Génération de clés secrètes avec la couche physique dans les réseaux sans fil décentralisés Dans cette thèse on s’est intéressé aux méthodes de génération de clés secrètes symétriques en utilisant la couche physique ultra large bande impulsionnelle (IR-UWB). Les travaux ont été réalisés selon trois axes, les deux premiers concernant la communication point-à-point et le dernier, les communications coopératives. Tout d’abord, la quantification des signaux typiques IR-UWB (soit directement échantillonnés, soit estimés) a été investiguée, principalement du point de vue du compromis entre la robustesse (ou réciprocité) des séquences binaires obtenues et leur caractère aléatoire. Différents algorithmes de quantification valorisant l’information temporelle offerte par les canaux IR-UWB pour améliorer ce compromis ont alors été proposés. Ensuite, des études concernant les échanges publics nécessaires à l’étape de réconciliation (visant la correction d’éventuels désaccords entre les séquences binaires générées de part et d’autre du lien) ont montré qu’il était possible d’être plus robuste face aux attaques passives en utilisant des informations de plus haut niveau, inhérentes à cette technologie et disponibles à moindre coût (ex. via une estimation précise du temps de vol aller-retour). Finalement, une nouvelle méthode a été développée afin d’étendre les schémas de génération de clé point-à-point à plusieurs nœuds (trois dans nos études) en utilisant directement la couche physique fournie par les liens radio entre les nœuds.
Génération de clés secrètes avec la couche physique dans les réseaux sans fil décentralisés Dans cette thèse on s’est intéressé aux méthodes de génération de clés secrètes symétriques en utilisant la couche physique ultra large bande impulsionnelle (IR-UWB). Les travaux ont été réalisés selon trois axes, les deux premiers concernant la communication point-à-point et le dernier, les communications coopératives. Tout d’abord, la quantification des signaux typiques IR-UWB (soit directement échantillonnés, soit estimés) a été investiguée, principalement du point de vue du compromis entre la robustesse (ou réciprocité) des séquences binaires obtenues et leur caractère aléatoire. Différents algorithmes de quantification valorisant l’information temporelle offerte par les canaux IR-UWB pour améliorer ce compromis ont alors été proposés. Ensuite, des études concernant les échanges publics nécessaires à l’étape de réconciliation (visant la correction d’éventuels désaccords entre les séquences binaires générées de part et d’autre du lien) ont montré qu’il était possible d’être plus robuste face aux attaques passives en utilisant des informations de plus haut niveau, inhérentes à cette technologie et disponibles à moindre coût (ex. via une estimation précise du temps de vol aller-retour). Finalement, une nouvelle méthode a été développée afin d’étendre les schémas de génération de clé point-à-point à plusieurs nœuds (trois dans nos études) en utilisant directement la couche physique fournie par les liens radio entre les nœuds.
Dans cette thèse on s’est intéressé aux méthodes de génération de clés secrètes symétriques en utilisant la couche physique ultra large bande impulsionnelle (IR-UWB). Les travaux ont été réalisés selon trois axes, les deux premiers concernant la communication point-à-point et le dernier, les communications coopératives. Tout d’abord, la quantification des signaux typiques IR-UWB (soit directement échantillonnés, soit estimés) a été investiguée, principalement du point de vue du compromis entre la robustesse (ou réciprocité) des séquences binaires obtenues et leur caractère aléatoire. Différents algorithmes de quantification valorisant l’information temporelle offerte par les canaux IR-UWB pour améliorer ce compromis ont alors été proposés. Ensuite, des études concernant les échanges publics nécessaires à l’étape de réconciliation (visant la correction d’éventuels désaccords entre les séquences binaires générées de part et d’autre du lien) ont montré qu’il était possible d’être plus robuste face aux attaques passives en utilisant des informations de plus haut niveau, inhérentes à cette technologie et disponibles à moindre coût (ex. via une estimation précise du temps de vol aller-retour). Finalement, une nouvelle méthode a été développée afin d’étendre les schémas de génération de clé point-à-point à plusieurs nœuds (trois dans nos études) en utilisant directement la couche physique fournie par les liens radio entre les nœuds.
