L’avènement de l’ère digitale a changé la façon dont les individus communiquent à travers le monde, et a amené de nouvelles problématiques en terme de vie privée. La notion d’anonymat la plus répandue pour les communications sur Internet consiste à empêcher tout acteur du réseau de connaître à la fois l’expéditeur d’un message et son destinataire. Bien que ce niveau de protection soit adéquat pour l’utilisateur d’Internet moyen, il est insuffisant lorsqu’un individu peut être condamné pour le simple envoi de documents à une tierce partie. C’est le cas en particulier des lanceurs d’alerte, prenant des risques personnels pour informer le public de pratiques illégales ou antidémocratiques menées par de grandes organisations. Dans cette thèse, nous envisageons un niveau d’anonymat plus fort, où l’objectif est de dissimuler le fait même qu’un utilisateur envoie ou reçoive des données. Pour cela, nous délaissons l’architecture client-serveur couramment utilisée dans les réseaux anonymes, en faveur d’une architecture entièrement distribuée et homogène, où chaque utilisateur remplit également le rôle de serveur relai, lui permettant de dissimuler son propre trafic dans celui qu’il relai pour les autres. Dans cette optique, nous proposons un nouveau protocole pour les communications pairs à pairs sur Internet. À l’aide de récents outils de preuves cryptographiques, nous prouvons que ce protocole réalise les propriétés d’anonymat désirées. De plus, nous montrons par une étude pratique que, bien que le protocole induise une grande latence dans les communications, il assure un fort anonymat, même pour des réseaux de petite taille. / With the development of online communications in the past decades, new privacy concerns have emerged. A lot of research effort have been focusing on concealing relationships in Internet communications. However, most works do not prevent particular network actors from learning the original sender or the intended receiver of a communication. While this level of privacy is satisfactory for the common citizen, it is insufficient in contexts where individuals can be convicted for the mere sending of documents to a third party. This is the case for so-called whistle-blowers, who take personal risks to alert the public of anti-democratic or illegal actions performed by large organisations. In this thesis, we consider a stronger notion of anonymity for peer-to-peer communications on the Internet, and aim at concealing the very fact that users take part in communications. To this end, we deviate from the traditional client-server architecture endorsed by most existing anonymous networks, in favor of a homogeneous, fully distributed architecture in which every user also acts as a relay server, allowing it to conceal its own traffic in the traffic it relays for others. In this setting, we design an Internet overlay inspired from previous works, that also proposes new privacy-enhancing mechanisms, such as the use of relationship pseudonyms for managing identities. We formally prove with state-of-the-art cryptographic proof frameworks that this protocol achieves our privacy goals. Furthermore, a practical study of the protocol shows that it introduces high latency in the delivery of messages, but ensures a high anonymity level even for networks of small size.

Les schémas de Chiffrement Complètement Homomorphe (FHE) permettent de manipuler des données chiffrées avec grande flexibilité : ils rendent possible l'évaluation de fonctions à travers les couches de chiffrement. Depuis la découverte du premier schéma FHE en 2009 par Craig Gentry, maintes recherches ont été effectuées pour améliorer l'efficacité, atteindre des nouveaux niveaux de sécurité, et trouver des applications et liens avec d'autres domaines de la cryptographie. Dans cette thèse, nous avons étudié en détail ce type de schémas. Nos contributions font état d'une nouvelle attaque de récuperation des clés au premier schéma FHE, et d'une nouvelle notion de sécurité en structures hierarchiques, évitant une forme de trahison entre les usagers tout en gardant la flexibilité FHE. Enfin, on décrit aussi des implémentations informatiques. Cette recherche a été effectuée au sein du Laboratoire de Mathématiques de Versailles avec le Prof. Louis Goubin. / Fully Homomorphic Encryption schemes allow public processing of encrypted data. Since the groundbreaking discovery of the first FHE scheme in 2009 by Craig Gentry, an impressive amount of research has been conducted to improve efficiency, achieve new levels of security, and describe real applications and connections to other areas of cryptography. In this Dissertation, we first give a detailed account on research these past years. Our contributions include a key-recovery attack on the ideal lattices FHE scheme and a new conception of hierarchic encryption, avoiding at some extent betrayal between users while maintaining the flexibility of FHE. We also describe some implementations. This research was done in the Laboratoire de Mathématiques de Versailles, under supervision of Prof. Louis Goubin.

