Conception de protocoles sécurisés à plusieurs utilisateurs : Application aux bandits, aux systèmes de billets et aux transferts de fichiers

Design of Secure Multi-User Protocols : Application to Bandits, Ticketing and File Transfer

• Auteur / Autrice : Gaël Marcadet
• Direction : Pascal Lafourcade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 05/07/2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Jean-Guillaume Dumas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chloé Hébant, Ioana Boureanu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Suna Melek Önen, Benjamin Nguyen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Cryptographie

Mots clés libres

Cryptographie

Cybersécurité

Conception de protocoles

Sécurité prouvable

Cryptography

Cybersecurity

Design of protocols

Provable security

Résumé

Un protocole cryptographique établit une série d'interactions parmi des utilisateurs pour fournir une fonctionnalité donnée tout en garantissant diverses propriétés. Un protocole est considéré comme sécurisé lorsqu'il assure avec succès toutes les propriétés attendues. Pour ce faire, il utilise de primitives cryptographiques dont l'usage peut entraîner un surcoût de calcul et donc limiter la scalabilité du protocole. Tout au long de ce manuscrit, nous nous concentrons sur trois problèmes impliquant plusieurs utilisateurs. La première contribution se concentre sur la conception d'un framework de bandits fédérés, où un serveur de fédération agissant en tant qu'agent d'apprentissage, tire successivement un bandit, ce qui produit une récompense provenant d'une distribution inconnue associée au bandit choisi. Dans cette contribution, nous introduisons Tango, un protocole de bandits fédérés sécurisé corrigeant et étendant notre première tentative Samba, qui s'est révélée être non sécurisée. Nous prouvons que Tango empêche le serveur de fédération d'apprendre les récompenses générées ainsi que le bandit choisi, au prix d'un surcoût de calcul important dû à l'utilisation de primitives cryptographiques coûteuses. Dans la deuxième partie de cette contribution, nous introduisons Salsa, un protocole de bandits fédérés sécurisé s'éloignant de l'esprit de Samba et Tango, empêchant le serveur de fédération d'apprendre des données sensibles tout en obtenant des performances élevées. La deuxième contribution de ce manuscrit traite de la conception d'un système de billetterie, impliquant un grand nombre d'utilisateurs. Malgré la forte demande, ces systèmes offrent des garanties très restreintes. Par exemple, il est facile de revendre un billet deux fois. Pire, la majorité des billets sont nominatifs, permettant d'identifier le propriétaire d'un billet. En utilisant des primitives cryptographiques standards, nous proposons Applause et Spotlight, deux systèmes de billets garantissant l'anonymat des utilisateurs tout en proposant l'achat, le remboursement, la validation et le transfert d'un billet. La différence entre Applause et Spotlight réside dans la capacité de lever l'anonymat d'un utilisateur : dans Applause, l'anonymat d'un utilisateur est garanti. Ceci est toujours valable dans Spotlight sauf pour une partie externe capable de lever l'anonymat d'un utilisateur. Toutefois, lever l'anonymat dans Spotlight est possible au prix d'une validation de billet plus longue. Notre troisième contribution se concentre sur le problème de diffusion d'un fichier à un groupe d'utilisateurs. La solution triviale consistant à stocker des fichiers sur un seul serveur disponible publiquement est insuffisante, notamment lorsque le serveur est hors service. Dans cette contribution, nous introduisons un protocole efficace et universellement composable permettant à un utilisateur de partager un fichier avec un groupe d'utilisateurs, tout en garantissant la confidentialité et l'intégrité du fichier ainsi que l'authentification de l'expéditeur.

A cryptographic protocol establishes a series of interactions among users to deliver a given functionality while ensuring various properties, a protocol being considered secure when it successfully ensures all intended properties. Accomplishing these properties requires the need of cryptographic primitives, whose usage may entail computation overhead, limiting the scalability of the protocol. Throughout this manuscript, we focus on three problems dealing with multiple users. The first contribution focuses on the design of a federated multi-armed bandits framework where a federation server, acting as a learning agent, sequentially pulls a bandit arm, the environment responding with a reward coming from an unknown distribution associated with the chosen bandit. In this contribution, we introduce Tango, a secure federated multi-armed bandits protocol fixing and extending our initial attempt Samba shown to be insecure. Tango is proved to prevent the federation server to learn the reward distribution, the obtained rewards and the pulled bandit arm, at the cost of a large computation overhead due to the usage of expensive cryptographic primitives. In the second part of this contribution, we introduce Salsa a secure federated multi-armed bandits protocol moving away from the blueprint of Samba and Tango, still preventing the federation server to learn sensitive data while achieving high-performance. The second contribution of this manuscript addresses a problem involving a large number of users, since it concerns the design of a ticketing system. Indeed, despite the high-demand, these systems provide very restricted guarantees. For instance, one may easily resell a ticket twice. To go further, tickets are nominative, revealing the identity of the ticket's owner. Using standard cryptographic primitives, we propose two scalable ticketing systems called Applause and Spotlight, ensuring anonymity of users while featuring ticket purchasing, ticket refunding, ticket validation and ticket transferability. The difference between Applause and Spotlight lies in the ability to recover the identity of an attendee: In Applause, the anonymity of every user is guaranteed at any time, a property that still hold with Spotlight except for an additional third-party able to recover the identity of an attendee, at the cost of a slightly longer ticket validation. Our third and final contribution deals with the problem of file transfer by broadcasting, which involves sharing a file with a group of users. The trivial solution of storing files on a single, publicly accessible server falls short for instance when the server is down or when the server handles a high number of requests. In this contribution, we introduce a universally composable and efficient protocol allowing one to share a file with a specified group of users while ensuring confidentiality, integrity of the file and sender authentication.