雙方相等性驗證即是在不洩漏任何自身私密資訊的情況下，進行秘密計算來了解彼此的資訊是否相等。然而在大多數的現有協議之中，多數為不公平的協定，也就是說其中的一方(被告知方)只能相信另一方(告知方)所告知的比較結果，而無從驗證。雖然邱等學者在2011 年提出的〝具隱私保護功能之兩方相等性驗證機制之提案〞已經提供了具雙方驗證的協定，但此方案因為在加密演算法上的限制導致實作較為困難。因此，在本論文中，將利用ElGamal 的加密機制，提出了一套新的雙方相等性驗證的協議，具備相同的雙方相等性驗證的功能，但對加密演算法的限制較少，實作及運算也較為有效率。另外，搭配模糊傳輸的協定，讓使用者藉由本研究所提出的協定跟伺服器端溝通，來獲得所欲取得的資料，並同時保障使用者以及伺服器端的隱私。同時除了理論的證明安全性及正確性之外，也撰寫程式模擬並證實協定的正確性及討論其效能。 / Two-party equality testing protocol allows two entities to compare their secrete information without leaking any information except the comparison result. In previous works, the comparison result can only be obtained by one entity (ie. informer) and then the entity informs the result to the other entity (ie. receiver). The receiver has to accept the received result since he has no way to verify its correctness. Ciou et al. in 2011 first mentioned this problem and proposed a new protocol to solve the aforementioned problem. However, their protocol has some specific restrictions which making it unpractical. In this paper, based on the ElGamal encryption, we propose a new two-party equality testing protocol. Our protocol has the same feature (ie. allows the two entries to test the correctness of the comparison result) as Ciou et al.’s protocol but is more efficient and practical than theirs. On the other hand, combining our protocol with an oblivious transfer protocol can let users communicate with servers and to get the data in a private way. It is useful on the issue of privacy protection. Finally, the security and correctness are discussed and proved. The efficiency of the protocol is also provided.

Les services cloud offrent des coûts réduits, une élasticité et un espace de stockage illimité qui attirent de nombreux utilisateurs. Le partage de fichiers, les plates-formes collaboratives, les plateformes de courrier électroniques, les serveurs de sauvegarde et le stockage de fichiers sont parmi les services qui font du cloud un outil essentiel pour une utilisation quotidienne. Actuellement, la plupart des systèmes d'exploitation proposent des applications de stockage externalisées intégrées, par conception, telles que One Drive et iCloud, en tant que substituts naturels succédant au stockage local. Cependant, de nombreux utilisateurs, même ceux qui sont disposés à utiliser les services susmentionnés, restent réticents à adopter pleinement le stockage et les services sous-traités dans le cloud. Les préoccupations liées à la confidentialité des données augmentent l'incertitude pour les utilisateurs qui conservent des informations sensibles. Il existe de nombreuses violations récurrentes de données à l'échelle mondiale qui ont conduit à la divulgation d'informations sensibles par les utilisateurs. Pour en citer quelques-uns : une violation de Yahoo fin 2014 et annoncé publiquement en Septembre 2016, connue comme la plus grande fuite de données de l'histoire d'Internet, a conduit à la divulgation de plus de 500 millions de comptes utilisateur ; une infraction aux assureurs-maladie, Anthem en février 2015 et Premera BlueCross BlueShield en mars 2015, qui a permis la divulgation de renseignements sur les cartes de crédit, les renseignements bancaires, les numéros de sécurité sociale, pour des millions de clients et d'utilisateurs. Une contre-mesure traditionnelle pour de telles attaques dévastatrices consiste à chiffrer les données des utilisateurs afin que même si une violation de sécurité se produit, les attaquants ne peuvent obtenir aucune information à partir des données. Malheureusement, cette solution empêche la plupart des services du cloud, et en particulier, la réalisation des recherches sur les données externalisées.Les chercheurs se sont donc intéressés à la question suivante : comment effectuer des recherches sur des données chiffrées externalisées tout en préservant une communication, un temps de calcul et un stockage acceptables ? Cette question avait plusieurs solutions, reposant principalement sur des primitives cryptographiques, offrant de nombreuses garanties de sécurité et d'efficacité. Bien que ce problème ait été explicitement identifié pendant plus d'une décennie, de nombreuses dimensions de recherche demeurent non résolues. Dans ce contexte, le but principal de cette thèse est de proposer des constructions pratiques qui sont (1) adaptées aux déploiements dans les applications