Les protocoles de dissémination de contenus randomisés sont une alternative bon marché et pouvant monter en charge aux systèmes centralisés. Cependant, il est bien connu que ces protocoles souffrent en présence de comportements individualistes, i.e., de participants qui cherchent à recevoir un contenu sans contribuer en retour à sa propagation. Alors que le problème des participants égoïstes a été bien étudié dans la littérature, les coalitions de participants égoïstes ont été laissés de côté. De plus, les manières actuelles permettant de limiter ou tolérer ces comportements exigent des noeuds qu'ils enregistrent leurs interactions, et rendent public leur contenu, ce qui peut dévoiler des informations gênantes. De nos jours, il y a consensus autour du besoin de renforcer les possibilités de contrôle des usagers de systèmes informatiques sur leurs données personnelles. Cependant, en l'état de nos connaissances, il n'existe pas de protocole qui évite de divulguer des informations personnelles sur les utilisateurs tout en limitant l'impact des comportements individualistes.Cette thèse apporte deux contributions.Tout d'abord, nous présentons AcTinG, un protocole qui empêche les coalitions de noeuds individualistes dans les systèmes pair-à-pair de dissémination de contenus, tout en garantissant une absence de faux-positifs dans le processus de détection de fautes. Les utilisateurs de AcTinG enregistrent leurs interactions dans des enregistrements sécurisés, et se vérifient les uns les autres grâce à une procédure d'audit non prédictible, mais vérifiable a posteriori. Ce protocole est un équilibre de Nash par construction. Une évaluation de performance montre qu'AcTinG est capable de fournir les messages à tous les noeuds malgré la présence de coalitions, et présente des propriétés de passage à l'échelle similaires aux protocoles classiques de dissémination aléatoire.Ensuite, nous décrivons PAG, le premier protocole qui évite de dévoiler des informations sur les usagers tout en les contrôlant afin d'éviter les comportements égoïstes. PAG se base sur une architecture de surveillance formée par les participants, ainsi que sur des procédures de chiffrement homomorphiques. L'évaluation théorique de ce protocole montre qu'obtenir le détail des interactions des noeuds est difficile, même en cas d'attaques collectives. Nous évaluons ce protocole en terme de protection de l'intimité des interactions et en terme de performance en utilisant un déploiement effectué sur un cluster de machines, ainsi que des simulations qui impliquent jusqu'à un million de participants, et enfin en utilisant des preuves théoriques. Ce protocole a un surcoût en bande-passante inférieur aux protocoles de communications anonymes existants, et est raisonnable en terme de coût cryptographique. / Gossip-based content dissemination protocols are a scalable and cheap alternative to centralised content sharing systems. However, it is well known that these protocols suffer from rational nodes, i.e., nodes that aim at downloading the content without contributing their fair share to the system. While the problem of rational nodes that act individually has been well addressed in the literature, textit{colluding} rational nodes is still an open issue. In addition, previous rational-resilient gossip-based solutions require nodes to log their interactions with others, and disclose the content of their logs, which may disclose sensitive information. Nowadays, a consensus exists on the necessity of reinforcing the control of users on their personal information. Nonetheless, to the best of our knowledge no privacy-preserving rational-resilient gossip-based content dissemination system exists.The contributions of this thesis are twofold.First, we present AcTinG, a protocol that prevents rational collusions in gossip-based content dissemination protocols, while guaranteeing zero false positive accusations. AcTing makes nodes maintain secure logs and mutually check each others' correctness thanks to verifiable but non predictable audits. As a consequence of its design, it is shown to be a Nash-equilibrium. A performance evaluation shows that AcTinG is able to deliver all messages despite the presence of colluders, and exhibits similar scalability properties as standard gossip-based dissemination protocols.Second, we describe PAG, the first accountable and privacy-preserving gossip protocol. PAG builds on a monitoring infrastructure, and homomorphic cryptographic procedures to provide privacy to nodes while making sure that nodes forward the content they receive. The theoretical evaluation of PAG shows that breaking the privacy of interactions is difficult, even in presence of a global and active opponent. We assess this protocol both in terms of privacy and performance using a deployment performed on a cluster of machines, simulations involving up to a million of nodes, and theoretical proofs. The bandwidth overhead is much lower than existing anonymous communication protocols, while still being practical in terms of CPU usage.