Amélioration de la sécurité de la couche physique grâce à la diversité des fréquences et des espaces La sécurité de la couche physique (PLS) est un paradigme émergent qui se concentre sur l'utilisation des propriétés de la communication sans fil, telles que le bruit, l'évanouissement, la dispersion, l'interférence, la diversité, etc. pour assurer la sécurité entre les utilisateurs légitimes en présence d'un espion. Comme le PLS utilise des techniques de traitement du signal et de codage, il intervient au niveau de la couche physique et peut donc garantir le secret quelle que soit la puissance de calcul de l'espion. Cela en fait une approche intéressante pour compléter la cryptographie traditionnelle dont le principe de sécurité est basé sur la dureté informatique de l'algorithme de cryptage qui ne peut pas être facilement cassé par un espion. En outre, les récents progrès rapides des technologies de communication sans fil ont permis l'émergence et l'adoption de technologies telles que l'internet des objets, les communications ultra-fiables et à faible latence, les communications massives de type machine, les véhicules aériens sans pilote, etc. La plupart de ces technologies sont décentralisées, limitées en ressources de calcul et de puissance, et sensibles aux délais. La plupart de ces technologies sont décentralisées, limitées en ressources de calcul et de puissance, et sensibles aux délais. Cela fait du PLS une alternative très intéressante pour assurer la sécurité dans ces technologies. À cette fin, dans cette thèse, nous étudions les limites de la mise en œuvre pratique de la PLS et proposons des solutions pour relever ces défis. Tout d'abord, nous étudions le défi de l'efficacité énergétique de la PLS par l'injection de bruit artificiel (AN) dans un contexte massif d'entrées multiples et de sorties multiples (MIMO). La grande matrice de précodage dans le contexte MIMO massif contribue également à un signal d'émission avec un rapport élevé entre la puissance de crête et la puissance moyenne (PAPR). Cela nous a incités à proposer un nouvel algorithme, appelé PAPR-Aware-Secure-mMIMO. Dans ce schéma, les informations instantanées sur l'état du canal (CSI) sont utilisées pour concevoir un AN tenant compte du PAPR qui assure simultanément la sécurité tout en réduisant le PAPR. Ensuite, nous considérons le PLS par adaptation du canal. Ces schémas PLS dépendent de la précision de la CSI instantanée et sont inefficaces lorsque la CSI est imprécise. Toutefois, la CSI peut être inexacte dans la pratique en raison de facteurs tels qu'un retour d'information bruyant, une CSI périmée, etc. Pour résoudre ce problème, nous commençons par proposer un schéma PLS qui utilise le précodage et la diversité pour fournir le PLS. Nous proposons ensuite un réseau neuronal autoencodeur peu complexe pour débruiter la CSI imparfaite et obtenir des performances PLS optimales. Les modèles d'autoencodeur proposés sont appelés respectivement DenoiseSecNet et HybDenoiseSecNet. Enfin, nous étudions les performances de la PLS dans le cas d'une signalisation à alphabet fini. Les signaux gaussiens ont une grande complexité de détection parce qu'ils prennent un continuum de valeurs et ont des amplitudes non limitées. Dans la pratique, on utilise des entrées de canal discrètes parce qu'elles permettent de maintenir une puissance de transmission de crête et une complexité de réception modérées. Cependant, elles introduisent des contraintes qui affectent de manière significative la performance du PLS, d'où la contribution de cette thèse. Nous proposons d'utiliser des clés dynamiques pour partitionner les espaces de modulation de manière à ce qu'ils profitent à un récepteur légitime et non à un espion. Ces clés sont basées sur le canal principal indépendant et leur utilisation pour la partition conduit à des régions de décision plus grandes pour le récepteur prévu et plus petites pour l'espion. Ce système est appelé modulation partitionnée par index (IPM).
