettant de répondre aux exigences sécuritaires telles que l'identification, l'authentification ou la confidentialité. L'intégration des primitives cryptographiques dans différents dispositifs électroniques est largement répandue aujourd'hui dans le domaine des communications, des services financiers, des services gouvernementaux ou de la PayTV. Au premier rang de ces dispositifs, figure la carte à puce. D'après un rapport publié en août 2010, IMS Research prévoit que le marché de la carte à puce atteindra les 5.8 milliards d'unités vendues en fin d'année. La grande majorité est utilisée dans les télécommunications (carte SIM) et les services bancaires. La carte à puce incorpore un circuit intégré qui peut être, soit un processeur dédié aux calculs cryptographiques, soit seulement de la mémoire non-volatile ou les deux. Ces circuits intégrés manipulent et contiennent donc des secrets comme les clefs secrètes ou privées utilisées par les algorithmes de cryptographie symétriques ou asymétriques. Ces clefs doivent donc, rester absolument confidentielles et intègres afin de garantir la chaîne de sécurité. Par conséquent la robustesse des cartes à puces aux attaques cryptographiques est cruciale. En effet, les attaques sur les circuits intégrés sont aujourd'hui très performantes. Elles peuvent être classées selon trois grandes familles : invasives, semi-invasives et non-invasives. 1- Les attaques invasives sont des attaques menées en général par des experts et requièrent du matériel spécifique. 2- Les attaques semi-invasives, famille d'attaques récemment introduite par l'équipe de Ross Anderson, dont le principe est de décapsuler le package contenant le circuit, afin de se positionner le plus proche possible de la surface, sans pour autant en détériorer les fonctionnalités. 3- Les attaques non-invasives ne nécessitent aucune préparation préalable du dispositif soumis aux attaques. Elles consistent à espionner les phénomènes physiques engendrés par la manipulation des données et notamment les clefs secrètes. Les attaques non-invasives peuvent être considérées comme les plus dangereuses, dans la mesure où ce type d'attaque peut être réalisé sans contact avec le circuit. En effet, pendant l'utilisation d'appareils électroniques, les circuits qui les composent sont soumis à des variations de courant et de tension. Ces variations génèrent des ondes électromagnétiques qui se propagent dans le voisinage du circuit. Ces émanations présentent une corrélation avec des informations censées être stockées dans la puce de façon sécurisée (exemple: la clef secrète d'une carte bancaire utilisée pour l'authentification). Plusieurs attaques dites par canaux auxiliaires, et basées sur ces fuites électromagnétiques ont été publiées par la communauté scientifique ces dernières années. Cette thèse a pour objectifs: (a) comprendre les différentes sources des émanations électromagnétiques des circuits intégrés, et de proposer un flot d'attaque électromagnétique localisée et en champ proche afin de tester la robustesse d'un circuit cryptographique contre les attaques et analyses utilisant le canal électromagnétique, et (b) proposer des contre-mesures afin de contrecarrer ces attaques par analyse de champ électromagnétique. Afin d'atteindre ces objectifs, nous présentons, dans un premier temps, une technique efficace nommée WGMSI (Weighted Global Magnitude Squared Incoherence) pour localiser les positions, au-dessus du circuit cryptographique, qui génèrent les émanations électromagnétiques les plus dépendantes des données secrètes. Dans un deuxième temps la WGMSI est utilisée aussi pour améliorer la stabilité et la convergence des différentes attaques électromagnétiques proposées dans la littérature. La suite de la thèse décrit les différentes contre-mesures aux attaques par canaux auxiliaires. En effet, face à ces techniques d'attaques évoluées, il est primordial, de rendre les fonctions cryptographiques implantées dans les circuits intégrés pour la sécurité (confidentialité, authentification, intégrité ... ), inattaquables en un temps raisonnable et ceci même en manipulant des sous-clefs dans des chiffrements par blocs. Pour cela, on se focalisera principalement aux contre-mesures basées sur des logiques différentielles et dynamiques. Ces contre-mesures sont dites par conception, puisqu'elles se situent au niveau des portes logiques qui sont considérées comme les éléments de base pour la conception d'un circuit intégré. Ceci permet une certaine indépendance des algorithmes cryptographiques vis à vis de l'architecture ou de la technologie considérées. Parmi les différentes logiques différentielles et dynamiques, on s'intéressera plus spécifiquement à la logique STTL (Secure Triple Track logic) qui peut être considérée comme une amélioration de la logique double rail, dans la mesure où un troisième rail est ajouté afin de contrecarrer la faiblesse principale de la logique double rail, à savoir l'évaluation anticipée. Enfin, nous présenterons un flot d'implémentation sur FPGA de la logique STTL prouvée robuste aux attaques par analyse de courant, et nous implémenterons un prototype de DES STTL afin de tester sa robustesse aux attaques électromagnétiques localisées en champ proche. / The integration of cryptographic primitives in different electronic devices is widely used today incommunications, financial services, government services or PayTV.Foremost among these devices include the smart card. According to a report published in August 2010, IMS Research forecasts that the smart card market will reach 5.8 billion units sold in this year. The vast majority is used in telecommunications (SIM) and banking.The smart card incorporates an integrated circuit which can be a dedicated processor for cryptographic calculations. Therefore, these integrated circuits contain secrets such as secret or private keys used by the symmetric or asymmetric cryptographic algorithms. These keys must remain absolutely confidential to ensure the safety chain.Therefore the robustness of smart cards against attacks is crucial. These attacks can be classifiedinto three main categories: invasive, semi-invasive and non-invasive.Non-invasive attacks can be considered the most dangerous, since this kind of attack can be achieved without any contact with the circuit.Indeed, while using electronic circuits that compose them are subjected to variations in current and voltage. These variations generate an electromagnetic radiation propagating in the vicinity of the circuit.These radiations are correlated with secret information (eg a secret key used for authentication). Several attacks based on these leakages were published by the scientific community.This thesis aims to: (a) understand the different sources of electromagnetic emanations of integrated circuits, and propose a localized near field attack to test the robustness of a cryptographic circuit and (b) propose counter-measures to these attacks.

