Les applications actuelles, des systèmes de capteurs complexes (par exemple auto quantifiée) aux applications de e-commerce, acquièrent de grandes quantités d'informations personnelles qui sont habituellement stockées sur des serveurs centraux. Cette quantité massive de données personnelles, considéré comme le nouveau pétrole, représente un important potentiel pour les applications et les entreprises. Cependant, la centralisation et le traitement de toutes les données sur un serveur unique, où elles sont exposées aux indiscrétions de son gestionnaire, posent un problème majeur en ce qui concerne la vie privée.Inversement, les architectures décentralisées aident les individus à conserver le plein de contrôle sur leurs données, toutefois leurs traitements en particulier le calcul de requêtes globales deviennent complexes.Dans cette thèse, nous visons à concilier la vie privée de l'individu et l'exploitation de ces données, qui présentent des avantages manifestes pour la communauté (comme des études statistiques) ou encore des perspectives d'affaires. Nous promouvons l'idée de sécuriser l'acquisition des données par l'utilisation de matériel sécurisé. Grâce à ces éléments matériels tangibles de confiance, sécuriser des protocoles d'interrogation distribués permet d'effectuer des calculs globaux, tels que les agrégats SQL, sans révéler d'informations sensibles à des serveurs centraux.Cette thèse étudie le sous-groupe de requêtes SQL sans jointures et montre comment sécuriser leur exécution en présence d'attaquants honnêtes-mais-curieux. Cette thèse explique également comment les protocoles d'interrogation qui en résultent peuvent être intégrés concrètement dans une architecture décentralisée. Nous démontrons que notre approche est viable et peut passer à l'échelle d'applications de la taille d'un pays par un modèle de coût et des expériences réelles sur notre prototype, SQL/AA. / Current applications, from complex sensor systems (e.g. quantified self) to online e-markets acquire vast quantities of personal information which usually end-up on central servers. This massive amount of personal data, the new oil, represents an unprecedented potential for applications and business. However, centralizing and processing all one's data in a single server, where they are exposed to prying eyes, poses a major problem with regards to privacy concern.Conversely, decentralized architectures helping individuals keep full control of their data, but they complexify global treatments and queries, impeding the development of innovative services.In this thesis, we aim at reconciling individual's privacy on one side and global benefits for the community and business perspectives on the other side. It promotes the idea of pushing the security to secure hardware devices controlling the data at the place of their acquisition. Thanks to these tangible physical elements of trust, secure distributed querying protocols can reestablish the capacity to perform global computations, such as SQL aggregates, without revealing any sensitive information to central servers.This thesis studies the subset of SQL queries without external joins and shows how to secure their execution in the presence of honest-but-curious attackers. It also discusses how the resulting querying protocols can be integrated in a concrete decentralized architecture. Cost models and experiments on SQL/AA, our distributed prototype running on real tamper-resistant hardware, demonstrate that this approach can scale to nationwide applications.

De tout temps, l’Homme s’est vu contraint de protéger les fruits de sa créativité et les domaines concernant sa sécurité. Ses informations sont souvent sensibles, dans les relations politiques et commerciales notamment. Aussi, la nécessité de les protéger en les rendant opaques au regard d’adversaires ou de concurrents est vite survenue. Depuis l’Antiquité, les procédés de masquages et enfin de cryptages furent nombreux. Les techniques de protection, depuis l’époque industrielle n’ont fait que croître pour voir apparaître, durant la seconde guerre mondiale, l’archétype des machines électromécaniques (telle l’Enigma), aux performances réputées inviolables. De nos jours, les nouveaux circuits de protection embarquent des procédés aux algorithmes hyper performants. Malgré toutes ces protections, les produits restent la cible privilégiée des « pirates » qui cherchent à casser par tous les moyens les structures de sécurisation, en vue d’utilisations frauduleuses. Ces « hackers » disposent d’une multitude de techniques d’attaques, l’une d’elles utilise un procédé par injections de fautes à l’aide d’un faisceau laser. Dès le début de ce manuscrit (Chapitre I), l’état de l’art de l’injection de fautes sera développé, en se focalisant sur celles faite à l’aide d’un faisceau laser. Ceci aidera à bien appréhender ces procédés intrusifs et ainsi protéger au mieux les microcontrôleurs sécurisés contre ces types d’attaques. Il est nécessaire de bien comprendre les phénomènes physiques mis en jeu lors de l’interaction entre une onde de lumière cohérente, tels les lasers et le matériau physico-chimique qu’est le silicium. De la compréhension de ces phénomènes, une