Réseaux sécurisés de capteurs quantiques Les réseaux quantiques constituent un cadre puissant pour interconnecter des systèmes quantiques spatialement séparés et permettre la distribution de ressources quantiques entre plusieurs nœuds. De telles plateformes offrent de nouvelles possibilités pour des tâches telles que la communication sécurisée, le calcul distribué et la détection améliorée par des effets quantiques. Par conséquent, elles ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, tant de la part des communautés théoriques qu’expérimentales en information quantique. Cette thèse présente plusieurs travaux unifiés par le thème de la privacité dans les réseaux de capteurs quantiques. Tout d’abord, le Chapitre 1 introduit le contexte et la motivation de cette thèse, ainsi que les bases techniques nécessaires aux chapitres suivants, couvrant des concepts fondamentaux de l’information quantique, les états de graphe et la vérification d’états, jusqu’aux éléments clés de la métrologie quantique et de l’information de Fisher, qui donnent naissance à la notion de privacité dans les réseaux quantiques et à la formulation de protocoles d’estimation de paramètres privés. En s’appuyant sur ce dernier principe, nous discutons de la manière dont une notion de privacité peut être formulée dans le cadre des systèmes quantiques. La thèse examine ensuite plusieurs aspects de ce cadre. Tout d’abord, dans le Chapitre 2, elle explore l’interaction entre la précision d’estimation et la privacité dans le cas où plusieurs agents d’un réseau quantique estiment collectivement une combinaison linéaire de leurs paramètres locaux. Ce chapitre comprend une méthode permettant de déterminer les états optimaux assurant la privacité pour la fonction cible souhaitée, une manière de quantifier le niveau de privacité dû au bruit en fonction de la proximité des états utilisés avec l’état sonde optimal, ainsi que certaines garanties de privacité pour certaines familles d’états. Par la suite, dans le Chapitre 3, elle examine les défis et les limitations qui apparaissent lors de la mise en œuvre expérimentale de protocoles de détection en réseau, en présentant la première implémentation complète de l’estimation privée de paramètres dans des réseaux de capteurs quantiques. Ensuite, dans le Chapitre 4, ce travail étudie comment de tels protocoles peuvent être étendus pour intégrer des fonctionnalités de sécurité supplémentaires, telles que l’anonymat. Enfin, dans le Chapitre 5, il analyse des variantes de ces protocoles utilisant des états de graphe afin d’offrir une robustesse accrue face au bruit, tout en garantissant la privacité dans l’estimation de paramètres globaux au sein du réseau.
Protocoles pratiques pour les réseaux de communication quantique Dans cette thèse, nous étudions les réseaux des états optiques quantiques intriqués avec différents degrés de complexité, avec une attention particulière portée à leur application dans des scénarios de communication quantique. Le but de la communication quantique est de permettre à deux ou plusieurs parties de communiquer d'une façon qui serait impossible avec de la technologie classique. L'archétype de ce domaine est la distribution de clé quantique ou quantum key distribution (QKD), qui permet à deux agents de partager une clé aléatoire secrète pour effectuer des communications sécurisées, en empêchant, au même temps, qu'un troisième agent malveillant puisse obtenir connaissance de leur clé. Dans ce manuscrit, cependant, nous explorons des scénarios de communication quantique qui vont au-delà de la QKD standard afin de tester les nombreuses possibilités offertes par les réseaux de dispositifs quantiques interconnectés, aussi appelés internet quantique. Spécifiquement, nous présentons trois types de réseaux quantiques, qui correspondent à trois niveaux de complexité d'internet quantique. Dans chaque niveau, nous décrivons le scénario de communication, les exigences physiques nécessaires pour construire l'architecture spécifique et un nouveau protocole qui ne peut pas être reproduit sans des ressources quantiques. Dans cette document, nous veillons particulièrement à la "praticité" des protocoles, notamment le fait que leur implémentation doit être possible dans des conditions réalistes avec technologie existante, au moins comme preuve du principe. Le premier concerne un protocole quantique à preuves interactives qui montre pour la première fois une preuve expérimentale d'un avantage quantique dans un cadre interactif. Dans ce scénario, il y a un prouveur avec de la puissance calculatoire illimitée qui veut convaincre un vérifieur honnête de l'existence d'une certaine solution d'un problème mathématique complexe, en lui envoyant une partie de la preuve sous forme d'états quantiques. Notre construction permet au vérifieur de vérifier l'assertion du prouveur sans recevoir la solution entière. Nous prouvons que sans ressources quantiques, le protocole de vérification exigerait un temps exponentiel en la taille de la solution, menant à un avantage quantique en terme de temps de calcul, avantage que nous avons démontré dans notre laboratoire. Le deuxième porte sur un protocole de vote électronique qui exploite un état quantique multipartite intriqué non fiable pour réaliser une élection sans s'appuyer sur des autorités électorales, dont le résultat peut être vérifié publiquement sans compromettre la robustesse de la construction et qui peut être implémenté aisément avec les technologies de pointe existantes pour un petit nombre de votant. À l'invers des résultats précédents, notre protocole n'exige pas une émission simultanée et marche aussi dans des scénarios bruyants, où la sécurité est limitée par la fidélité de l'état quantique utilisé. Enfin, nous simulons des états comprimés de la lumière de nombreux modes comme des réseaux quantique Gaussien à variables continues avec des topologies complexes, nous caractérisons leur corrélations et nous estimons l'intensification de leur coût pendant que les réseaux grandissent avec une théorie de ressource de compression. Nous prouvons un résultat qui permet de renforcer l'intrication entre deux nœuds du réseau si on mesure les chemins multiples qui les connectent et nous utilisons cet effet pour concevoir un protocole de routage d'intrication dont les performance sont particulièrement efficace dans des réseaux complexes grands.
