An Efficient 2-Party Private Function Evaluation Protocol Based on Half Gates

The file attached to this record is the author's final peer reviewed version. The Publisher's final version can be found by following the DOI link.Private function evaluation (PFE) is a special case of secure multi-party computation (MPC), where the function to be computed is known by only one party. PFE is useful in several real-life applications where an algorithm or a function itself needs to remain secret for reasons such as protecting intellectual property or security classification level. In this paper, we focus on improving 2-party PFE based on symmetric cryptographic primitives. In this respect, we look back at the seminal PFE framework presented by Mohassel and Sadeghian at Eurocrypt’13. We show how to adapt and utilize the well-known half gates garbling technique (Zahur et al., Eurocrypt’15) to their constant-round 2-party PFE scheme. Compared to their scheme, our resulting optimization significantly improves the efficiency of both the underlying Oblivious Evaluation of Extended Permutation (OEP) and secure 2-party computation (2PC) protocols, and yields a more than 40% reduction in overall communication cost (the computation time is also slightly decreased and the number of rounds remains unchanged)

Private Function Evaluation with Cards

Card-based protocols allow to evaluate an arbitrary fixed Boolean function on a hidden input to obtain a hidden output, without the executer learning anything about either of the two (e.g., [12]). We explore the case where implements a universal function, i.e., is given the encoding ⟨⟩ of a program and an input and computes (⟨⟩,)=(). More concretely, we consider universal circuits, Turing machines, RAM machines, and branching programs, giving secure and conceptually simple card-based protocols in each case. We argue that card-based cryptography can be performed in a setting that is only very weakly interactive, which we call the “surveillance” model. Here, when Alice executes a protocol on the cards, the only task of Bob is to watch that Alice does not illegitimately turn over cards and that she shuffles in a way that nobody knows anything about the total permutation applied to the cards. We believe that because of this very limited interaction, our results can be called program obfuscation. As a tool, we develop a useful sub-protocol $_{II}$↑ that couples the two equal-length sequences , and jointly and obliviously permutes them with the permutation ∈ that lexicographically minimizes (). We argue that this generalizes ideas present in many existing card-based protocols. In fact, AND, XOR, bit copy [37], coupled rotation shuffles [30] and the “permutation division” protocol of [22] can all be expressed as “coupled sort protocols”

An efficient 2-party private function evaluation protocol based on half gates

Private function evaluation (PFE) is a special case of secure multi-party computation (MPC), where the function to be computed is known by only one party. PFE is useful in several real-life applications where an algorithm or a function itself needs to remain secret for reasons such as protecting intellectual property or security classification level. In this paper, we focus on improving 2-party PFE based on symmetric cryptographic primitives. In this respect, we look back at the seminal PFE framework presented by Mohassel and Sadeghian at Eurocrypt’13. We show how to adapt and utilize the well-known half gates garbling technique (Zahur et al., Eurocrypt’15) to their constant-round 2-party PFE scheme. Compared to their scheme, our resulting optimization significantly improves the efficiency of both the underlying Oblivious Evaluation of Extended Permutation (OEP) and secure 2-party computation (2PC) protocols, and yields a more than 40% reduction in overall communication cost (the computation time is also slightly decreased and the number of rounds remains unchanged)

Towards Practical PFE: An Efficient 2-Party Private Function Evaluation Protocol Based on Half Gates

Private function evaluation (PFE) is a special case of secure multi-party computation (MPC), where the function to be computed is known by only one party. PFE is useful in several real-life settings where an algorithm or a function itself needs to remain secret due to its confidential classification or intellectual property. In this work, we look back at the seminal PFE framework presented by Mohassel and Sadeghian at Eurocrypt’13. We show how to adapt and utilize the well-known half gates garbling technique (Zahur et al., Eurocrypt’15) to their constant round 2-party PFE scheme. Compared to their scheme, our resulting optimization considerably improves the efficiency of both the underlying Oblivious Evaluation of Extended Permutation (OEP) and secure 2-party computation (2PC) protocol, and yields a more than 40% reduction in overall communication cost (the computation time is also slightly decreased, and the number of rounds remains unchanged)