modélisation électrique des portes CMOS sous illumination laser a été mise en oeuvre pour prévoir leurs comportements (chapitre II). De bonnes corrélations ont pu être obtenues entre mesures et simulations électrique. Ces résultats peuvent permettre de tester la sensibilité au laser de portes CMOS au travers de cartographies de simulation. De cette meilleure compréhension des phénomènes et de ce simulateur mis en place, de nombreuses contre-mesures ont été imaginées. Les nouvelles techniques développées, présentées dans ce manuscrit, donnent déjà des pistes pour accroître la robustesse des circuits CMOS contre des attaques laser. D’ores et déjà, ce travail a permis la mise en oeuvre de détecteurs lasers embarqués sur les puces récentes, renforçant ainsi sensiblement la sécurité des produits contre une attaque de type laser. / From time immemorial, human beings have been forced to protect the fruits of their creativity and ensure the security of their property. This information is very often strategic, in particular in political and commercial relationships. Also the need to protect this information by keeping it concealed in regards to enemies or competitors soon appeared. From ancient times, the methods used for masking and eventually encrypting information were numerous. Protection techniques have only advanced grown since the industrial era and have led to the precursor of electro-mechanic machines (such as the famous Enigma machine). Nowadays, new protection circuitry embeds very efficient algorithms. Despite these protections, they remain a prime target for « attackers » who try to break through all means of securing structures, for fraudulent uses. These « attackers » have a multitude of attack techniques. One of them uses a method of fault injections using a laser beam. From the beginning (Chapter I), this manuscript describes the state of the art of fault injections, focusing on those made using a laser beam. It explains these intrusive methods and provides information on how to protect even the most secure microcontrollers against these types of attacks. It is necessary to understand the physical phenomena involved in the interaction between a coherent light wave, such as lasers, and the physicochemical material that makes up a microcontroller. To better understanding these phenomena, an electrical modeling of CMOS gates under laser illumination was implemented to predict their behavior (Chapter II). Good correlations have been obtained between measurements and electrical simulation. These results can be used to test the laser sensitivity of CMOS gates through electrical cartographies. Due to the better understanding of the phenomena and the developed simulator, many countermeasures have been developed. The techniques presented in this manuscript offer new possibilities to increase the robustness of CMOS circuits against laser attacks. This work has already enabled the implementation of efficient counter-measures on embedded laser sensors and significantly enhanced product security against different laser attacks.

Offrir un accès transparent et sécurisé à un ensemble de ressources passe par la définition de logiciels de médiation qui rendent la complexité de l'architecture sous-jacente transparente à l'utilisateur en offrant des facilités de conception, d'intégration, d'interrogation et d'administration permettant le partage de données et de programmes d'une manière fiable et efficace. Un très gros effort a été mené ces vingt dernières années pour aider à la mise en œuvre de ces logiciels de médiation, que cela soit par la communauté bases de données ou par la communauté systèmes distribués. Ces deux communautés adressent différemment le problème de l'accès transparent et sécurisé à des ressources largement distribuées, il est donc important aujourd'hui de comprendre la variabilité des solutions en termes de fonctionnalités, de design, d'algorithmes et d'architectures afin d'identifier les différentes dimensions du problème. <br />Ce mémoire retrace l'ensemble de mes activés de recherche réalisées à partir de 1992 au sein du thème SBD (Systèmes et Bases de Données) du laboratoire PRISM de l'Université de Versailles-St-Quentin, et depuis 2002, dans le cadre du projet SMIS (Secure & Mobile Information System) à l'INRIA. Il détaille les aspects pluridisciplinaires de l'accès transparent aux données comme la conception et le développement de systèmes de médiation de données pour l'interopérabilité de bases de données relationnelles, objets et XML, et la problématique d'accès aux données dans les systèmes à objets distribués à l'aide d'annuaires. Il aborde également la problématique d'accès sécurisé aux données, notamment dans un contexte XML. <br />Ce mémoire détaille l'ensemble de mes contributions scientifiques autour de ces trois thèmes, indique pour chacun d'eux le contexte historique de l'époque et le replace vis-à-vis de l'existant. Pour conclure, il liste un ensemble de perspectives et directions de recherche à la lueur de mon expérience pluridisciplinaire et du constat de l'adoption croissante de XML comme fondation technologique pour l'accès transparent et sécurisé aux données largement distribuées.