Secure communication is critical to many applications. To this end, various security goals can be achieved using elliptic/hyperelliptic curve and pairing based cryptography. Polynomial multiplication is used in the underlying operations of these protocols. Therefore, as part of this thesis different recursive algorithms are studied; these algorithms include Karatsuba, Toom, and Bernstein. In this thesis, we investigate algorithms and implementation techniques to improve the performance of the cryptographic protocols. Common factors present in explicit formulae in elliptic curves operations are utilized such that two multiplications are replaced by a single multiplication in a higher field. Moreover, we utilize the idea based on common factor used in elliptic curves and generate new explicit formulae for hyperelliptic curves and pairing. In the case of hyperelliptic curves, the common factor method is applied to the fastest known even characteristic hyperelliptic curve operations, i.e. divisor addition and divisor doubling. Similarly, in pairing we observe the presence of common factors inside the Miller loop of Eta pairing and the theoretical results show significant improvement when applying the idea based on common factor method. This has a great advantage for applications that require higher speed.

Secure and reliable communication have always been critical part of todays infrastructure. Various asymmetric encryption schemes, such as RSA, have been used to achieve this goal. However, with advancements in quantum computing, current encryption schemes are becoming more vulnerable since they are weak to certain quantum attacks, such as Shor’s Algorithm. Therefore demand for post-quantum cryptography (PQC), which is not vulnerable to quantum attacks, is apparent. This work’s goal is to evaluate and compare PQC algorithms.

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.

Dans cette thèse,nous étudions comment exploiter des contraintes spatio-temporelles,notamment le principe d'impossibilité de transmission supraluminique,dans le but de créer des primitives cryptographiques sûres,par exemple la vérification de position ou la "mise en gage de bit''(bit commitment). D'après le principe d'impossibilité de transmission supraluminique,aucun vecteur physique d'information ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Ce principe entraîne une contrainte sur le temps de communication entre deux points éloignés. Ce délai dans le transfert d'information peut être utilisé comme une contrainte temporelle interdisant la communication. En cryptographie multi-agents,il est connu que l'hypothèse de non-communication entre les agents permet de réaliser de manière sécurisée de nombreuses primitives comme la "mise en gage de bit'' et l'un des buts de cette thèse est de comprendre à quel point les contraintes spatio-temporelles peuvent être exploitèes pour simuler des scénarios de non-communication. Dans la première partie de cette thèse nous étudions comment utiliser une contrainte de non-communication pour essayer de vérifier la position d'une personne.Dans la dernière partie,nous nous penchons sur deux exemples de protocoles de ``mise en gage de bit'' relativistes afin d'en étudier la sécurité contre des adversaires classiques. Pour conclure cette thèse,nous mentionnons quelques problèmes ouverts intéréssants. Ces problèmes ouverts peuvent être très utiles pour comprendre le rôle de contraintes spatio-temporelles,par exemple de l'impossibilité de transmission supraluminique,dans la conception de primitives cryptographiques parfaitement sûres. / In this thesis we have studied how to exploit relativistic constraints such as the non-superluminal signalling principle to design secure cryptographic primitives like position-verification and bit commitment. According to non-superluminal signalling principle, no physical carrier of information can travel faster than the speed of light. This put a constraint on the communication time between two distant stations. One can consider this delay in information transfer as a temporal non-communication constraint. Cryptographic primitives like bit-commitment, oblivious transfer can be implemented with perfect secrecy under such non-communication assumption between the agents. The first part of this thesis has studied how non-signalling constraints can be used for secure position verification. Here, we have discussed about a strategy which can attack any position verification scheme. In the next part of this thesis we have discussed about the nonlocal games, relevant for studying relativistic bit commitment protocols. We have established an upper bound on the classical value of such family of games. The last part of this thesis discusses about two relativistic bit commitment protocols and their security against classical adversaries. We conclude this thesis by giving a brief summary of the content of each chapter and mentioning interesting open problems. These open problems can be very useful for better understanding of the role of spacetime constraints such as non-superluminal signalling in designing perfectly secure cryptographic primitives.