réelles en vérifiant les exigences d'efficacité nécessaires, mais aussi, (2) en fournissant de bonnes assurances de sécurité. Tout au long de notre recherche, nous avons identifié le chiffrement cherchable (SSE) et la RMA inconsciente (ORAM) comme des deux potentielles et principales primitives cryptographiques candidates aux paramètres des applications réelles. Nous avons identifié plusieurs défis et enjeux inhérents à ces constructions et fourni plusieurs contributions qui améliorent significativement l'état de l'art.Premièrement, nous avons contribué à rendre les schémas SSE plus expressifs en permettant des requêtes booléennes, sémantiques et de sous-chaînes. Cependant, les praticiens doivent faire très attention à préserver l'équilibre entre la fuite d'information et le degré d'expressivité souhaité. Deuxièmement, nous améliorons la bande passante de l'ORAM en introduisant une nouvelle structure récursive de données et une nouvelle procédure d'éviction pour la classe d'ORAM ; nous introduisons également le concept de redimensionnabilibté dans l'ORAM qui est une caractéristique requise pour l'élasticité de stockage dans le cloud. / Cloud services offer reduced costs, elasticity and a promised unlimited managed storage space that attract many end-users. File sharing, collaborative platforms, email platforms, back-up servers and file storage are some of the services that set the cloud as an essential tool for everyday use. Currently, most operating systems offer built-in outsourced cloud storage applications, by design, such as One Drive and iCloud, as natural substitutes succeeding to the local storage. However, many users, even those willing to use the aforementioned cloud services, remain reluctant towards fully adopting cloud outsourced storage and services. Concerns related to data confidentiality rise uncertainty for users maintaining sensitive information. There are many, recurrent, worldwide data breaches that led to the disclosure of users' sensitive information. To name a few: a breach of Yahoo late 2014 and publicly announced on September 2016, known as the largest data breach of Internet history, led to the disclosure of more than 500 million user accounts; a breach of health insurers, Anthem in February 2015 and Premera BlueCross BlueShield in March 2015, that led to the disclosure of credit card information, bank account information, social security numbers, data income and more information for more than millions of customers and users. A traditional countermeasure for such devastating attacks consists of encrypting users' data so that even if a security breach occurs, the attackers cannot get any information from the data. Unfortunately, this solution impedes most of cloud services, and in particular, searching on outsourced data. Researchers therefore got interrested in the fllowing question: how to search on outsourced encrypted data while preserving efficient communication, computation and storage overhead? This question had several solutions, mostly based on cryptographic primitives, offering numerous security and efficiency guarantees. While this problem has been explicitly identified for more than a decade, many research dimensions remain unsolved. The main goal of this thesis is to come up with practical constructions that are (1) suitable for real life deployments verifying necessary efficiency requirements, but also, (2) providing good security insurances. Throughout our reseach investigation, we identified symmetric searchable encryption (SSE) and oblivious RAM (ORAM) as the two potential and main cryptographic primitives' candidate for real life settings. We have recognized several challenges and issues inherent to these constructions and provided a number of contributions that improve upon the state of the art. First, we contributed to make SSE schemes more expressive by enabling Boolean, semantic, and substring queries. Practitioners, however, need to be very careful about the provided balance between the security leakage and the degree of desired expressiveness. Second, we improve ORAM's bandwidth by introducing a novel recursive data structure and a new eviction procedure for the tree-based class of ORAM contructions, but also, we introduce the concept of resizability in ORAM which is a required feature for cloud storage elasticity.

