Efficient signature verification and key revocation using identity based cryptography

Cryptography deals with the development and evaluation of procedures for securing digital information. It is essential whenever multiple entities want to communicate safely. One task of cryptography concerns digital signatures and the verification of a signer’s legitimacy requires trustworthy authentication and authorization. This is achieved by deploying cryptographic keys. When dynamic membership behavior and identity theft come into play, revocation of keys has to be addressed. Additionally, in use cases with limited networking, computational, or storage resources, efficiency is a key requirement for any solution. In this work we present a solution for signature verification and key revocation in constraned environments, e.g., in the Internet of Things (IoT). Where other mechanisms generate expensive overheads, we achieve revocation through a single multicast message without significant computational or storage overhead. Exploiting Identity Based Cryptography (IBC) complements the approach with efficient creation and verification of signatures. Our solution offers a framework for transforming a suitable signature scheme to a so-called Key Updatable Signature Scheme (KUSS) in three steps. Each step defines mathematical conditions for transformation and precise security notions. Thereby, the framework allows a novel combination of efficient Identity Based Signature (IBS) schemes with revocation mechanisms originally designed for confidentiality in group communications. Practical applicability of our framework is demonstrated by transforming four well-established IBS schemes based on Elliptic Curve Cryptography (ECC). The security of the resulting group Identity Based Signature (gIBS) schemes is carefully analyzed with techniques of Provable Security. We design and implement a testbed for evaluating these kind of cryptographic schemes on different computing- and networking hardware, typical for constrained environments. Measurements on this testbed provide evidence that the transformations are practicable and efficient. The revocation complexity in turn is significantly reduced compared to existing solutions. Some of our new schemes even outperform the signing process of the widely used Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA). The presented transformations allow future application on schemes beyond IBS or ECC. This includes use cases dealing with Post-Quantum Cryptography, where the revocation efficiency is similarly relevant. Our work provides the basis for such solutions currently under investigation.Die Kryptographie ist ein Instrument der Informationssicherheit und beschäftigt sich mit der Entwicklung und Evaluierung von Algorithmen zur Sicherung digitaler Werte. Sie ist für die sichere Kommunikation zwischen mehreren Entitäten unerlässlich. Ein Bestandteil sind digitale Signaturen, für deren Erstellung man kryptographische Schlüssel benötigt. Bei der Verifikation muss zusätzlich die Authentizität und die Autorisierung des Unterzeichners gewährleistet werden. Dafür müssen Schlüssel vertrauensvoll verteilt und verwaltet werden. Wenn sie in Kommunikationssystemen mit häufig wechselnden Teilnehmern zum Einsatz kommen, müssen die Schlüssel auch widerruflich sein. In Anwendungsfällen mit eingeschränkter Netz-, Rechen- und Speicherkapazität ist die Effizienz ein wichtiges Kriterium. Diese Arbeit liefert ein Rahmenwerk, mit dem Schlüssel effizient widerrufen und Signaturen effizient verifiziert werden können. Dabei fokussieren wir uns auf Szenarien aus dem Bereich des Internets der Dinge (IoT, Internet of Things). Im Gegensatz zu anderen Lösungen ermöglicht unser Ansatz den Widerruf von Schlüsseln mit einer einzelnen Nachricht innerhalb einer Kommunikationsgruppe. Dabei fällt nur geringer zusätzlicher Rechen- oder Speicheraufwand an. Ferner vervollständigt die Verwendung von Identitätsbasierter Kryptographie (IBC, Identity Based Cryptography) unsere Lösung mit effizienter Erstellung und Verifikation der Signaturen. Hierfür liefert die Arbeit eine dreistufige mathematische Transformation von geeigneten Signaturverfahren zu sogenannten Key Updatable Signature Schemes (KUSS). Neben einer präzisen Definition der Sicherheitsziele werden für jeden Schritt mathematische Vorbedingungen zur Transformation festgelegt. Dies ermöglicht die innovative Kombination von Identitätsbasierten Signaturen (IBS, Identity Based Signature) mit effizienten und sicheren Mechanismen zum Schlüsselaustausch, die ursprünglich für vertrauliche Gruppenkommunikation entwickelt wurden. Wir zeigen die erfolgreiche Anwendung der Transformationen auf vier etablierten IBSVerfahren. Die ausschließliche Verwendung von Verfahren auf Basis der Elliptic Curve Cryptography (ECC) erlaubt es, den geringen Kapazitäten der Zielgeräte gerecht zu werden. Eine Analyse aller vier sogenannten group Identity Based Signature (gIBS) Verfahren mit Techniken aus dem Forschungsgebiet der Beweisbaren Sicherheit zeigt, dass die zuvor definierten Sicherheitsziele erreicht werden. Zur praktischen Evaluierung unserer und ähnlicher kryptographischer Verfahren wird in dieser Arbeit eine Testumgebung entwickelt und mit IoT-typischen Rechen- und Netzmodulen bestückt. Hierdurch zeigt sich sowohl die praktische Anwendbarkeit der Transformationen als auch eine deutliche Reduktion der Komplexität gegenüber anderen Lösungsansätzen. Einige der von uns vorgeschlagenen Verfahren unterbieten gar die Laufzeiten des meistgenutzten Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) bei der Erstellung der Signaturen. Die Systematik der Lösung erlaubt prinzipiell auch die Transformation von Verfahren jenseits von IBS und ECC. Dadurch können auch Anwendungsfälle aus dem Bereich der Post-Quanten-Kryptographie von unseren Ergebnissen profitieren. Die vorliegende Arbeit liefert die nötigen Grundlagen für solche Erweiterungen, die aktuell diskutiert und entwickelt werden