In the Master’s thesis were described privacy protection problems while using cloud technologies. Some of the problems can be solved with help of homomorphic encryption, data splitting or searchable encryption. These techniques were described and compared by provided security, privacy protection and efficiency. The data splitting technique was chosen and implemented in the C language. Afterwards a performance of the implemented solution was compared to AES encryption/decryption performance. An application for secured data storing in cloud was designed and implemented. This application is using the implemented data splitting technique and third-party application CloudCross. The designed application provides command line interface (CLI) and graphical user interface (GUI). GUI extends the capabilities of CLI with an ability to register cloud and with an autodetection of registered clouds. The process of uploading/downloading the data to/from cloud storage is transparent and it does not overload the user with technical details of used data splitting technique.

L’avènement de l’ère digitale a changé la façon dont les individus communiquent à travers le monde, et a amené de nouvelles problématiques en terme de vie privée. La notion d’anonymat la plus répandue pour les communications sur Internet consiste à empêcher tout acteur du réseau de connaître à la fois l’expéditeur d’un message et son destinataire. Bien que ce niveau de protection soit adéquat pour l’utilisateur d’Internet moyen, il est insuffisant lorsqu’un individu peut être condamné pour le simple envoi de documents à une tierce partie. C’est le cas en particulier des lanceurs d’alerte, prenant des risques personnels pour informer le public de pratiques illégales ou antidémocratiques menées par de grandes organisations. Dans cette thèse, nous envisageons un niveau d’anonymat plus fort, où l’objectif est de dissimuler le fait même qu’un utilisateur envoie ou reçoive des données. Pour cela, nous délaissons l’architecture client-serveur couramment utilisée dans les réseaux anonymes, en faveur d’une architecture entièrement distribuée et homogène, où chaque utilisateur remplit également le rôle de serveur relai, lui permettant de dissimuler son propre trafic dans celui qu’il relai pour les autres. Dans cette optique, nous proposons un nouveau protocole pour les communications pairs à pairs sur Internet. À l’aide de récents outils de preuves cryptographiques, nous prouvons que ce protocole réalise les propriétés d’anonymat désirées. De plus, nous montrons par une étude pratique que, bien que le protocole induise une grande latence dans les communications, il assure un fort anonymat, même pour des réseaux de petite taille. / With the development of online communications in the past decades, new privacy concerns have emerged. A lot of research effort have been focusing on concealing relationships in Internet communications. However, most works do not prevent particular network actors from learning the original sender or the intended receiver of a communication. While this level of privacy is satisfactory for the common citizen, it is insufficient in contexts where individuals can be convicted for the mere sending of documents to a third party. This is the case for so-called whistle-blowers, who take personal risks to alert the public of anti-democratic or illegal actions performed by large organisations. In this thesis, we consider a stronger notion of anonymity for peer-to-peer communications on the Internet, and aim at concealing the very fact that users take part in communications. To this end, we deviate from the traditional client-server architecture endorsed by most existing anonymous networks, in favor of a homogeneous, fully distributed architecture in which every user also acts as a relay server, allowing it to conceal its own traffic in the traffic it relays for others. In this setting, we design an Internet overlay inspired from previous works, that also proposes new privacy-enhancing mechanisms, such as the use of relationship pseudonyms for managing identities. We formally prove with state-of-the-art cryptographic proof frameworks that this protocol achieves our privacy goals. Furthermore, a practical study of the protocol shows that it introduces high latency in the delivery of messages, but ensures a high anonymity level even for networks of small size.