Cryptographic Protocols from Physical Assumptions

Moderne Kryptographie erlaubt nicht nur, personenbezogene Daten im Internet zu schützen oder sich für bestimmte Dienste zu authentifizieren, sondern ermöglicht auch das Auswerten einer Funktion auf geheimen Eingaben mehrerer Parteien, ohne dass dabei etwas über diese Eingaben gelernt werden kann (mit der Ausnahme von Informationen, die aus der Ausgabe und eigenen Eingaben effizient abgeleitet werden können). Kryptographische Protokolle dieser Art werden sichere Mehrparteienberechnung genannt und eignen sich für ein breites Anwendungsspektrum, wie z.B. geheime Abstimmungen und Auktionen. Um die Sicherheit solcher Protokolle zu beweisen, werden Annahmen benötigt, die oft komplexitätstheoretischer Natur sind, beispielsweise, dass es schwierig ist, hinreichend große Zahlen zu faktorisieren. Sicherheitsannahmen, die auf physikalischen Prinzipien basieren, bieten im Gegensatz zu komplexitätstheoretischen Annahmen jedoch einige Vorteile: die Protokolle sind meist konzeptionell einfacher, die Sicherheit ist unabhängig von den Berechnungskapazitäten des Angreifers, und die Funktionsweise und Sicherheit ist oft für den Menschen leichter nachvollziehbar. (Zum Beispiel forderte das Bundesverfassungsgericht: „Beim Einsatz elektronischer Wahlgeräte müssen die wesentlichen Schritte der Wahlhandlung und der Ergebnisermittlung vom Bürger zuverlässig und ohne besondere Sachkenntnis überprüft werden können.“ (BVerfG, Urteil des Zweiten Senats vom 03. März 2009)). Beispiele für solche Annahmen sind physikalisch getrennte oder unkorrumpierbare Hardware-Komponenten (vgl. Broadnax et al., 2018), Write-Only-Geräte für Logging, oder frei zu rubbelnde Felder, wie man sie von PIN-Briefen kennt. Auch die aus der Quantentheorie folgende Nicht-Duplizierbarkeit von Quantenzuständen ist eine physikalische Sicherheitsannahme, die z.B. verwendet wird, um nicht-klonbares „Quantengeld“ zu realisieren. In der vorliegenden Dissertation geht es neben Protokollen, die die Sicherheit und Isolation bestimmter einfacher Hardware-Komponenten als Vertrauensanker verwenden, im Besonderen um kryptographischen Protokolle für die sichere Mehrparteienberechnung, die mit Hilfe physikalischer Spielkarten durchgeführt werden. Die Sicherheitsannahme besteht darin, dass die Karten ununterscheidbare Rückseiten haben und, dass bestimmte Mischoperationen sicher durchgeführt werden können. Eine Anwendung dieser Protokolle liegt also in der Veranschaulichung von Kryptographie und in der Ermöglichung sicherer Mehrparteienberechnungen, die gänzlich ohne Computer ausgeführt werden können. Ein Ziel in diesem Bereich der Kryptographie ist es, Protokolle anzugeben, die möglichst wenige Karten benötigen – und sie als optimal in diesem Sinne zu beweisen. Abhängig von Anforderungen an das Laufzeitverhalten (endliche vs. lediglich im Erwartungswert endliche Laufzeit) und an die Praktikabilität der eingesetzten Mischoperationen, ergeben sich unterschiedliche untere Schranken für die mindestens benötigte Kartenanzahl. Im Rahmen der Arbeit wird für jede Kombination dieser Anforderungen ein UND-Protokoll – ein logisches UND zweier in Karten codierter Bits; dieses ist zusammen mit der Negation und dem Kopieren von Bits hinreichend für die Realisierung allgemeiner Schaltkreise – konstruiert oder in der Literatur identifiziert, das mit der minimalen Anzahl an Karten auskommt, und dies auch als Karten-minimal bewiesen. Insgesamt ist UND mit vier (für erwartet endliche Laufzeit (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Koch, 2018)), fünf (für praktikable Mischoperationen oder endliche Laufzeit (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Koch, 