Contribution à la cryptographie interactive De nos jours, la cryptographie fait partie intégrante de notre quotidien. Initialement destinée à être utilisée pour les interactions entre humains, elle est aujourd’hui employée pour les interactions avec et entre des machines. À travers cette thèse, nous présenterons nos diverses contributions couvrant une partie du spectre de la cryptographie interactive. Dans un premier temps, nous la verrons comme un outil au service de l’apprentissage automatique. Nous montrerons qu’elle peut permettre à un client et à un serveur d’interagir afin de faire évaluer les données du client par le modèle du serveur, sans qu’aucun d’eux n’apprenne d’information confidentielle au sujet de l’autre. Ensuite, nous étendrons la notion déjà existante de Smooth Projective Hash Functions pour la rendre plus compatible avec la cryptographie post-quantique, et notamment les réseaux euclidiens. Cette extension servira de base à la construction de Transferts Inconscients, largement déployés aujourd’hui dans le cadre de Calculs Multipartites Sécurisés. Finalement, nous nous intéresserons à la cryptographie à bas-coût, permettant à des appareils techniquement limités d’interagir entre eux tout en jouissant d’une sécurité suffisante. Plus précisément, nous étudierons la sécurité d’un protocole authentifié d’échange de clés optimisé pour de tels appareils, permettant d’établir une communication sécurisée entre eux.
Contribution à la cryptographie interactive De nos jours, la cryptographie fait partie intégrante de notre quotidien. Initialement destinée à être utilisée pour les interactions entre humains, elle est aujourd’hui employée pour les interactions avec et entre des machines. À travers cette thèse, nous présenterons nos diverses contributions couvrant une partie du spectre de la cryptographie interactive. Dans un premier temps, nous la verrons comme un outil au service de l’apprentissage automatique. Nous montrerons qu’elle peut permettre à un client et à un serveur d’interagir afin de faire évaluer les données du client par le modèle du serveur, sans qu’aucun d’eux n’apprenne d’information confidentielle au sujet de l’autre. Ensuite, nous étendrons la notion déjà existante de Smooth Projective Hash Functions pour la rendre plus compatible avec la cryptographie post-quantique, et notamment les réseaux euclidiens. Cette extension servira de base à la construction de Transferts Inconscients, largement déployés aujourd’hui dans le cadre de Calculs Multipartites Sécurisés. Finalement, nous nous intéresserons à la cryptographie à bas-coût, permettant à des appareils techniquement limités d’interagir entre eux tout en jouissant d’une sécurité suffisante. Plus précisément, nous étudierons la sécurité d’un protocole authentifié d’échange de clés optimisé pour de tels appareils, permettant d’établir une communication sécurisée entre eux.
De nos jours, la cryptographie fait partie intégrante de notre quotidien. Initialement destinée à être utilisée pour les interactions entre humains, elle est aujourd’hui employée pour les interactions avec et entre des machines. À travers cette thèse, nous présenterons nos diverses contributions couvrant une partie du spectre de la cryptographie interactive. Dans un premier temps, nous la verrons comme un outil au service de l’apprentissage automatique. Nous montrerons qu’elle peut permettre à un client et à un serveur d’interagir afin de faire évaluer les données du client par le modèle du serveur, sans qu’aucun d’eux n’apprenne d’information confidentielle au sujet de l’autre. Ensuite, nous étendrons la notion déjà existante de Smooth Projective Hash Functions pour la rendre plus compatible avec la cryptographie post-quantique, et notamment les réseaux euclidiens. Cette extension servira de base à la construction de Transferts Inconscients, largement déployés aujourd’hui dans le cadre de Calculs Multipartites Sécurisés. Finalement, nous nous intéresserons à la cryptographie à bas-coût, permettant à des appareils techniquement limités d’interagir entre eux tout en jouissant d’une sécurité suffisante. Plus précisément, nous étudierons la sécurité d’un protocole authentifié d’échange de clés optimisé pour de tels appareils, permettant d’établir une communication sécurisée entre eux.