Dans cette thèse, nous examinons le canal wiretap de Wyner dans la pratique, pour atteindre la sécurité en terme de théorie de l'information. Ce type d'approche de la sécurité a longtemps été écarté des applications pratiques. Ceci est principalement dû à une définition légèrement différente de la sécurité (Sécurité forte vs sécurité sémantique), en plus du fait que ces méthodes sont étudiées de manière asymptotique, donc pas en pratique. Les spécialistes ont donc préféré des solutions cryptographiques sur les couches supérieures du réseau afin d'assurer la sécurité. Cependant, il a été montré que ces définitions de la sécurité sont en fait équivalentes les unes aux autres. De plus, nous montrons que le comportement asymptotique des codes polaires, utilisés sur un canal wiretap, appelés codes polaires wiretap, est compatible avec son comportement asymptotique, ce qui rend les codes polaires wiretap utiles pour des applications pratiques. Un autre avantage principal de l'utilisation de la sécurité de la couche physique est que les types de réseaux émergents tels que les réseaux de capteurs, les réseaux ad hoc qui passent par plusieurs intermédiaires de la source à la destination, ou les réseaux d'identification par radiofréquence (RFID), sont de faible complexité, sur lesquels la gestion des clés cryptographiques, ainsi que la complexité de calcul rendent l'utilisation des techniques cryptographiques typiques difficile. Nous nous appuyons principalement sur les schémas présentés par Vardy et al. pour obtenir un secret faible et fort. Étant donné que nous utilisons ces schémas dans des longueurs de bloc finies, des fuites d'informations peuvent se produire. Il existe des méthodes dans la littérature pour calculer et estimer cette fuite d'information, mais nous montrons comment ces méthodes sont soit infaisables en pratique, soit simplement inexactes. De plus, nous introduisons une nouvelle méthode, pour estimer cette fuite, qui s'avère être très précise et plus légère en calcul que les méthodes connues. D'autre part, nous étudions également la construction pratique de codes polaires wiretap à longueur de bloc finie et examinons l'impact des principaux paramètres de construction sur le taux de code réalisable et la fuite d'information. Enfin, nous présentons notre banc d'essai, utilisé pour mettre en œuvre les codes polaires wiretap en pratique, en utilisant un émetteur et deux récepteurs, simulant le récepteur légitime et l'espion. Nous montrons que plus l'espion est éloigné de l'émetteur, plus il y a de bruit, et donc une moins bonne capacité de décodage, et qu'au-delà d'une certaine distance, il est incapable de décoder quoi que ce soit, et reçoit une image très bruyante, de laquelle aucune information utile ne peut être extraite.
Analyse et modélisation du canal radio pour la génération de clés secrètes La sécurité des communications sans fil omniprésentes devient, ces dernières années, de plus en plus une exigence incontournable. Bien que la cryptographie symétrique assure largement la confidentialité des données, la difficulté concerne la génération et la distribution de clés secrètes. Récemment, des études indiquent que les caractéristiques inhérentes du canal de propagation peuvent être exploitées afin de consolider la sécurité. En particulier, le canal radio fournit en effet une source d'aléa commune à deux utilisateurs à partir de laquelle des clés secrètes peuvent être générées. Dans la présente dissertation, nous nous intéressons au processus de génération de clés secrètes (SKG), tout en reliant les propriétés du canal radio à la qualité des clés générées. D'abord nous développons un modèle du canal stochastique, traitant la sécurité du point de vue de l'espion, qui montre une mémoire de canal résiduelle bien au-delà d'une distance de quelques longueurs d'onde (scénarios spatialement non-stationnaires). Ensuite, nous exploitons les degrés de liberté (DOF) du canal et analysons leur impact sur la performance de SKG dans différentes conditions, tout en considérant des canaux plus réalistes en environnements extérieur et intérieur (respectivement grâce à des données déterministes simulées et à des mesures). Les résultats montrent que, même pour des bandes modérées (comme standardisées dans la norme IEEE 802.11), le seul DoF de fréquence ou de son association avec le DoF spatial est souvent suffisant pour générer des longues clés, à condition d'utiliser une méthode efficace de quantification des coefficients complexes du canal.