Anonymous communications networks help to solve the real and important problem of enabling users to communicate privately over the Internet. However, by doing so, they also introduce an entirely new problem: How can service providers on the Internet---such as websites, IRC networks and mail servers---allow anonymous access while protecting themselves against abuse by misbehaving anonymous users? Recent research efforts have focused on using anonymous blacklisting systems (also known as anonymous revocation systems) to solve this problem. As opposed to revocable anonymity systems, which enable some trusted third party to deanonymize users, anonymous blacklisting systems provide a way for users to authenticate anonymously with a service provider, while enabling the service provider to revoke access from individual misbehaving anonymous users without revealing their identities. The literature contains several anonymous blacklisting systems, many of which are impractical for real-world deployment. In 2006, however, Tsang et al. proposed Nymble, which solves the anonymous blacklisting problem very efficiently using trusted third parties. Nymble has inspired a number of subsequent anonymous blacklisting systems. Some of these use fundamentally different approaches to accomplish what Nymble does without using third parties at all; so far, these proposals have all suffered from serious performance and scalability problems. Other systems build on the Nymble framework to reduce Nymble's trust assumptions while maintaining its highly efficient design. The primary contribution of this thesis is a new anonymous blacklisting system built on the Nymble framework---a nimbler version of Nymble---called Nymbler. We propose several enhancements to the Nymble framework that facilitate the construction of a scheme that minimizes trust in third parties. We then propose a new set of security and privacy properties that anonymous blacklisting systems should possess to protect: 1) users' privacy against malicious service providers and third parties (including other malicious users), and 2) service providers against abuse by malicious users. We also propose a set of performance requirements that anonymous blacklisting systems should meet to maximize their potential for real-world adoption, and formally define some optional features in the anonymous blacklisting systems literature. We then present Nymbler, which improves on existing Nymble-like systems by reducing the level of trust placed in third parties, while simultaneously providing stronger privacy guarantees and some new functionality. It avoids dependence on trusted hardware and unreasonable assumptions about non-collusion between trusted third parties. We have implemented all key components of Nymbler, and our measurements indicate that the system is highly practical. Our system solves several open problems in the anonymous blacklisting systems literature, and makes use of some new cryptographic constructions that are likely to be of independent theoretical interest.

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.

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

Dans cette thèse, nous étudions les preuves à divulgation nulle de connaissance, une primitive cryptographique permettant de prouver une assertion en ne révélant rien de plus que sa véracité, et leurs applications au calcul sécurisé. Nous introduisons tout d’abord un nouveau type de preuves à divulgation nulle, appelées arguments implicites à divulgation nulle, intermédiaire entre deux notions existantes, les preuves interactives et les preuves non interactives à divulgation nulle. Cette nouvelle notion permet d’obtenir les mêmes bénéfices en terme d’efficacité que les preuves non-interactives dans le contexte de la construction de protocoles de calcul sécurisé faiblement interactifs, mais peut être instanciée à partir des mêmes hypothèses cryptographiques que les preuves interactives, permettant d’obtenir de meilleures garanties d’efficacité et de sécurité. Dans un second temps, nous revisitons un système de preuves à divulgation nulle de connaissance qui est particulièrement utile dans le cadre de protocoles de calcul sécurisé manipulant des nombres entiers, et nous démontrons que son analyse de sécurité classique peut être améliorée pour faire reposer ce système de preuve sur une hypothèse plus standard et mieux connue. Enfin, nous introduisons une nouvelle méthode de construction de systèmes de preuves à divulgation nulle sur les entiers, qui représente une amélioration par rapport aux méthodes existantes, tout particulièrement dans un modèle de type client-serveur, où un client à faible puissance de calcul participe à un protocole de calcul sécurisé avec un serveur à forte puissance de calcul. / In this thesis, we study zero-knowledge proofs, a cryptographic primitive that allows to prove a statement while yielding nothing beyond its truth, and their applications to secure computation. Specifically, we first introduce a new type of zero-knowledge proofs, called implicit zero-knowledge arguments, that stands between two existing notions, interactive zeroknowledge proofs and non-interactive zero-knowledge proofs. Our new notion provides the same efficiency benefits than the latter when used to design roundefficient secure computation protocols, but it can be built from essentially the same cryptographic assumptions than the former, which allows to get improved efficiency and security guarantees. Second, we revisit a zero-knowledge proof system that is particularly useful for secure computation protocols manipulating integers, and show that the known security analysis can be improved to base the proof system on a more wellstudied assumption. Eventually, we introduce a new method to build zero-knowledge proof systems over the integers, which particularly improves over existing methods in a client-server model, where a weak client executes a secure computation protocol with a powerful server.