The increasing heterogeneity in hardware systems gives developers many opportunities to add more functionality and computational power to the system. As a consequence, modern database systems will need to be able to adapt to a wide variety of heterogeneous architectures. While porting single operators to accelerator architectures is well-understood, a more generic approach is needed for the whole database system. In prior work, we presented a generic hardware-oblivious database system, where the operators can be executed on the main processor as well as on a large number of accelerator architectures. However, to achieve fully heterogeneous query processing, placement decisions are needed for the database operators. We enhance the presented system with heterogeneity-aware operator placement (HOP) to take a major step towards designing a database system that can efficiently exploit highly heterogeneous hardware environments. In this demonstration, we are focusing on the placement-integration aspect as well as presenting the resulting database system.

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L'avènement de l'informatique quantique permet de réétudier les primitives cryptographiques avec une sécurité inconditionnelle, c'est à dire sécurisé même contre des adversaires tout puissants. En 1984, Bennett et Brassard ont construit un protocole quantique de distribution de clé. Dans ce protocole, deux joueurs Alice et Bob coopèrent pour partager une clé secrète inconnue d'une tierce personne Eve. Ce protocole a une sécurité inconditionnelle et n'a pasd'équivalent classique.Dans ma thèse, j'ai étudié les primitives cryptographiques à deux joueurs où ces joueurs ne se font pas confiance. J'étudie principalement le pile ou face quantique et la mise-en-gage quantique de bit. En informatique classique, ces primitivessont réalisables uniquement avec des hypothèses calculatoires, c'est-à-dire en supposant la difficulté d'un problème donné. Des protocoles quantiques ont été construits pour ces primitives où un adversaire peut tricher avec une probabilité constante strictement inférieure à 1, ce qui reste impossible classiquement. Néanmoins, Lo et Chau ont montré l'impossibilité de créer ces primitives parfaitement même en utilisant l'informatique quantique. Il reste donc à déterminer quelles sont les limites physiques de ces primitives.Dans une première partie, je construis un protocole quantique de pile ou face où chaque joueur peut tricher avec probabilité au plus 1/racine(2) + eps pour tout eps > 0. Ce résultat complète un résultat de Kitaev qui dit que dans un jeu de pile ou face quantique, un joueur peut toujours tricher avec probabilité au moins 1/racine(2). J'ai également construit un protocole de mise-en-gage de bit quantique optimal où un joueur peut tricher avec probabilité au plus 0,739 + eps pour tout eps > 0 puis ai montré que ce protocole est en fait optimal. Finalement, j'ai dérivé des bornes inférieures et supérieures pour une autre primitive: la transmission inconsciente, qui est une primitive universelle.Dans une deuxième partie, j'intègre certains aspects pratiques dans ces protocoles. Parfois les appareils de mesure ne donnent aucun résultat, ce sont les pertes dans la mesure. Je construis un protocole de lancer de pièce quantique tolérant aux pertes avec une probabilité de tricher de 0,859. Ensuite, j'étudie le modèle dispositif-indépendant où on ne suppose plus rien sur les appareils de mesure et de création d'état quantique.Finalement, dans une troisième partie, j'étudie ces primitives cryptographiques avec un sécurité computationnelle. En particulier, je fais le lien entre la mise en gage de bit quantique et les protocoles zero-knowledge quantiques. / Quantum computing allows us to revisit the study of quantum cryptographic primitives with information theoretic security. In 1984, Bennett and Brassard presented a protocol of quantum key distribution. In this protocol, Alice and Bob cooperate in order to share a common secret key k, which has to be unknown for a third party that has access to the communication channel. They showed how to perform this task quantumly with an information theoretic security; which is impossible classically.In my thesis, I study cryptographic primitives with two players that do not trust each other. I study mainly coin flipping and bit commitment. Classically, both these primitives are impossible classically with information theoretic security. Quantum protocols for these primitives where constructed where cheating players could cheat with probability stricly smaller than 1. However, Lo, Chau and Mayers showed that these primitives are impossible to achieve perfectly even quantumly if one requires information theoretic security. I study to what