2018)) oder sechs Karten (für endliche Laufzeit und gleichzeitig praktikable Mischoperationen (Kastner et al., 2017)) möglich und optimal. Für die notwendigen Struktureinsichten wurden so-genannte „Zustandsdiagramme“ mit zugehörigen Kalkülregeln entwickelt, die eine graphenbasierte Darstellung aller möglichen Protokolldurchläufe darstellen und an denen Korrektheit und Sicherheit der Protokolle direkt ablesbar sind (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Kastner et al., 2017). Dieser Kalkül hat seitdem eine breite Verwendung in der bereichsrelevanten Literatur gefunden. (Beweise für untere Schranken bzgl. der Kartenanzahl werden durch den Kalkül zu Beweisen, die zeigen, dass bestimmte Protokollzustände in einer bestimmten kombinatorischen Graphenstruktur nicht erreichbar sind.) Mit Hilfe des Kalküls wurden Begriffe der Spielkartenkryptographie als C-Programm formalisiert und (unter bestimmten Einschränkungen) mit einem „Software Bounded Model Checking“-Ansatz die Längenminimalität eines kartenminimalen UND-Protokolls bewiesen (Koch, Schrempp und Kirsten, 2019). Darüber hinaus werden konzeptionell einfache Protokolle für den Fall einer sicheren Mehrparteienberechnung angegeben, bei der sogar zusätzlich die zu berechnende Funktion geheim bleiben soll (Koch und Walzer, 2018), und zwar für jedes der folgenden Berechnungsmodelle: (universelle) Schaltkreise, binäre Entscheidungsdiagramme, Turingmaschinen und RAM-Maschinen. Es wird zudem untersucht, wie Karten-basierte Protokolle so ausgeführt werden können, dass die einzige Interaktion darin besteht, dass andere Parteien die korrekte Ausführung überwachen. Dies ermöglicht eine (schwach interaktive) Programm-Obfuszierung, bei der eine Partei ein durch Karten codiertes Programm auf eigenen Eingaben ausführen kann, ohne etwas über dessen interne Funktionsweise zu lernen, das über das Ein-/Ausgabeverhalten hinaus geht. Dies ist ohne derartige physikalische Annahmen i.A. nicht möglich. Zusätzlich wird eine Sicherheit gegen Angreifer, die auch vom Protokoll abweichen dürfen, formalisiert und es wird eine Methode angegeben um unter möglichst schwachen Sicherheitsannahmen ein passiv sicheres Protokoll mechanisch in ein aktiv sicheres zu transformieren (Koch und Walzer, 2017). Eine weitere, in der Dissertation untersuchte physikalische Sicherheitsannahme, ist die Annahme primitiver, unkorrumpierbarer Hardware-Bausteine, wie z.B. einen TAN-Generator. Dies ermöglicht z.B. eine sichere Authentifikation des menschlichen Nutzers über ein korrumpiertes Terminal, ohne dass der Nutzer selbst kryptographische Berechnungen durchführen muss (z.B. große Primzahlen zu multiplizieren). Dies wird am Beispiel des Geldabhebens an einem korrumpierten Geldautomaten mit Hilfe eines als sicher angenommenen zweiten Geräts (Achenbach et al., 2019) und mit möglichst schwachen Anforderungen an die vorhandenen Kommunikationskanäle gelöst. Da das angegebene Protokoll auch sicher ist, wenn es beliebig mit anderen gleichzeitig laufenden Protokollen ausgeführt wird (also sogenannte Universelle Komponierbarkeit aufweist), es modular entworfen wurde, und die Sicherheitsannahme glaubwürdig ist, ist die Funktionsweise für den Menschen transparent und nachvollziehbar. Insgesamt bildet die Arbeit durch die verschiedenen Karten-basierten Protokolle, Kalküle und systematisierten Beweise für untere Schranken bzgl. der Kartenanzahl, sowie durch Ergebnisse zur sicheren Verwendung eines nicht-vertrauenswürdigen Terminals, und einer Einordnung dieser in eine systematische Darstellung der verschiedenen, in der Kryptographie verwendeten physikalischen Annahmen, einen wesentlichen Beitrag zur physikalisch-basierten Kryptographie