Cette these s'est elaboree dans cette periode de l'histoire de la cryptographie quantique ou plusieurs protocoles avaient ete proposes sans que leur fiabilite n'ait pu etre encore demontree, du moins pas face a toute attaque. De plus, certaines des attaques qui avaient ete mises de cote etaient en fait accessibles a l'aide de la technologie actuelle.
D'un autre cote, le but de la cryptographie quantique a toujours ete la conception de protocoles inconditionnellement fiables, cest-a-dire, fiables face a toute attaque permise par les lois de la physique sans consideration pour aucune contrainte dans le temps ou dans l'espace. Tel etait le niveau de fiabilite espere des protocoles quantiques proposes. Seule la cryptographie quantique pouvait meme oser offrir un tel niveau de securite.
Une certaine application appelee la mise en gage jouait un role primordial dans l'ensemble des applications proposees par les cryptographes quantiques et une preuve de securite inconditionnelle avait ete proposee par Brassard, Crepeau, Jozsa et Langlois pour un protocole realisant cette tache. Notre objectif de depart etait de demontrer que les protocoles de la cryptographie quantique permettent effectivement de realiser avec une securite inconditionnelle la plupart des applications proposees, pas seulement la mise en gage. Cependant, a notre grande surprise et a l'etonnement de plusieurs, nous avons au contraire demontre qu'un protocole quantique de mise en gage inconditionnelle fiable est impossible et ainsi avons remis serieusement en question une partie importante des applications de la cryptographie quantique, en plus d'avoir demoli la preuve mentionnee plus haut. Par contre, en nous appuyant sur les travaux de Bennett, Brassard, Crepeau, Salvail et plus recemment de Yao, nous avons obtenu une preuve de la securite inconditionnelle d'un protocole quantique de distribution de cle.
Un des principes importants que nous avons utilises dans notre these est celui qui dit que tous les phenomenes peuvent etre decrits comme l'execution d'une mesure quantique. De plus, nous avons utilise le fait que cette mesure peut elle-meme etre decrite comme une transformation unitaire sur le systeme qui est compose du systeme mesure, de l'appareil de mesure et du systeme final si celui-ci est different du systeme initial.
La cryptographie quantique a bénéficié des nombreuses avancées de la cryptographie et théorie des réseaux classiques. Cependant, elle n’en est qu’à ses balbutiement en ce qui concerne son application en condition réelles et approfondir la théorie sous-jacente est un prérequis crucial à l’exploitation de l’intégralité de ses possibilités. Pour cela, il faut tout d’abord formaliser rigoureusement les propriétés de sécurité quantiques des techniques importées de la cryptographie classique, pour l’instant souvent utilisées sans justification. Ensuite, les progrès récents des technologies quantiques tendent à pointer vers un modèle d’accès type client-serveur avec un client faiblement quantique. Dans ce contexte, les protocoles quantiques se doivent d’être les plus frugaux possibles en termes de ressources (mémoire et opération). Enfin, implémenter des protocoles sur des architectures concrètes nécessite de les adapter finement aux machines utilisées afin d’améliorer encore leur optimisation. Cette thèse contribue à ces trois aspects en : (i) proposant une définition du Quantum Cut-and-Choose, technique qui permet de garantir la préparation honnête d’un message quantique ; (ii) présentant un cadre de sécurité plus réaliste contre les attaques par superposition, qui garantit la sécurité de protocoles classiques exécutés sur une machine quantique ; (iii) construisant un protocole efficace de délégation de calcul multipartite quantique, qui permet à des clients de déléguer un calcul privé à un serveur ; (iv) démontrant qu’il est possible de vérifier l’exactitude de calculs quantiques délégués sans aucun impact en terme ressources côté client ou serveur.