extent imperfect protocols can be done in this setting.In the first part, I construct a quantum coin flipping protocol with cheating probabitlity of 1/root(2) + eps for any eps > 0. This completes a result by Kitaev who showed that in any quantum coin flipping protocol, one of the players can cheat with probability at least 1/root(2). I also constructed a quantum bit commitment protocol with cheating probability 0.739 + eps for any eps > 0 and showed that this protocol is essentially optimal. I also derived some upper and lower bounds for quantum oblivious transfer, which is a universal cryptographic primitive.In the second part, I study some practical aspects related to these primitives. I take into account losses than can occur when measuring a quantum state. I construct a Quantum Coin Flipping and Quantum Bit Commitment protocols which are loss-tolerant and have cheating probabilities of 0.859. I also construct these primitives in the device independent model, where the players do not trust their quantum device. Finally, in the third part, I study these cryptographic primitives with information theoretic security. More precisely, I study the relationship between computational quantum bit commitment and quantum zero-knowledge protocols.

<div>Graph-structured data is pervasive. Modeling large-scale network-structured datasets require graph processing and management systems such as graph databases. Further, the analysis of graph-structured data often necessitates bulk downloads/uploads from/to the cloud or edge nodes. Unfortunately, experience has shown that malicious actors can compromise the confidentiality of highly-sensitive data stored in the cloud or shared nodes, even in an encrypted form. For particular use cases —multi-modal knowledge graphs, electronic health records, finance— network-structured datasets can be highly sensitive and require auditability, authentication, integrity protection, and privacy-preserving computation in a controlled and trusted environment, i.e., the traditional cloud computation is not suitable for these use cases. Similarly, many modern applications utilize a "shared, replicated database" approach to provide accountability and traceability. Those applications often suffer from significant privacy issues because every node in the network can access a copy of relevant contract code and data to guarantee the integrity of transactions and reach consensus, even in the presence of malicious actors.</div><div><br></div><div>This dissertation proposes breaking from the traditional cloud computation model, and instead ship certified pre-approved trusted code closer to the data to protect graph-structured data confidentiality. Further, our technique runs in a controlled environment in a trusted data owner node and provides proof of correct code execution. This computation can be audited in the future and provides the building block to automate a variety of real use cases that require preserving data ownership. This project utilizes trusted execution environments (TEEs) but does not rely solely on TEE's architecture to provide privacy for data and code. We thoughtfully examine the drawbacks of using trusted execution environments in cloud environments. Similarly, we analyze the privacy challenges exposed by the use of blockchain technologies to provide accountability and traceability.</div><div><br></div><div>First, we propose AGAPECert, an Auditable, Generalized, Automated, Privacy-Enabling, Certification framework capable of performing auditable computation on private graph-structured data and reporting real-time aggregate certification status without disclosing underlying private graph-structured data. AGAPECert utilizes a novel mix of trusted execution environments, blockchain technologies, and a real-time graph-based API standard to provide automated, oblivious, and auditable certification. This dissertation includes the invention of two core concepts that provide accountability, data provenance, and automation for the certification process: Oblivious Smart Contracts and Private Automated Certifications. Second, we contribute an auditable and integrity-preserving graph processing model called AuditGraph.io. AuditGraph.io utilizes a unique block-based layout and a multi-modal knowledge graph, potentially improving access locality, encryption, and integrity of highly-sensitive graph-structured data. Third, we contribute a unique data store and compute engine that facilitates the analysis and presentation of graph-structured data, i.e., TruenoDB. TruenoDB offers better throughput than the state-of-the-art. Finally, this dissertation proposes integrity-preserving streaming frameworks at the edge of the network with a personalized graph-based object lookup.</div>