Voting is a fundamental decision making instrument in any consensus-based society. It is employed in various applications from student body elections, reality television shows, shareholder meetings, to national elections. With the motivation of better eciency, scalability, speed, and lower cost, voting is currently shifting from paper-based to the use of electronic medium. This is while aiming to achieve better security, such that voting result reflects true opinions of the voters. Our research focuses on the study of cryptographic voting protocols accommodating a flexible ballot structure as a foundation for building a secure electronic voting system with acceptable voting results. In particular, we search for a solution suitable for the preferential voting system employed in the Australian Federal Election. The outcomes of the research include: improvements and applications of batch proof and verication theorems and techniques, a proposed alternative homomorphic encryption based voting scheme, a proposed Extended Binary Mixing Gate (EBMG) mix-network scheme, a new threshold randomisation technique to achieve receipt-freeness property in voting, and the application of cryptographic voting protocol for preferential voting. The threats and corresponding requirements for a secure secret-ballot voting scheme are rst discussed. There are significant security concerns about the conduct of electronic voting, and it is essential that the voting results re ect the true opinions of the voters - especially in political elections. We examine and extend batch processing proofs and verifications theorems and proposed applications of the theorems useful for voting. Many instances of similar operations can be processed in a single instance using a batch technique based on one of the batch theorems. As the proofs and verications provide formal assurances that the voting process is secure, batch processing offers great efficiency improvements while retaining the security required in a real-world implementation of the protocol. The two main approaches in cryptographic voting protocols, homomorphic encryption based voting and mix-network based voting, are both studied in this research. An alternative homomorphic voting scheme using multiplicative homomorphism property, and a number of novel mix-network schemes are proposed. It is shown that compared to the mix-network approach, homomorphic encryption schemes are not scalable for straight-forward adaptation of preferential systems. One important requirement of secret-ballot voting is receipt-freeness. A randomisation technique to achieve receipt-freeness in voting is examined and applied in an ecient and practical voting scheme employing an optimistic mix-network. A more general technique using threshold randomisation is also proposed. Combination of the primitives, both the homomorphic encryption and mixnetwork approach, yields a hybrid approach producing a secure and ecient secret-ballot voting scheme accommodating a exible ballot structure. The resulting solution oers a promising foundation for secure and practical secret-ballot electronic voting accommodating any type of counting system.

La sécurité de l’information repose sur la bonne interaction entre différents niveaux d’abstraction : les composants matériels, systèmes d’exploitation, algorithmes, et réseaux de communication. Cependant, protéger ces éléments a un coût ; ainsi de nombreux appareils sont laissés sans bonne couverture. Cette thèse s’intéresse à ces différents aspects, du point de vue de la sécurité et de la cryptographie. Nous décrivons ainsi de nouveaux algorithmes cryptographiques (tels que des raffinements du chiffrement de Naccache–Stern), de nouveaux protocoles (dont un algorithme d’identification distribuée à divulgation nulle de connaissance), des algorithmes améliorés (dont un nouveau code correcteur et un algorithme efficace de multiplication d’entiers),ainsi que plusieurs contributions à visée systémique relevant de la sécurité de l’information et à l’intrusion. En outre, plusieurs de ces contributions s’attachent à l’amélioration des performances des constructions existantes ou introduites dans cette thèse. / Information security relies on the correct interaction of several abstraction layers: hardware, operating systems, algorithms, and networks. However, protecting each component of the technological stack has a cost; for this reason, many devices are left unprotected or under-protected. This thesis addresses several of these aspects, from a security and cryptography viewpoint. To that effect we introduce new cryptographic algorithms (such as extensions of the Naccache–Stern encryption scheme), new protocols (including a distributed zero-knowledge identification protocol), improved algorithms (including a new error-correcting code, and an efficient integer multiplication algorithm), as well as several contributions relevant to information security and network intrusion. Furthermore, several of these contributions address the performance of existing and newly-introduced constructions.