Cryptographie classique et post-quantiqueCes nouvelles solutions doivent s'appuyer sur des problèmes mathématiques qui ne sont pas vulnérables à l'avantage qu'ont les ordinateurs quantiques sur les primitives cryptographiques se basant sur des problèmes mathématiques dits "standards".Ces outils mathématiques "standards" se composent notamment du cryptosystème RSA [RSA78] (du nom de ses auteurs Rivest, Shamir et Adleman) qui repose sur le problème de la factorisation, ou du cryptosystème El-Gamal reposant sur le problème du logarithme discret.Dans le cas des cryptosystèmes de type RSA, la clé secrète est composée entre autre de deux nombres premiers p et q dont leur produit N = p×q fait partie de la clé publique.Un attaquant qui arriverait donc à factoriser le nombre N pour retrouver les deux nombres premiers p et q, pourrait attaquer la sécurité des schémas de type RSA.Concernant les cryptosystèmes basés sur le logarithme discret, on considère un groupe G bien choisi, le plus souvent d'ordre premier p.On va ensuite choisir aléatoirement un entier a comme partie de la clé secrète et son pendant publique qui lui est associé est g a avec g un élément choisi aléatoirement dans le groupe G. On définit alors le problème du logarithme discret, demandant de retrouver l'entier a à partie de l'élément g a appartenant au groupe G.Ces deux types de problèmes ont été à l'origine de nombreux schémas cryptographiques sûrs et proposant une efficacité très attractive mais, comme énoncé précédemment, ils seront vulnérables dans une ère post-quantique.En effet, conserver leur sécurité impli- ContributionsDans la suite de cette introduction, je vais détailler les contributions que j'ai pu apportées durant mes 3 années de thèses, qui concernent principalement la conception de schémas cryptographiques respectueux de la vie privée, ainsi que l'adaptation en cas Signatures de groupesMa première contribution concerne la construction d'une signature de groupe sur les réseaux euclidiens, à laquelle nous ajoutons quelques propriétés attractives.Par définition, une signature de groupe est un schéma permettant à un groupe d'utilisateurs de signer au nom de ce même groupe, tout en restant anonyme parmi ses membres.Elles fournissent une caractéristique supplémentaire qui est de permettre "l'ouverture" d'une signature pour en retrouver le membre du groupe qui en est à l'origine.Ces schémas ont de nombreuses applications dans la vie courante.Prenons par exemple un cas où une personne doit prouver qu'elle a un certain âge (par exemple moins de 25 ans pour pouvoir prétendre à une réduction), il suffirait qu'elle produise sa carte d'identité qui contient sa date de naissance et donc son âge.Cependant en produisant ainsi sa carte d'identité, elle fournit par la même occasion son nom, son adresse..., alors que seul le fait qu'elle appartient au groupe des moins de 25 ans est nécessaire.Les signatures de groupes permettent donc d'éviter de tels désagréments.Il existe à ce jour de nombreux schémas de signature de groupe, mais les plus efficaces d'entre eux s'appuient sur des hypothèses qui ne résisteraient pas à un ordinateur quantique, tels que le logarithme discret défini précédemment.C'est pourquoi depuis une dizaine d'années, un grand nombre de constructions basées sur les réseaux euclidiens ont été conçues ([Gol+10; Lag+13; Lan+14; Lib+16b; Lin+17]...).Ces constructions doivent cependant se plier à l'inefficacité, sur les réseaux, des preuves de connaissance à divulgation nulle de connaissance nécessaires pour de telles constructions dans le modèle habituel de Bellare et al [BMW03].Cependant en 2019, un nouveau schéma publié à Eurocrypt par Kastumata et Yamada [KY19] s'écarte de ce modèle habituel.Leur construction s'appuie sur des primitives plus récentes telles que les signatures basées sur les attributs pour court-circuiter les problèmes d'inefficacité, en plus de reposer sur un modèle de sécurité plus commun.