Combined schemes for signature and encryption: The public-key and the identity-based setting

Consider a scenario in which parties use a public-key encryption scheme and a signature scheme with a single public key/private key pair-so the private key sk is used for both signing and decrypting. Such a simultaneous use of a key is in general considered poor cryptographic practice, but from an efficiency point of view looks attractive. We offer security notions to analyze such violations of key separation. For both the identity-and the non-identity-based setting, we show that-although being insecure in general-for schemes of interest the resulting combined scheme can offer strong security guarantees.First and last author were supported by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad through the project grant MTM-2012-15167

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

Design and Analysis of Opaque Signatures

Digital signatures were introduced to guarantee the authenticity and integrity of the underlying messages. A digital signature scheme comprises the key generation, the signature, and the verification algorithms. The key generation algorithm creates the signing and the verifying keys, called also the signer’s private and public keys respectively. The signature algorithm, which is run by the signer, produces a signature on the input message. Finally, the verification algorithm, run by anyone who knows the signer’s public key, checks whether a purported signature on some message is valid or not. The last property, namely the universal verification of digital signatures is undesirable in situations where the signed data is commercially or personally sensitive. Therefore, mechanisms which share most properties with digital signatures except for the universal verification were invented to respond to the aforementioned need; we call such mechanisms “opaque signatures”. In this thesis, we study the signatures where the verification cannot be achieved without the cooperation of a specific entity, namely the signer in case of undeniable signatures, or the confirmer in case of confirmer signatures; we make three main contributions. We first study the relationship between two security properties important for public key encryption, namely data privacy and key privacy. Our study is motivated by the fact that opaque signatures involve always an encryption layer that ensures their opacity. The properties required for this encryption vary according to whether we want to protect the identity (i.e. the key) of the signer or hide the validity of the signature. Therefore, it would be convenient to use existing work about the encryption scheme in order to derive one notion from the other. Next, we delve into the generic constructions of confirmer signatures from basic cryptographic primitives, e.g. digital signatures, encryption, or commitment schemes. In fact, generic constructions give easy-to-understand and easy-to-prove schemes, however, this convenience is often achieved at the expense of efficiency. In this contribution, which constitutes the core of this thesis, we first analyze the already existing constructions; our study concludes that the popular generic constructions of confirmer signatures necessitate strong security assumptions on the building blocks, which impacts negatively the efficiency of the resulting signatures. Next, we show that a small change in these constructionsmakes these assumptions drop drastically, allowing as a result constructions with instantiations that compete with the dedicated realizations of these signatures. Finally, we revisit two early undeniable signatures which were proposed with a conjectural security. We disprove the claimed security of the first scheme, and we provide a fix to it in order to achieve strong security properties. Next, we upgrade the second scheme so that it supports a iii desirable feature, and we provide a formal security treatment of the new scheme: we prove that it is secure assuming new reasonable assumptions on the underlying constituents

Short Double- and N-Times-Authentication-Preventing Signatures from ECDSA and More

Double-authentication-preventing signatures (DAPS) are signatures designed with the aim that signing two messages with an identical first part (called address) but different second parts (called payload) allows to publicly extract the secret signing key from two such signatures. A prime application for DAPS is disincentivizing and/or penalizing the creation of two signatures on different payloads within the same address, such as penalizing double spending of transactions in Bitcoin by the loss of the double spender\u27s money. So far DAPS have been constructed from very specific signature schemes not used in practice and using existing techniques it has proved elusive to construct DAPS schemes from signatures widely used in practice. This, unfortunately, has prevented practical adoption of this interesting tool so far. In this paper we ask whether one can construct DAPS from signature schemes used in practice. We affirmatively answer this question by presenting novel techniques to generically construct provably secure DAPS from a large class of discrete logarithm based signatures. This class includes schemes like Schnorr, DSA, EdDSA, and, most interestingly for practical applications, the widely used ECDSA signature scheme. The resulting DAPS are highly efficient and the shortest among all existing DAPS schemes. They are nearly half of the size of the most efficient factoring based schemes (IACR PKC\u2717) and improve by a factor of 100 over the most efficient discrete logarithm based ones (ACM CCS\u2715). Although this efficiency comes at the cost of a reduced address space, i.e., size of keys linear in the number of addresses, we will show that this is not a limitation in practice. Moreover, we generalize DAPS to any N>2, which we denote as N-times-authentication-preventing signatures (NAPS). Finally, we also provide an integration of our ECDSA-based DAPS into the OpenSSL library and perform an extensive comparison with existing approaches

Certificateless Proxy Signature from RSA

Although some good results were achieved in speeding up the computation of pairing function in recent years, it is still interesting to design efficient cryptosystems with less bilinear pairing operation. A proxy signature scheme allows a proxy signer to sign messages on behalf of an original signer within a given context. We propose a certificateless proxy signature (CLPS) scheme from RSA and prove its security under the strongest security model where the Type I/II adversary is a super Type I/II adversary

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

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