A l'origine conçus pour protéger le protocole de Découverte de Voisins (Neighbor Discovery Protocol, NDP) en IPv6, les adresses générées de manière cryptographique (Cryptographically Generated Addresses, CGA) et le protocole SEND (Secure Neighbor Discovery) doivent maintenant s'adapter au contexte de mobilité et à ses nouvelles fonctionnalités. Cette mobilité revêt de nombreuses formes : mobilité du noeud (Mobile IPv6, MIPv6), mobilité des routeurs (Network Mobility, NEMO) ou encore mobilité gérée par le réseau (Proxy Mobile IPv6). De nombreux changements doivent être opérés dans le protocole SEND : les opérations cryptographiques doivent être allégées pour les terminaux à faible capacité de calcul, les incompatibilités entre le partage d'adresse dans les protocoles de mobilité et le mécanisme de protection d'adresses de SEND doivent être corrigés, etc. Dans une première partie de cette thèse, nous présentons le protocole de Découverte de Voisins, les adresses CGA et le protocole de sécurité SEND. Nous étudions leurs limitations et, afin d'améliorer les performances, nous proposons l'utilisation de la cryptographie basée sur les courbes elliptiques (ECC). À travers une série de tests, nous mesurons l'impact de notre proposition. Par la suite, nous modifions les spécifications du protocole SEND afin de supporter de nouveaux algorithmes crytpographiques. Dans une deuxième partie, nous résolvons les incompatibilités entre le protocole SEND et les protocoles de mobilité (par ex. MIPv6) et entre le protocole SEND et les adresses anycast. Dans une dernière partie, nous présentons plusieurs contributions basées sur une utilisation dérivée des adresses CGA et du protocole SEND.

Au fil des années, la technologie sans contact NFC s'est imposée dans notre quotidien au travers des différents services proposés. Les cas d'utilisation sont nombreux allant des cartes de fidélité, des cartes de transport, des cartes de paiement sans contact jusqu'aux cartes de contrôle d'accès. Cependant, les premières générations des cartes NFC ont une sécurité minimale reposant sur l'hypothèse de leur non-clonabilité. De multiples vulnérabilités ont été découvertes et leur exploitation a permis des copies frauduleuses. Afin de remédier à ces vulnérabilités, une nouvelle génération de cartes à la sécurité augmentée a vu le jour. Ces cartes permettent une authentification avec un lecteur basée sur des algorithmes de chiffrements symétriques tels qu'AES, DES, et 3DES. Elles sont plus robustes que la première génération mais ont subi des également une attaque en reverse-engineering. Pour garantir et améliorer le niveau de sécurité du système de contrôle d'accès, nous proposons dans le cadre de l'opération neOCampus, la dématérialisation sécurisée de la carte sans contact sur un smartphone muni de la technologie NFC. Cette dématérialisation nous permet d'exploiter la puissance de calcul et la capacité de stockage du smartphone afin de déployer des algorithmes d'authentification plus robustes. Cependant, l'OS du smartphone ne peut être considéré comme un environnement de confiance. Afin de répondre à la problématique du stockage et du traitement sécurisés sur un smartphone, plusieurs solutions ont été proposées : les Secure Elements (SE), les Trusted Platform Module (TPM), les Trusted Execution Environment (TEE) et la virtualisation. Afin de stocker et de traiter de manière sécurisée les données d'authentification, le TEE apparait comme la solution idéale avec le meilleur compromis sécurité/performances. Cependant, de nombreux smartphones n'embarquent pas encore de TEE. Pour remédier à cette contrainte, nous proposons une architecture basée sur l'utilisation de TEEs déportés sur le Cloud. Le smartphone peut le contacter via une liaison Wi-Fi ou 4G. Pour se faire, un protocole d'authentification basé sur IBAKE est proposé. En plus de ce scénario nominal, deux autres scenarii complémentaires ont été proposés permettant d'accompagner le développement et la démocratisation des TEE non seulement dans le monde des smartphones mais aussi sur des dispositifs peu onéreux comme le Raspberry Pi 3. Ces architectures déploient le même algorithme d'authentification que le scénario nominal. Nous proposons aussi une architecture hors ligne permettant à un utilisateur de s'authentifier à l'aide d'un jeton de connexion en cas d'absence de réseaux sans fil. Cette solution permet de relâcher la contrainte sur la connectivité du smartphone à son Cloud. Nous procédons à une évaluation de l'architecture de dématérialisation et de l'algorithme d'authentification en terme de performances et de sécurité. Les opérations cryptographiques du protocole d'authentification sont les plus coûteuses. Nous avons alors procédé à leur évaluation en nous intéressant en particulier aux opérations de chiffrement IBE et à la génération de challenges ECC. Nos implémentations ont été évaluées pour l'infrastructure Cloud et l'environnement mobile. Nous avons ensuite procédé à une validation du protocole d'authentification sur les trois architectures sélectionnées à l'aide de l'outil Scyther. Nous avons montré, que pour les trois scenarii, la clé de session négociée via le protocole d'authentification restait secrète durant tout le protocole. Cette caractéristique nous garantit que les données d'authentification chiffrées avec cette clé resteront secrètes et que la phase d'identification de la personne est protégée tout en préservant l'ergonomie du système existant. / Over the years, the Near Field Communication technology has emerged in our daily lives through a variety of services. There are several use cases for