À partir de cette nouvelle construction nous proposons un schéma de signature de groupe basé sur les réseaux qui bénéficie des mêmes avantages que le schéma de [KY19] et nous ajoutons en plus une nouvelle propriété appelée forward security.Celle-ci permet de diviser le temps en plusieurs périodes, de sorte que les clés secrètes de tous les membres du groupe sont mises à jour à chaque nouvelle période de temps sans possibilité de récupérer Signature aveugleLes signatures aveugles ont été introduites en 1982 par Chaum [Cha82] pour le cas d'usage précis de la monnaie électronique.L'idée d'une signature aveugle est la suivante: un utilisateur veut générer une signature sur un message de son choix, cependant il ne possède pas la clé secrète lui permettant de générer une telle signature.Pour palier ce problème, il a la possibilité d'interagir avec une autorité qui possède cette clé secrète et qui est alors vu comme un signeur.Cependant l'utilisateur requiert que la signature qu'il va sortir à la fin de l'interaction avec le signeur ne puisse pas être tracée par ce dernier.Pour en revenir au cas d'usage de la monnaie électronique, ce type de schéma permet donc à un utilisateur de faire certifier de la monnaie électronique à une autorité (une banque par exemple), sans que celle-ci puisse retrouver l'identité de l'utilisateur lorsque celui-ci la dépense.Concernant les constructions existantes, elles sont nombreuses et très efficaces sur la cryptographie "classique".Nous pouvons notamment citer le schéma Blind RSA [Fer93] qui se base sur le cryptosystème RSA, tandis que l'histoire des signatures aveugles sur les réseaux euclidiens est bien plus complexes.Tout d'abord il n'existe qu'un seul modèle de construction basé sur un schéma d'identification de Lyubashevsky [Lyu08].Ce modèle requiert 3 échanges entre l'utilisateur et le signeur, comme d'autres schémas tel que Okamoto-Schnorr [Oka92], à contrario d'autres constructions comme blind RSA qui n'en demandent que 2.De plus toutes les constructions sur les réseaux euclidiens ont vu leur preuve de sécurité invalidées par un papier de Hauck et al [Hau+20] publié à Crypto 2020.En effet pour prouver qu'un utilisateur malhonnête ne peut pas générer plus de signatures qu'autorisées, une propriété appelée one-more unforgeability est nécessaire.Une modèle de preuve a été proposé par Pointcheval et Stern [PS00] pour des constructions basées sur des groupes finis, dans lesquels un élément secret était choisi aléatoirement dans tout le groupe.La différence sur les réseaux euclidiens vient du fait qu'une clé secrète est habituellement un petit élément de l'ensemble considéré, ce qui interdit toute adaptation directe sur les réseaux euclidiens de la preuve de Pointcheval et Stern.Dans notre construction, nous revenons sur cette preuve et sur la solution apportée par Hauck et al. [Hau+20] qui souffre d'un manque d'efficacité.Concernant notre construction, notre sécurité repose sur une conjecture qui n'a pas été prouvée.Tout d'abord, notre solution gagne en efficacité en utilisant l'avantage de distributions gaussiennes sur des distributions uniformes.De plus, nous utilisons des outils tels que les trappes sur les réseaux euclidiens pour effacer toute trace d'abandon durant le protocole de signature aveugle, notre construction étant la seule n'ayant pas recours aux abandons, qui est un impact négatif sur l'efficacité.Finalement, nous proposons une variante appelée signature partiellement aveugle, qui permet à l'utilisateur et au signeur d'inclure une information publique, sur laquelle ils se sont mis d'accord en amont de la génération de la signature.Notre construction n'entraîne quasiment aucun coût supplémentaire par rapport à la signature aveugle.Ce travail est décrit dans le chapitre 5 de cette thèse.
