Differential properties of permutations and application to symmetric cryptography

Les travaux exposés dans cette thèse se situent à l’interface des mathématiques discrètes, des corps finis et de la cryptographie symétrique.Les 'boîtes-S’ sont des fonctions non-linéaires de petites tailles qui constituent souvent la partie de confusion, indispensable, des chiffrements par blocs ou des fonctions de hachages.Dans la première partie de cette thèse, nous nous intéressons à la construction de boîtes-S bijectives résistantes aux attaques différentielle. Nous étudions l’inverse pour la composition des monômes de permutations optimaux vis-à-vis du critère différentiel. Nous explorons ensuite des classes spécifiques de polynômes creux. Enfin, nous construisons des boîtes-S à partir de leurs dérivées discrètes.Dans la deuxième partie, nous portons notre attention sur la cryptanalyse différentielle impossible. Cette cryptanalyse à clairs choisis très performante pour attaquer des chiffrements par blocs itératifs, exploite la connaissance d’une différentielle de probabilité zéro pour écarter les clés candidates. Elle est très technique, et de nombreuses erreurs ont été repérées dans des travaux passés, invalidant certaines attaques. Le but de ces travaux est de formaliser et d’automatiser l’évaluation des complexités d’une telle attaque afin d’unifier et d’optimiser les résultats obtenus. Nous proposons aussi de nouvelles techniques réduisant les complexités cette cryptanalyse. Nous démontrons enfin l’efficacité de notre approche en fournissant les meilleures cryptanalyses différentielles impossibles contre les chiffrements CLEFIA, Camellia, LBlock et Simon.The work I have carried out in this thesis lie between discrete mathematics, finite fields theory and symmetric cryptography. In block ciphers, as well as in hash functions, SBoxes are small non-linear and necessary functions working as confusion layer.In the first part of this document, we are interesting in the design of bijective SBoxes that have the best resistance to differential attacks. We study the compositional inverse of the so-called Almost Perfect Nonlinear power functions. Then, we extensively study a class of sparse permutation polynomials with low differential uniformity. Finally, we build functions, over finite fields, from their discrete derivatives.In the second part, we realize an automatic study of a certain class of differential attacks: impossible differential cryptanalysis. This known plaintexts attack has been shown to be very efficient against iterative block ciphers. It exploits the knowledge of a differential with probability zero to occur. However this cryptanalysis is very technical and many flaws have been discovered, thus invalidating many attacks realized in the past. Our goal is to formalize, to improve and to automatize the complexity evaluation in order to optimize the results one can obtain. We also propose new techniques that aims at reducing necessary data and time complexities. We finally prove the efficiency of our method by providing some of the best impossible differential cryptanalysis against Feistel oriented block ciphers CLEFIA, Camellia, LBlock and Simon