Pairing-based identification schemes

We propose four different identification schemes that make use of bilinear pairings, and prove their security under certain computational assumptions. Each of the schemes is more efficient and/or more secure than any known pairing-based identification scheme

Improvements and New Constructions of Digital Signatures

Ein digitales Signaturverfahren, oft auch nur digitale Signatur genannt, ist ein wichtiger und nicht mehr wegzudenkender Baustein in der Kryptographie. Es stellt das digitale Äquivalent zur klassischen handschriftlichen Signatur dar und liefert darüber hinaus noch weitere wünschenswerte Eigenschaften. Mit solch einem Verfahren kann man einen öffentlichen und einen geheimen Schlüssel erzeugen. Der geheime Schlüssel dient zur Erstellung von Signaturen zu beliebigen Nachrichten. Diese können mit Hilfe des öffentlichen Schlüssels von jedem überprüft und somit verifiziert werden. Desweiteren fordert man, dass das Verfahren "sicher" sein soll. Dazu gibt es in der Literatur viele verschiedene Begriffe und Definitionen, je nachdem welche konkreten Vorstellungen beziehungsweise Anwendungsgebiete man hat. Vereinfacht gesagt, sollte es für einen Angreifer ohne Kenntnis des geheimen Schlüssels nicht möglich sein eine gültige Signatur zu einer beliebigen Nachricht zu fälschen. Ein sicheres Signaturverfahren kann somit verwendet werden um die folgenden Ziele zu realisieren: - Authentizität: Jeder Empfänger kann überprüfen, ob die Nachricht von einem bestimmten Absender kommt. - Integrität der Nachricht: Jeder Empfänger kann feststellen, ob die Nachricht bei der Übertragung verändert wurde. - Nicht-Abstreitbarkeit: Der Absender kann nicht abstreiten die Signatur erstellt zu haben. Damit ist der Einsatz von digitalen Signaturen für viele Anwendungen in der Praxis sehr wichtig. Überall da, wo es wichtig ist die Authentizität und Integrität einer Nachricht sicherzustellen, wie beim elektronischen Zahlungsverkehr, Softwareupdates oder digitalen Zertifikaten im Internet, kommen digitale Signaturen zum Einsatz. Aber auch für die kryptographische Theorie sind digitale Signaturen ein unverzichtbares Hilfsmittel. Sie ermöglichen zum Beispiel die Konstruktion von stark sicheren Verschlüsselungsverfahren. Eigener Beitrag: Wie bereits erwähnt gibt es unterschiedliche Sicherheitsbegriffe im Rahmen von digitalen Signaturen. Ein Standardbegriff von Sicherheit, der eine recht starke Form von Sicherheit beschreibt, wird in dieser Arbeit näher betrachtet. Die Konstruktion von Verfahren, die diese Form der Sicherheit erfüllen, ist ein vielschichtiges Forschungsthema. Dazu existieren unterschiedliche Strategien in unterschiedlichen Modellen. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns daher auf folgende Punkte. - Ausgehend von vergleichsweise realistischen Annahmen konstruieren wir ein stark sicheres Signaturverfahren im sogenannten Standardmodell, welches das realistischste Modell für Sicherheitsbeweise darstellt. Unser Verfahren ist das bis dahin effizienteste Verfahren in seiner Kategorie. Es erstellt sehr kurze Signaturen und verwendet kurze Schlüssel, beides unverzichtbar für die Praxis. - Wir verbessern die Qualität eines Sicherheitsbeweises von einem verwandten Baustein, der identitätsbasierten Verschlüsselung. Dies hat unter anderem Auswirkung auf dessen Effizienz bezüglich der empfohlenen Schlüssellängen für den sicheren Einsatz in der Praxis. Da jedes identitätsbasierte Verschlüsselungsverfahren generisch in ein digitales Signaturverfahren umgewandelt werden kann ist dies auch im Kontext digitaler Signaturen interessant. - Wir betrachten Varianten von digitalen Signaturen mit zusätzlichen Eigenschaften, sogenannte aggregierbare Signaturverfahren. Diese ermöglichen es mehrere Signaturen effizient zu einer zusammenzufassen und dabei trotzdem alle zugehörigen verschiedenen Nachrichten zu verifizieren. Wir geben eine neue Konstruktion von solch einem aggregierbaren Signaturverfahren an, bei der das Verfahren eine Liste aller korrekt signierten Nachrichten in einer aggregierten Signatur ausgibt anstatt, wie bisher üblich, nur gültig oder ungültig. Wenn eine aggregierte Signatur aus vielen Einzelsignaturen besteht wird somit das erneute Berechnen und eventuell erneute Senden hinfällig und dadurch der Aufwand erheblich reduziert