contactless cards : loyalty cards, metro and bus cards, payment cards and access control cards. However, the first version of these cards has a low security level that is based on the assumption that the cards can not be cloned. To address this issue, a new version of NFC cards has been developed. It allows an authentication with the NFC reader through symmetric encryption algorithms such as AES, DES or 3DES. These cards are more robust that the previous ones. However, these cards have also undergone a reverseengineering attack. We propose, in the context of the neOCampus project, to replace the contactless cards with a smartphone equipped with the NFC capabilities. This process, called dematerialization, allows us to take advantage of the computational power and the storage capabilities of the smartphone to deploy more complex and robust authentication algorithms. However, the OS of the smartphone can not be considered as a trusted environment for the storage and the processing of sensitive data. To address these issues, several solutions were proposed : Secure Elements (SE), Trusted Platform Module (TPM), Trusted Execution Environment (TEE) and Virtualization. In order to store and process securely authentication data, the TEE seems to be the best trade-off between security and performances. Nevertheless, many smartphones do not embeed TEE and it is necessary to negotiate agreements with the TEE manufacturers in order to deploy a secure application on it. In order to figure out these issues, we propose to set up an architecture with a TEE in the Cloud. The smartphone has a secure Cloud that can be reached through a Wi-Fi or 4G connection. The reader has also its own secure Cloud reachable with an Ethernet link. An authentication protocol based on IBAKE is also proposed. In addition to this scenario, two other scenarios were proposed to follow the development and democratization of the TEE on the smartphones and on some inexpensive devices such as Raspberry Pi 3. These alternative architectures deploy the same authentication protocol as the main scenario. We propose an offline architecture allowing a user to authenticate using a connection token. This solution relaxes the connectivity constraint between the smartphone and its secure Cloud. We perform an evaluation of our architecture and of the authentication algorithm in terms of performances and security. The cryptographical operations of the authentication protocol are the most consuming operations in term of performance. We have chosen to target these operations especially the encryption with the IBE and the ECC challenges generation. Our implementations have been evaluated for a Cloud infrastructure and a mobile-like environment. We also perform a formal verification of the authentication protocol through the three considered architectures with Scyther. We showed that, for the three scenarios, that the session key negotiated through the authentication protocol remains secret during the overall execution of the protocol. These characteristic guarantee that the authentication data encrypted with this key will remain secret and that this step of the algorithm will be secure while preserving the ergonomy of the existing system.

Les bénéfices engendrés par les études statistiques sur les données personnelles des individus sont nombreux, que ce soit dans le médical, l'énergie ou la gestion du trafic urbain pour n'en citer que quelques-uns. Les initiatives publiques de smart-disclosure et d'ouverture des données rendent ces études statistiques indispensables pour les institutions et industries tout autour du globe. Cependant, ces calculs peuvent exposer les données personnelles des individus, portant ainsi atteinte à leur vie privée. Les individus sont alors de plus en plus réticent à participer à des études statistiques malgré les protections garanties par les instituts. Pour retrouver la confiance des individus, il devient nécessaire de proposer dessolutions de user empowerment, c'est-à-dire permettre à chaque utilisateur de contrôler les paramètres de protection des données personnelles les concernant qui sont utilisées pour des calculs.Cette thèse développe donc un nouveau concept d'anonymisation personnalisé, basé sur la généralisation de données et sur le user empowerment.En premier lieu, ce manuscrit propose une nouvelle approche mettant en avant la personnalisation des protections de la vie privée par les individus, lors de calculs d'agrégation dans une base de données. De cette façon les individus peuvent fournir des données de précision variable, en fonction de leur perception du risque. De plus, nous utilisons une architecture décentralisée basée sur du matériel sécurisé assurant ainsi les garanties de respect de la vie privée tout au long des opérations d'agrégation.En deuxième lieu, ce manuscrit étudie la personnalisations des garanties d'anonymat lors de la publication de jeux de données anonymisés. Nous proposons l'adaptation d'heuristiques existantes ainsi qu'une nouvelle approche basée sur la programmation par contraintes. Des expérimentations ont été menées pour étudier l'impact d’une telle personnalisation sur la qualité des données. Les contraintes d’anonymat ont été construites et simulées de façon réaliste en se basant sur des résultats d'études sociologiques. / The benefit of performing Big data computations over individual’s microdata is manifold, in the medical, energy or transportation fields to cite only a few, and this interest is growing with the emergence of smart-disclosure initiatives around the world. However, these computations often expose microdata to privacy