In the Master’s thesis were described privacy protection problems while using cloud technologies. Some of the problems can be solved with help of homomorphic encryption, data splitting or searchable encryption. These techniques were described and compared by provided security, privacy protection and efficiency. The data splitting technique was chosen and implemented in the C language. Afterwards a performance of the implemented solution was compared to AES encryption/decryption performance. An application for secured data storing in cloud was designed and implemented. This application is using the implemented data splitting technique and third-party application CloudCross. The designed application provides command line interface (CLI) and graphical user interface (GUI). GUI extends the capabilities of CLI with an ability to register cloud and with an autodetection of registered clouds. The process of uploading/downloading the data to/from cloud storage is transparent and it does not overload the user with technical details of used data splitting technique.

L'apparition de nouvelles technologies comme l'informatique en nuages (cloud computing) offre de nouvelles opportunités de traitement de l'information. Par exemple, il est désormais facile de stocker ses photos ou vidéos personnelles sur des serveurs distants. Il est également possible de partager ces contenus à travers ces mêmes serveurs, ou encore via les réseaux sociaux ou les plateformes de téléchargement. Cependant, ces données personnelles sont bien souvent accessibles par le fournisseur de service, essentiellement pour des raisons pratiques : par exemple adapter une vidéo pour qu'elle s'affiche au bon format quel que soit l'appareil utilisé pour la visionner, permettre le partage de ses contenus avec d’autres personnes, etc. Cela soulève cependant un problème de confidentialité de ces données personnelles, et de confiance dans le fournisseur du service. La cryptographie classique apporte des solutions à ce problème, mais soulève malheureusement celui de la maniabilité des données : il devient par exemple impossible d'adapter un contenu vidéo au bon format d'affichage puisque le fournisseur ne peut plus « voir » la vidéo. Une solution alternative réside toutefois dans le chiffrement homomorphe. Cet outil un peu magique de la cryptographie avancée apporte la même sécurité que les algorithmes de cryptographie classique, mais permet de plus de manipuler les données tout en conservant leur forme chiffrée. Il offre ainsi une nouvelle perspective pour les fournisseurs puisque ceux-ci peuvent continuer à traiter l'information sans être capable de la voir, et donc sans atteinte à la vie privée de leurs utilisateurs, se conformant ainsi au nouveau Règlement Général sur la Protection des Données (RGPD). Bien que le chiffrement homomorphe soit très souvent considéré comme insuffisamment mature, du fait de sa complexité algorithmique, cette thèse cherche à montrer son caractère prometteur, en s'intéressant à son usage pour le traitement d'images et de vidéos chiffrées à la source. Nous regardons ainsi les différents algorithmes qui constituent un encodeur d'image/vidéo (JPEG/H264 et HEVC) et les transformons en des circuits qui sont manipulables par des systèmes de chiffrement homomorphes. Nous proposons ainsi dans cette thèse le tout premier pipeline de compression d'images de type JPEG ("homomorphic-JPEG") sur des pixels qui sont chiffrés de bout-en-bout. Pour optimiser la gestion des données ainsi protégées, nous proposons également de nouveaux outils applicables à tous les schémas de chiffrement homomorphe sur les réseaux idéaux. Notre approche permet de maximiser le nombre de slots dans un chiffré et introduit de nouvelles fonctions pour manipuler ces différents slots de manière indépendante les uns des autres. Ces travaux de thèse ont abouti à la publication de deux articles dans des conférences