Revisiting the security model for aggregate signature schemes

Aggregate signature schemes combine the digital signatures of multiple users on different messages into one single signature. The Boneh-Gentry-Lynn-Shacham (BGLS) aggregate signature scheme is one such scheme, based on pairings, where anyone can aggregate the signatures in any order. We suggest improvements to its current chosen-key security model. In particular, we argue that the scheme should be resistant to attackers that can adaptively choose their target users, and either replace other users' public keys or expose other users' private keys. We compare these new types of forgers to the original targeted-user forger, building up to the stronger replacement-and-exposure forger. Finally, we present a security reduction for a variant of the BGLS aggregate signature scheme with respect to this new notion of forgery. Recent attacks by Joux and others on the discrete logarithm problem in small-characteristic finite fields dramatically reduced the security of many type I pairings. Therefore, we explore security reductions for BGLS with type III rather than type I pairings. Although our reductions are specific to BGLS, we believe that other aggregate signature schemes could benefit from similar changes to their security models

On Cryptographic Building Blocks and Transformations

Cryptographic building blocks play a central role in cryptography, e.g., encryption or digital signatures with their security notions. Further, cryptographic building blocks might be constructed modularly, i.e., emerge out of other cryptographic building blocks. Essentially, one cryptographically transforms the underlying block(s) and their (security) properties into the emerged block and its properties. This thesis considers cryptographic building blocks and new cryptographic transformations

Constant-Size Structure-Preserving Signatures: Generic Constructions and Simple Assumptions

This paper presents efficient structure-preserving signature schemes based on assumptions as simple as Decision-Linear. We first give two general frameworks for constructing fully secure signature schemes from weaker building blocks such as variations of one-time signatures and random-message secure signatures. They can be seen as refinements of the Even-Goldreich-Micali framework, and preserve many desirable properties of the underlying schemes such as constant signature size and structure preservation. We then instantiate them based on simple (i.e., not q-type) assumptions over symmetric and asymmetric bilinear groups. The resulting schemes are structure-preserving and yield constant-size signatures consisting o

A Constant-Size Signature Scheme with a Tighter Reduction from the CDH Assumption

We present a signature scheme with the tightest security-reduction among known constant-size signature schemes secure under the computational Diffie-Hellman (CDH) assumption. It is important to reduce the security-reduction loss of a cryptosystem, which enables choosing of a smaller security parameter without compromising security; hence, enabling constant-size signatures for cryptosystems and faster computation. The tightest security reduction far from the CDH assumption is $\mathcal{O}(q)$, presented by Hofheinz et al., where $q$ is the number of signing queries. They also proved that the security loss of $\mathcal{O}(q)$ is optimal if signature schemes are ``re-randomizable . In this paper, we revisit the non-re-randomizable signature scheme proposed by Bohl et al. Their signature scheme is the first that is fully secure under the CDH assumption and has a compact public key. However, they constructed the scheme with polynomial-order security-reduction loss. We first constructed a new existentially unforgeable againt extended random-message attack (EUF-XRMA) secure scheme based on Bohl et al.\u27s scheme, which has tighter security reduction of $\mathcal{O}(q/d)$ to the CDH assumption, where $d$ is the number of group elements in a verification key. We then transformed the EUF-XRMA secure signature scheme into an existentially unforgeable against adaptively chosen-message attack (EUF-CMA) secure one using Abe et al.\u27s technique. In this construction, no pseudorandom function, which results in increase of reduction loss, is used, and the above reduction loss can be achieved. Moreover, a tag can be generated more efficiently than Bohl et al.\u27s signature scheme, which results in smaller computation. Consequently, our EUF-CMA secure scheme has tighter security reduction to the CDH assumption than any previous schemes

Tightly-Secure Signatures from Five-Move Identification Protocols

We carry out a concrete security analysis of signature schemes obtained from five-move identification protocols via the Fiat-Shamir transform. Concretely, we obtain tightly-secure signatures based on the computational Diffie-Hellman (CDH), the short-exponent CDH, and the Factoring (FAC) assumptions. All our signature schemes have tight reductions to search problems, which is in stark contrast to all known signature schemes obtained from the classical Fiat-Shamir transform (based on three-move identification protocols), which either have a non-tight reduction to a search problem, or a tight reduction to a (potentially) stronger decisional problem. Surprisingly, our CDH-based scheme turns out to be (a slight simplification of) the Chevallier-Mames signature scheme (CRYPTO 05), thereby providing a theoretical explanation of its tight security proof via five-move identification protocols