leakages, explaining the reluctance of individuals to participate in studies despite the privacy guarantees promised by statistical institutes. To regain indivuals’trust, it becomes essential to propose user empowerment solutions, that is to say allowing individuals to control the privacy parameter used to make computations over their microdata.This work proposes a novel concept of personalized anonymisation based on data generalization and user empowerment.Firstly, this manuscript proposes a novel approach to push personalized privacy guarantees in the processing of database queries so that individuals can disclose different amounts of information (i.e. data at different levels of accuracy) depending on their own perception of the risk. Moreover, we propose a decentralized computing infrastructure based on secure hardware enforcing these personalized privacy guarantees all along the query execution process.Secondly, this manuscript studies the personalization of anonymity guarantees when publishing data. We propose the adaptation of existing heuristics and a new approach based on constraint programming. Experiments have been done to show the impact of such personalization on the data quality. Individuals’privacy constraints have been built and realistically using social statistic studies

Les systèmes de communication ont besoin d'accéder, stocker, manipuler, ou de communiquer des informations sensibles. Par conséquent, les primitives cryptographiques tels que les fonctions de hachage et le chiffrement par blocs sont déployés pour fournir le cryptage et l'authentification. Récemment, des techniques ont été inventés pour combiner cryptage et d'authentification en un seul algorithme qui est appelé authentifiés Encryption (AE). La combinaison de ces deux services de sécurité dans le matériel de meilleures performances par rapport aux deux algorithmes séparés puisque l'authentification et le cryptage peuvent partager une partie du calcul. En raison de la combinaison de la programmation de l'exécution d'matériel personnalisé, FPGA deviennent plus communs comme cible d'une mise en œuvre de ces algorithmes. La première partie de cette thèse est consacrée aux architectures d'algorithmes AE, AES-GCM et AEGIS-128 à base de FPGA efficaces et à grande vitesse, afin d'être utilisé dans la partie reconfigurable FPGA pour soutenir les services de sécurité des systèmes de communication. Notre focalisation sur l'état de l'art conduit à la mise en place d'architectures à haute vitesse pour les applications lentes touches changeantes comme les réseaux privés virtuels (VPN). En outre, nous présentons un procédé efficace pour mettre en oeuvre le GF($2^{128}$) multiplicateur, qui est responsable de la tâche d'authentification en AES-GCM, pour supporter les applications à grande vitesse. En outre, un système efficace AEGIS-128 est également mis en œuvre en utilisant seulement cinq tours AES. Nos réalisations matérielles ont été évaluées à l'aide Virtex-5 et Virtex-4 FPGA. La performance des architectures présentées (Thr. / Parts) surpasse ceux signalés précédemment.La deuxième partie de la thèse présente des techniques pour des solutions à faible coût afin de garantir la reconfiguration du FPGA. Nous présentons différentes gammes de mises en œuvre à faible coût de AES-GCM, AES-CCM, et AEGIS-128, qui sont utilisés dans la partie statique du FPGA afin de décrypter et authentifier le bitstream FPGA. Architectures ASIC présentées ont été évaluées à l'aide de 90 et 65 technologies nm et présentent de meilleures performances par rapport aux travaux antérieurs. / Communication systems need to access, store, manipulate, or communicate sensitive information. Therefore, cryptographic primitives such as hash functions and block ciphers are deployed to provide encryption and authentication. Recently, techniques have been invented to combine encryption and authentication into a single algorithm which is called Authenticated Encryption (AE). Combining these two security services in hardware produces better performance compared to two separated algorithms since authentication and encryption can share a part of the computation. Because of combining the programmability with the performance ofcustom hardware, FPGAs become more common as an implementation target for such algorithms. The first part of this thesis is devoted to efficient and high-speed FPGA-based architectures of AE algorithms, AES-GCM and AEGIS-128, in order to be used in the reconfigurable part of FPGAs to support security services of communication systems. Our focus on the state of the art leads to the introduction of high-speed architectures for slow changing keys applications like Virtual Private Networks (VPNs). Furthermore, we present an efficient method for implementing the GF($2^{128}$) multiplier, which is responsible for the authentication task in AES-GCM, to support high-speed applications. Additionally, an efficient AEGIS-128is also implemented using only five AES rounds. Our hardware implementations were evaluated using Virtex-5 and Virtex-4 FPGAs. The performance of the presented architectures (Thr./Slices) outperforms the previously reported ones.The second part of the thesis presents techniques for low cost solutions in order to secure the reconfiguration of FPGAs. We present different ranges of low cost implementations of AES-GCM, AES-CCM, and AEGIS-128, which are used in the static part of the FPGA in order to decrypt and authenticate the FPGA bitstream. Presented ASIC architectures were evaluated using 90 and 65 nm technologies and they present better performance compared to the previous work.