Cette thèse traite de la conception de méthodes automatisées ou semi-automatisées pour détecter et identifier des algorithmes cryptographiques dans des programmes compilés en langage machine. La première méthode proposée a pour but l'identification de primitives symétriques. L'implémentation en langage machine d'une primitive symétrique, assimilée à une suite d'instructions, est représentée par un graphe. Sous cette forme, le code est modifié à l'aide de règles de réécriture tout en préservant une certaine notion de sémantique lors d'une phase dite de normalisation. L'objectif est de faire émerger des expressions communes à différentes implémentations d'une même primitive. Ces expressions servent alors de base à la création de signatures efficaces. La recherche de ces signatures s'effectue à l'aide d'un algorithme énumérant les isomorphismes de sous-graphe. La seconde méthode, conçue en complément de la première, produit une représentation synthétique facilitant l'identification des modes opératoires. Cette représentation se définit comme le plus petit sous-graphe préservant les distances entre des sous-ensembles de nœuds précédemment identifiés comme étant les paramètres d'entrée et de sortie des primitives impliquées. / This thesis is about the design of automatic or semi-automatic methods to detect and identify cryptographic algorithms inside programs compiled into machine code. Two methods are presented. The objective of the first method is to identify cryptographic primitives. A machine code implementation of a cryptographic primitive, regarded as a sequence of instructions, is represented by a graph structure. During a normalization phase, a set of rewrite rules is used to modify this graph representation while preserving a specific notion of semantics. The goal is to converge towards expressions which are shared across several implementations of the same primitive. We use these expressions as a basis to create efficient signatures. A subgraph isomorphism enumeration algorithm is used to search for signatures. The second method is built on top of the first one. It produces a synthetic representation designed to help in the identification of modes of operation. This synthetic representation is defined as the smallest subgraph which preserve distances between sets of vertices previously identified as the input and output parameters of the primitives involved within the mode of operation.

Les besoins constants d’innovation en matière de performances et d’économie des ressources nous poussent à effectuer des optimisations dans la conception et l’utilisation des outils cryptographiques. Cela nous amène à étudier plusieurs aspects dans cette thèse : les algorithmes cryptographiques parallèles, les algorithmes cryptographiques incrémentaux et les dictionnaires authentifiés.Dans le cadre de la cryptographie parallèle, nous nous intéressons aux fonctions de hachage basées sur des arbres. Nous montrons en particulier quelles structures arborescentes utiliser pour atteindre un temps d’exécution optimum avec un nombre de processeurs que nous cherchons à minimiser dans un second temps. Nous étudions également d'autres formesd'arborescence favorisant l'équité et la scalabilité.Les systèmes cryptographiques incrémentaux permettent, lorsque nous modifions des documents, de mettre à jour leurs formes cryptographiques efficacement. Nous montrons que les systèmes actuels restreignent beaucoup trop les modifications possibles et introduisons de nouveaux algorithmes s’appuyant sur ces derniers, utilisés comme des boites noires, afin de rendre possible une large gamme de modifications aux documents tout en conservant une propriété de secret de l’opération effectuée.Notre intérêt porte ensuite sur les dictionnaires authentifiés, utilisés pour authentifier les réponses aux requêtes des utilisateurs sur un dictionnaire, en leur fournissant une preuve d’authenticité pour chaque réponse. Nous nous focalisons sur des systèmes basés sur des arbres de hachage et proposons une solution pour amoindrir leur principal inconvénient, celui de la taille des preuves. / The need for continuing innovation in terms of performances and resource savings impel us to optimize the design and the use of cryptographic mechanisms. This leads us to consider several aspects in this dissertation: parallel cryptographic algorithms, incremental cryptographic algorithms and authenticated dictionaries.In the context of parallel cryptography we are interested in hash functions. In particular, we show which tree structures to use to reach an optimal running time. For this running time, we show how to decrease the amount of involved processors. We also explore alternative (sub-optimal) tree structures which decrease the number of synchronizations in multithreaded implementations while balancing at best the load of the work among the threads.Incremental cryptographic schemes allow the efficient updating of cryptographic forms when we change some blocks of the corresponding documents. We show that the existing incremental schemes restrict too much the possible modification operations. We then introduce new algorithms which use these ones as black boxes to allow a broad range of modification operations, while preserving a privacy property about these operations.We then turn our attention to authenticated dictionaries which are used to authenticate answers to queries on a dictionary, by providing to users an authentication proof for each answer. We focus on authenticated dictionaries based on hash trees and we propose a solution to remedy their main shortcoming, the size of proofs provided to users.