internationales ainsi qu’à la soumission d'un article supplémentaire. / The emergence of new technologies like cloud computing brings new opportunities in information processing. For example it is easy today to send our personal pictures or videos to a remote server (Google Drive, OneDrive …). We can also share this content among the same servers or via social networks and streaming services. However, this personal data is often also available to the service provider, mainly for practical reasons e.g. to configure a video to have the right format regardless of the displayer (smartphone or computer), to share our data with other people, etc. This raises issues of privacy and trust into the service provider. Classical cryptography brings some answers to this kind of issues, yet leaving the problem of handling the encrypted data: e.g., it becomes impossible to reconfigure a video because the provider can no longer “see” it. An alternative solution is “homomorphic encryption”. It is a powerful tool of advanced cryptography which provides the same security as classical cryptography algorithms, but it still allows us to manipulate ciphertexts such their underlying plaintexts are modified. Consequently, it offers a new perspective to service providers since they can continue to process their clients’information without knowing what it contains. This allows them to provide privacy-preserving services and comply with the new General Data Protection Regulation (GDPR). Although it is considered that homomorphic encryption does not have enough maturity due to its large algorithmic complexity, in this thesis, we are trying to show its potential by using it in the context of image and video processing over the encrypted data. In this context, we look at the different algorithms in an image/video encoder (JPEG/H264 and HEVC) and transform them to circuits which can be manipulated by homomorphic encryption schemes. Our main contribution is to propose the first pipeline for an image compression of type JPEG (homomorphic-JPEG) running on end-to-end encrypted pixels. To optimize the management of the encrypted data, we also propose new tools applicable to existing homomorphic encryption schemes over the ring version of lattices. Our approach allows us to maximize the number of slots in some ciphertext and we introduce new functions allowing to handle these slots independently in the encrypted domain. This thesis work also lead to two publications to international conferences as well as the submission of an additional article.

Yes / The recent advancements in wireless sensor hardware ensures sensing multiple sensor data such as temperature, pressure, humidity, etc. using a single hardware unit, thus defining it as multi-sensor data communication in wireless sensor networks (WSNs). The in-processing technique of data aggregation is crucial in energy-efficient WSNs; however, with the requirement of end-to-end data confidentiality it may prove to be a challenge. End-to-end data confidentiality along with data aggregation is possible with the implementation of a special type of encryption scheme called privacy homomorphic (PH) encryption schemes. This paper proposes an optimized PH encryption scheme for WSN integrated networks handling multi-sensor data. The proposed scheme ensures light-weight payloads, significant energy and bandwidth consumption along with lower latencies. The performance analysis of the proposed scheme is presented in this paper with respect to the existing scheme. The working principle of the multi-sensor data framework is also presented in this paper along with the appropriate packet structures and process. It can be concluded that the scheme proves to decrease the payload size by 56.86% and spend an average energy of 8-18 mJ at the aggregator node for sensor nodes varying from 10-50 thereby ensuring scalability of the WSN unlike the existing scheme.