La mutualisation et l'externalisation de données concernent de nombreux domaines y compris celui de la santé. Au-delà de la réduction des coûts de maintenance, l'intérêt est d'améliorer la prise en charge des patients par le déploiement d'outils d'aide au diagnostic fondés sur la réutilisation des données. Dans un tel environnement, la sécurité des données (confidentialité, intégrité et traçabilité) est un enjeu majeur. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse. Ils concernent en particulier la sécurisation des techniques de recherche d'images par le contenu (CBIR) et de « machine learning » qui sont au c'ur des systèmes d'aide au diagnostic. Ces techniques permettent de trouver des images semblables à une image requête non encore interprétée. L'objectif est de définir des approches capables d'exploiter des données externalisées et sécurisées, et de permettre à un « cloud » de fournir une aide au diagnostic. Plusieurs mécanismes permettent le traitement de données chiffrées, mais la plupart sont dépendants d'interactions entre différentes entités (l'utilisateur, le cloud voire un tiers de confiance) et doivent être combinés judicieusement de manière à ne pas laisser fuir d'information lors d'un traitement.Au cours de ces trois années de thèse, nous nous sommes dans un premier temps intéressés à la sécurisation à l'aide du chiffrement homomorphe, d'un système de CBIR externalisé sous la contrainte d'aucune interaction entre le fournisseur de service et l'utilisateur. Dans un second temps, nous avons développé une approche de « Machine Learning » sécurisée fondée sur le perceptron multicouches, dont la phase d'apprentissage peut être externalisée de manière sûre, l'enjeu étant d'assurer la convergence de cette dernière. L'ensemble des données et des paramètres du modèle sont chiffrés. Du fait que ces systèmes d'aides doivent exploiter des informations issues de plusieurs sources, chacune externalisant ses données chiffrées sous sa propre clef, nous nous sommes intéressés au problème du partage de données chiffrées. Un problème traité par les schémas de « Proxy Re-Encryption » (PRE). Dans ce contexte, nous avons proposé le premier schéma PRE qui permet à la fois le partage et le traitement des données chiffrées. Nous avons également travaillé sur un schéma de tatouage de données chiffrées pour tracer et vérifier l'intégrité des données dans cet environnement partagé. Le message tatoué dans le chiffré est accessible que l'image soit ou non chiffrée et offre plusieurs services de sécurité fondés sur le tatouage. / Cloud computing has emerged as a successful paradigm allowing individuals and companies to store and process large amounts of data without a need to purchase and maintain their own networks and computer systems. In healthcare for example, different initiatives aim at sharing medical images and Personal Health Records (PHR) in between health professionals or hospitals with the help of the cloud. In such an environment, data security (confidentiality, integrity and traceability) is a major issue. In this context that these thesis works, it concerns in particular the securing of Content Based Image Retrieval (CBIR) techniques and machine learning (ML) which are at the heart of diagnostic decision support systems. These techniques make it possible to find similar images to an image not yet interpreted. The goal is to define approaches that can exploit secure externalized data and enable a cloud to provide a diagnostic support. Several mechanisms allow the processing of encrypted data, but most are dependent on interactions between different entities (the user, the cloud or a trusted third party) and must be combined judiciously so as to not leak information. During these three years of thesis, we initially focused on securing an outsourced CBIR system under the constraint of no interaction between the users and the service provider (cloud). In a second step, we have developed a secure machine learning approach based on multilayer perceptron (MLP), whose learning phase can be outsourced in a secure way, the challenge being to ensure the convergence of the MLP. All the data and parameters of the model are encrypted using homomorphic encryption. Because these systems need to use information from multiple sources, each of which outsources its encrypted data under its own key, we are interested in the problem of sharing encrypted data. A problem known by the "Proxy Re-Encryption" (PRE) schemes. In this context, we have proposed the first PRE scheme that allows both the sharing and the processing of encrypted data. We also worked on watermarking scheme over encrypted data in order to trace and verify the integrity of data in this shared environment. The embedded message is accessible whether or not the image is encrypted and provides several services.