Au cours de la dernière décennie, avec la standardisation d’Internet, le développement des réseaux à haut débit, le paiement à l’usage et la quête sociétale de la mobilité, le monde informatique a vu se populariser un nouveau paradigme, le Cloud. Le recours au cloud est de plus en plus remarquable compte tenu de plusieurs facteurs, notamment ses architectures rentables, prenant en charge la transmission, le stockage et le calcul intensif de données. Cependant, ces services de stockage prometteurs soulèvent la question de la protection des données et de la conformité aux réglementations, considérablement due à la perte de maîtrise et de gouvernance. Cette dissertation vise à surmonter ce dilemme, tout en tenant compte de deux préoccupations de sécurité des données, à savoir la confidentialité des données et l’intégrité des données. En premier lieu, nous nous concentrons sur la confidentialité des données, un enjeu assez considérable étant donné le partage de données flexible au sein d’un groupe dynamique d’utilisateurs. Cet enjeu exige, par conséquence, un partage efficace des clés entre les membres du groupe. Pour répondre à cette préoccupation, nous avons, d’une part, proposé une nouvelle méthode reposant sur l’utilisation de la cryptographie basée sur l’identité (IBC), où chaque client agit comme une entité génératrice de clés privées. Ainsi, il génère ses propres éléments publics et s’en sert pour le calcul de sa clé privée correspondante. Grâce aux propriétés d’IBC, cette contribution a démontré sa résistance face aux accès non autorisés aux données au cours du processus de partage, tout en tenant compte de deux modèles de sécurité, à savoir un serveur de stockage honnête mais curieux et un utilisateur malveillant. D’autre part, nous définissons CloudaSec, une solution à base de clé publique, qui propose la séparation de la gestion des clés et les techniques de chiffrement, sur deux couches. En effet, CloudaSec permet un déploiement flexible d’un scénario de partage de données ainsi que des garanties de sécurité solides pour les données externalisées sur les serveurs du cloud. Les résultats expérimentaux, sous OpenStack Swift, ont prouvé l’efficacité de CloudaSec, en tenant compte de l’impact des opérations cryptographiques sur le terminal du client. En deuxième lieu, nous abordons la problématique de la preuve de possession de données (PDP). En fait, le client du cloud doit avoir un moyen efficace lui permettant d’effectuer des vérifications périodiques d’intégrité à distance, sans garder les données localement. La preuve de possession se base sur trois aspects : le niveau de sécurité, la vérification publique, et les performances. Cet enjeu est amplifié par des contraintes de stockage et de calcul du terminal client et de la taille des données externalisées. Afin de satisfaire à cette exigence de sécurité, nous définissons d’abord un nouveau protocole PDP, sans apport de connaissance, qui fournit des garanties déterministes de vérification d’intégrité, en s’appuyant sur l’unicité de la division euclidienne. Ces garanties sont considérées comme intéressantes par rapport à plusieurs schémas proposés, présentant des approches probabilistes. Ensuite, nous proposons SHoPS, un protocole de preuve de possession de données capable de traiter les trois relations d’ensembles homomorphiques. SHoPS permet ainsi au client non seulement d’obtenir une preuve de la possession du serveur distant, mais aussi de vérifier que le fichier, en question, est bien réparti sur plusieurs périphériques de stockage permettant d’atteindre un certain niveau de la tolérance aux pannes. En effet, nous présentons l’ensemble des propriétés homomorphiques, qui étend la malléabilité du procédé aux propriétés d’union, intersection et inclusion / Recent technological advances have given rise to the popularity and success of cloud. This new paradigm is gaining an expanding interest, since it provides cost efficient architectures that support the transmission, storage, and intensive computing of data. However, these promising storage services bring many challenging design issues, considerably due to the loss of data control. These challenges, namely data confidentiality and data integrity, have significant influence on the security and performances of the cloud system. This thesis aims at overcoming this trade-off, while considering two data security concerns. On one hand, we focus on data confidentiality preservation which becomes more complex with flexible data sharing among a dynamic group of users. It requires the secrecy of outsourced data and an efficient sharing of decrypting keys between different authorized users. For this purpose, we, first, proposed a new method relying on the use of ID-Based Cryptography (IBC), where each client acts as a Private Key Generator (PKG). That is, he generates his own public elements and derives his corresponding private key using a secret. Thanks to IBC properties, this contribution is shown to support data privacy and confidentiality, and to be resistant to unauthorized access to data during the sharing process, while considering two realistic threat models, namely an honest but curious server and a malicious user adversary. Second, we define CloudaSec, a public key based solution, which proposes the separation of subscription-based key management and confidentiality-oriented asymmetric encryption policies. That is, CloudaSec enables flexible and scalable deployment of the solution as well as strong security guarantees for outsourced data in cloud servers. Experimental results, under OpenStack Swift, have proven the efficiency of CloudaSec in scalable data sharing, while considering the impact of the cryptographic operations at the client side. On the other hand, we address the Proof of Data Possession (PDP) concern. In fact, the cloud customer should have an efficient way to perform periodical remote integrity verifications, without keeping the data locally, following three substantial aspects : security level, public verifiability, and performance. This concern is magnified by the client’s constrained storage and computation capabilities and the large size of outsourced data. In order to fulfill this security requirement, we first define a new zero-knowledge PDP proto- col that provides deterministic integrity verification guarantees, relying on the uniqueness of the Euclidean Division. These guarantees are considered as interesting, compared to several proposed schemes, presenting probabilistic approaches. Then, we propose SHoPS, a Set-Homomorphic Proof of Data Possession scheme, supporting the 3 levels of data verification. SHoPS enables the cloud client not only to obtain a proof of possession from the remote server, but also to verify that a given data file is distributed across multiple storage devices to achieve a certain desired level of fault tolerance. Indeed, we present the set homomorphism property, which extends malleability to set operations properties, such as union, intersection and inclusion. SHoPS presents high security level and low processing complexity. For instance, SHoPS saves energy within the cloud provider by distributing the computation over multiple nodes. Each node provides proofs of local data block sets. This is to make applicable, a resulting proof over sets of data blocks, satisfying several needs, such as, proofs aggregation