Dynamic spectrum access (DSA) technique has been widely accepted as a crucial solution to mitigate the potential spectrum scarcity problem. Spectrum sharing between the government incumbents and commercial wireless broadband operators/users is one of the key forms of DSA. Two categories of spectrum management methods for shared use between incumbent users (IUs) and secondary users (SUs) have been proposed, i.e., the server-driven method and the sensing-based method. The server-driven method employs a central server to allocate spectrum resources while considering incumbent protection. The central server has access to the detailed IU operating information, and based on some accurate radio propagation model, it is able to allocate spectrum following a particular access enforcement method. Two types of access enforcement methods -- exclusion zone and protection zone -- have been adopted for server-driven DSA systems in the current literature. The sensing-based method is based on recent advances in cognitive radio (CR) technology. A CR can dynamically identify white spaces through various incumbent detection techniques and reconfigure its radio parameters in response to changes of spectrum availability. The focus of this dissertation is to address critical privacy and security issues in the existing DSA systems that may severely hinder the progress of DSA's deployment in the real world. Firstly, we identify serious threats to users' privacy in existing server-driven DSA designs and propose a privacy-preserving design named P²-SAS to address the issue. P²-SAS realizes the complex spectrum allocation process of protection-zone-based DSA in a privacy-preserving way through Homomorphic Encryption (HE), so that none of the IU or SU operation data would be exposed to any snooping party, including the central server itself. Secondly, we develop a privacy-preserving design named IP-SAS for the exclusion-zone- based server-driven DSA system. We extend the basic design that only considers semi- honest adversaries to include malicious adversaries in order to defend the more practical and complex attack scenarios that can happen in the real world. Thirdly, we redesign our privacy-preserving SAS systems entirely to remove the somewhat- trusted third party (TTP) named Key Distributor, which in essence provides a weak proxy re-encryption online service in P²-SAS and IP-SAS. Instead, in this new system, RE-SAS, we leverage a new crypto system that supports both a strong proxy re-encryption notion and MPC to realize privacy-preserving spectrum allocation. The advantages of RE-SAS are that it can prevent single point of vulnerability due to TTP and also increase SAS's service performance dramatically. Finally, we identify the potentially crucial threat of compromised CR devices to the ambient wireless infrastructures and propose a scalable and accurate zero-day malware detection system called GuardCR to enhance CR network security at the device level. GuardCR leverages a host-based anomaly detection technique driven by machine learning, which makes it autonomous in malicious behavior recognition. We boost the performance of GuardCR in terms of accuracy and efficiency by integrating proper domain knowledge of CR software. / Ph. D.

La cryptographie à base de réseaux euclidiens a généré un vif intérêt durant les deux dernièresdécennies grâce à des propriétés intéressantes, incluant une conjecture de résistance àl’ordinateur quantique, de fortes garanties de sécurité provenant d’hypothèses de difficulté sur lepire cas et la construction de schémas de chiffrement pleinement homomorphes. Cela dit, bienqu’elle soit cruciale à bon nombre de schémas à base de réseaux euclidiens, la génération debruit gaussien reste peu étudiée et continue de limiter l’efficacité de cette cryptographie nouvelle.Cette thèse s’attelle dans un premier temps à améliorer l’efficacité des générateurs de bruitgaussien pour les signatures hache-puis-signe à base de réseaux euclidiens. Nous proposons unnouvel algorithme non-centré, avec un compromis temps-mémoire flexible, aussi rapide que savariante centrée pour des tables pré-calculées de tailles acceptables en pratique. Nousemployons également la divergence de Rényi afin de réduire la précision nécessaire à la doubleprécision standard. Notre second propos tient à construire Falcon, un nouveau schéma designature hache-puis-signe, basé sur la méthode théorique de Gentry, Peikert et Vaikuntanathanpour les signatures à base de réseaux euclidiens. Nous instancions cette méthode sur les réseauxNTRU avec un nouvel algorithme de génération de trappes. / Lattice-based cryptography has generated considerable interest in the last two decades due toattractive features, including conjectured security against quantum attacks, strong securityguarantees from worst-case hardness assumptions and constructions of fully homomorphicencryption schemes. On the other hand, even though it is a crucial part of many lattice-basedschemes, Gaussian sampling is still lagging and continues to limit the effectiveness of this newcryptography. The first goal of this thesis is to improve the efficiency of Gaussian sampling forlattice-based hash-and-sign signature schemes. We propose a non-centered algorithm, with aflexible time-memory tradeoff, as fast as its centered variant for practicable size of precomputedtables. We also use the Rényi divergence to bound the precision requirement to the standarddouble precision. Our second objective is to construct Falcon, a new hash-and-sign signaturescheme, based on the theoretical framework of Gentry, Peikert and Vaikuntanathan for latticebasedsignatures. We instantiate that framework over NTRU lattices with a new trapdoor sampler.