Les architectures des processeurs et coprocesseurs cryptographiques se montrent fréquemment vulnérables aux différents types d’attaques ; en particulier, celles qui ciblent une révélation des clés chiffrées. Il est bien connu qu’une manipulation des clés confidentielles comme des données standards par un processeur peut être considérée comme une menace. Ceci a lieu par exemple lors d’un changement du code logiciel (malintentionné ou involontaire) qui peut provoquer que la clé confidentielle sorte en clair de la zone sécurisée. En conséquence, la sécurité de tout le système serait irréparablement menacée. L’objectif que nous nous sommes fixé dans le travail présenté, était la recherche d’architectures matérielles reconfigurables qui peuvent fournir une sécurité élevée des clés confidentielles pendant leur génération, leur enregistrement et leur échanges en implantant des modes cryptographiques de clés symétriques et des protocoles. La première partie de ce travail est destinée à introduire les connaissances de base de la cryptographie appliquée ainsi que de l’électronique pour assurer une bonne compréhension des chapitres suivants. Deuxièmement, nous présentons un état de l’art des menaces sur la confidentialité des clés secrètes dans le cas où ces dernières sont stockées et traitées dans un système embarqué. Pour lutter contre les menaces mentionnées, nous proposons alors de nouvelles règles au niveau du design de l’architecture qui peuvent augmenter la résistance des processeurs et coprocesseurs cryptographiques contre les attaques logicielles. Ces règles prévoient une séparation des registres dédiés à l’enregistrement de clés et ceux dédiés à l’enregistrement de données : nous proposons de diviser le système en zones : de données, du chiffreur et des clés et à isoler ces zones les unes des autres au niveau du protocole, du système, de l’architecture et au niveau physique. Ensuite, nous présentons un nouveau crypto-processeur intitulé HCrypt, qui intègre ces règles de séparation et qui assure ainsi une gestion sécurisée des clés. Mises à part les instructions relatives à la gestion sécurisée de clés, quelques instructions supplémentaires sont dédiées à une réalisation simple des modes de chiffrement et des protocoles cryptographiques. Dans les chapitres suivants, nous explicitons le fait que les règles de séparation suggérées, peuvent également être étendues à l’architecture d’un processeur généraliste et coprocesseur. Nous proposons ainsi un crypto-coprocesseur sécurisé qui est en mesure d’être utilisé en relation avec d’autres processeurs généralistes. Afin de démontrer sa flexibilité, le crypto-coprocesseur est interconnecté avec les processeurs soft-cores de NIOS II, de MicroBlaze et de Cortex M1. Par la suite, la résistance du crypto-processeur par rapport aux attaques DPA est testée. Sur la base de ces analyses, l’architecture du processeur HCrypt est modifiée afin de simplifier sa protection contre les attaques par canaux cachés (SCA) et les attaques par injection de fautes (FIA). Nous expliquons aussi le fait qu’une réorganisation des blocs au niveau macroarchitecture du processeur HCrypt, augmente la résistance du nouveau processeur HCrypt2 par rapport aux attaques de type DPA et FIA. Nous étudions ensuite les possibilités pour pouvoir reconfigurer dynamiquement les parties sélectionnées de l’architecture du processeur – crypto-coprocesseur. La reconfiguration dynamique peut être très utile lorsque l’algorithme de chiffrement ou ses implantations doivent être changés en raison de l’apparition d’une vulnérabilité Finalement, la dernière partie de ces travaux de thèse, est destinée à l’exécution des tests de fonctionnalité et des optimisations stricts des deux versions du cryptoprocesseur HCrypt / Architectures of cryptographic processors and coprocessors are often vulnerable to different kinds of attacks, especially those targeting the disclosure of encryption keys. It is well known that manipulating confidential keys by the processor as ordinary data can represent a threat: a change in the program code (malicious or unintentional) can cause the unencrypted confidential key to leave the security area. This way, the security of the whole system would be irrecoverably compromised. The aim of our work was to search for flexible and reconfigurable hardware architectures, which can provide high security of confidential keys during their generation, storage and exchange while implementing common symmetric key cryptographic modes and protocols. In the first part of the manuscript, we introduce the bases of applied cryptography and of reconfigurable computing that are necessary for better understanding of the work. Second, we present threats to security of confidential keys when stored and processed within an embedded system. To counteract these threats, novel design rules increasing robustness of cryptographic processors and coprocessors against software attacks are presented. The rules suggest separating registers dedicated to key storage from those dedicated to data storage: we propose to partition the system into the data, cipher and key zone and to isolate the zones from each other at protocol, system, architectural and physical levels. Next, we