Sécurité étendue de la cryptographie fondée sur les réseaux Euclidiens La cryptographie fondée sur les réseaux euclidiens représente une alternative prometteuse à la cryptographie asymétrique utilisée actuellement, en raison de sa résistance présumée à un ordinateur quantique universel. Cette nouvelle famille de schémas asymétriques dispose de plusieurs atouts parmi lesquels de fortes garanties théoriques de sécurité, un large choix de primitives et, pour certains de ses représentants, des performances comparables aux standards actuels. Une campagne de standardisation post-quantique organisée par le NIST est en cours et plusieurs schémas utilisant des réseaux euclidiens font partie des favoris. La communauté scientifique a été encouragée à les analyser car ils pourraient à l'avenir être implantés dans tous nos systèmes. L'objectif de cette thèse est de contribuer à cet effort. Nous étudions la sécurité de ces nouveaux cryptosystèmes non seulement au sens de leur résistance à la cryptanalyse en ''boîte noire'' à l'aide de moyens de calcul classiques, mais aussi selon un spectre plus large de modèles de sécurité, comme les attaques quantiques, les attaques supposant des failles d'utilisation, ou encore les attaques par canaux auxiliaires. Ces différents types d’attaques ont déjà été largement formalisés et étudiés par le passé pour des schémas asymétriques et symétriques pré-quantiques. Dans ce mémoire, nous analysons leur application aux nouvelles structures induites par les réseaux euclidiens. Notre travail est divisé en deux parties complémentaires : les contremesures et les attaques. La première partie regroupe nos contributions à l'effort actuel de conception de nouvelles protections algorithmiques afin de répondre aux nombreuses publications récentes d’attaques par canaux auxiliaires. Les travaux réalisés en équipe auxquels nous avons pris part on abouti à l'introduction de nouveaux outils mathématiques pour construire des contre-mesures algorithmiques, appuyées sur des preuves formelles, qui permettent de prévenir systématiquement les attaques physiques et par analyse de temps d'exécution. Nous avons ainsi participé à la protection de plusieurs schémas de signature fondés sur les réseaux euclidiens comme GLP, BLISS, qTesla ou encore Falcon. Dans une seconde partie consacrée à la cryptanalyse, nous étudions dans un premier temps de nouvelles attaques qui tirent parti du fait que certains schémas de chiffrement à clé publique ou d'établissement de clé peuvent échouer avec une faible probabilité. Ces échecs sont effectivement faiblement corrélés au secret. Notre travail a permis d’exhiber des attaques dites « par échec de déchiffrement » dans des modèles de failles d'utilisation ou des modèles quantiques. Nous avons d'autre part introduit un outil algorithmique de cryptanalyse permettant d’estimer la sécurité du problème mathématique sous-jacent lorsqu’une information partielle sur le secret est donnée. Cet outil s’est avéré utile pour automatiser et améliorer plusieurs attaques connues comme des attaques par échec de déchiffrement, des attaques classiques ou encore des attaques par canaux auxiliaires.
Cryptographie post-quantique pour la protection de la vie privée Ces dernières années la cryptographie a été chamboulée par l'arrivée des ordinateurs quantiques. En effet ceux-ci possèdent un très fort avantage pour casser les schémas cryptographique utilisés actuellement dans la quasi-totalité des communications sécurisées. Nous proposons dans cette thèse plusieurs constructions cryptographiques basées sur des outils mathématiques résistants à ces ordinateurs quantique, que sont les réseaux euclidiens. Tout d'abord nous construisons une signature de groupe, permettant à chaque membre composant un groupe donné de signer au nom du groupe tout en conservant son anonymat. Nous rajoutons une propriété supplémentaire qui est la "forward secrecy" qui sépare le temps en périodes durant lesquelles les clés secrètes des utilisateurs sont mises à jour. Nous proposons également un schéma de signature aveugle qui permet à un utilisateur de générer une signature sur un message de son choix de manière interactive avec un signeur qui possède la clé de signature. Nous améliorons l'état-de-l'art en proposant un schéma sans abandon et avec une sécurité plus efficace. Enfin, comme cas d'usage de la signature aveugle nous construisons un schéma de vote électronique à partir de cette primitive.