present a novel HCrypt crypto-processor complying with the separation rules and thus ensuring secure key management. Besides instructions dedicated to secure key management, some additional instructions are dedicated to easy realization of block cipher modes and cryptographic protocols in general. In the next part of the manuscript, we show that the proposed separation principles can be extended also to a processor-coprocessor architecture. We propose a secure crypto-coprocessor, which can be used in conjunction with any general-purpose processor. To demonstrate its flexibility, the crypto-coprocessor is interconnected with the NIOS II, MicroBlaze and Cortex M1 soft-core processors. In the following part of the work, we examine the resistance of the HCrypt cryptoprocessor to differential power analysis (DPA) attacks. Following this analysis, we modify the architecture of the HCrypt processor in order to simplify its protection against side channel attacks (SCA) and fault injection attacks (FIA). We show that by rearranging blocks of the HCrypt processor at macroarchitecture level, the new HCrypt2 processor becomes natively more robust to DPA and FIA. Next, we study possibilities of dynamically reconfiguring selected parts of the processor - crypto-coprocessor architecture. The dynamic reconfiguration feature can be very useful when the cipher algorithm or its implementation must be changed in response to appearance of some vulnerability. Finally, the last part of the manuscript is dedicated to thorough testing and optimizations of both versions of the HCrypt crypto-processor. Architectures of crypto-processors and crypto-coprocessors are often vulnerable to software attacks targeting the disclosure of encryption keys. The thesis introduces separation rules enabling crypto-processor/coprocessors to support secure key management. Separation rules are implemented on novel HCrypt crypto-processor resistant to software attacks targetting the disclosure of encryption keys

Ce travail de thèse a pour objectif de renforcer la protection de la vie privée dans l'édition collaborative de documents dématérialisés. Une première partie de notre travail a consisté en l'élaboration d'un modèle sécurisé d'éditeur collaboratif de documents. La confidentialité des documents est assurée grâce à un contrôle d'accès décentralisé. Une seconde partie a été de protéger l'identité des utilisateurs communicants en assurant leur anonymat lors de l'édition des documents. Notre concept d'éditeur collaboratif est fondé sur l'utilisation d'ensembles de modifications apportées à un document, que nous nommons deltas, lesquels définissent des versions du document. Les deltas permettent de conserver l'historique des modifications successives. Lorsqu'une nouvelle version d'un document apparait, seul le nouveau delta qui en découle doit être transmis et stocké : les documents sont ainsi distribués à travers un ensemble de sites de stockage. Cela permet, d'une part, d'alléger la charge du gestionnaire des versions des documents, et d'autre part, d'améliorer la sécurité générale. La récupération décentralisée d'une nouvelle version nécessite seulement celle des deltas manquants par rapport à une version précédente; elle est donc moins coûteuse que la récupération du document en entier. L'information du lien entre les deltas est enregistrée directement avec les deltas et non dans une table ou dans un objet de métadonnées ce qui améliore leur sécurité. La gestion des versions est faite afin de maintenir une cohérence entre les versions. / This thesis aims to strengthen the protection of privacy of authors in collaborative editing of electronic documents. The first part of our work consisted in the design a secured model for a collaborative document editor. Documents' confidentiality is ensured through a decentralized access control mechanism. A second part of the work was to protect the identity of communicating users by ensuring their anonymity during collaborative document editing. Our concept of collaborative editor is based on the use of sets of modifications for a document, which we call textit{deltas}. Thus, deltas define versions of the document and they can keep the history of subsequent modifications. When a new version of a document appears, only the new delta that results must be transmitted and stored : documents are thus distributed across a set of storage sites (servers). We show how this allows, first, to reduce the load of document version control system, and secondly, to improve overall security of the collaborative system. Decentralized recovery of a new version requires only recovery of appropriate deltas against a previous version and is therefore more efficient than recovering the entire document. The information of the link between deltas is stored directly with deltas and not in a table or a metadata object, that improves their security. The version control system maintains consistency between versions. Once a user has retrieved versions, she holds them in local, and the history can be accessed at any time without being necessary to connect to the central server. Deltas can be identified, indexed and maintained their integrity through the use of hash functions.