InShopnito: an advanced yet privacy-friendly mobile shopping application

Mobile Shopping Applications (MSAs) are rapidly gaining popularity. They enhance the shopping experience, by offering customized recommendations or incorporating customer loyalty programs. Although MSAs are quite effective at attracting new customers and binding existing ones to a retailer's services, existing MSAs have several shortcomings. The data collection practices involved in MSAs and the lack of transparency thereof are important concerns for many customers. This paper presents inShopnito, a privacy-preserving mobile shopping application. All transactions made in inShopnito are unlinkable and anonymous. However, the system still offers the expected features from a modern MSA. Customers can take part in loyalty programs and earn or spend loyalty points and electronic vouchers. Furthermore, the MSA can suggest personalized recommendations even though the retailer cannot construct rich customer profiles. These profiles are managed on the smartphone and can be partially disclosed in order to get better, customized recommendations. Finally, we present an implementation called inShopnito, of which the security and performance is analyzed. In doing so, we show that it is possible to have a privacy-preserving MSA without having to sacrifice practicality

Multidevice Authentication with Strong Privacy Protection

We propose a novel cryptographic scheme based on efficient zero-knowledge proofs and Boneh-Boyen signatures. The proposed scheme is provably secure and provides the full set of privacy-enhancing features, that is, the anonymity, untraceability, and unlinkability of user

Cryptographic Protection of Digital Identity

Dizertační práce se zabývá kryptografickými schématy zvyšující ochranu soukromí uživatelů v systémech řízení přístupu a sběru dat. V současnosti jsou systémy fyzického řízení přístupu na bázi čipových karet využívány téměř dennodenně většinou z nás, například v zaměstnání, ve veřejné dopravě a v hotelech. Tyto systémy však stále neposkytují dostatečnou kryptografickou ochranu a tedy bezpečnost. Uživatelské identifikátory a klíče lze snadno odposlechnout a padělat. Funkce, které by zajišťovaly ochranu soukromí uživatele, téměř vždy chybí. Proto je zde reálné riziko možného sledovaní lidí, jejich pohybu a chovaní. Poskytovatelé služeb nebo případní útočníci, kteří odposlouchávají komunikaci, mohou vytvářet profily uživatelů, ví, co dělají, kde se pohybují a o co se zajímají. Za účelem zlepšení tohoto stavu jsme navrhli čtyři nová kryptografická schémata založená na efektivních důkazech s nulovou znalostí a kryptografii eliptických křivek. Konkrétně dizertační práce prezentuje tři nová autentizační schémata pro využití v systémech řízení přístupu a jedno nové schéma pro využití v systémech sběru dat. První schéma využívá distribuovaný autentizační přístup vyžadující spolupráci více RFID prvků v autentizačním procesu. Tato vlastnost je výhodná zvláště v případech řízení přístupu do nebezpečných prostor, kdy pro povolení přístupu uživatele je nezbytné, aby byl uživatel vybaven ochrannými pomůckami (se zabudovanými RFID prvky). Další dvě schémata jsou založena na atributovém způsobu ověření, tj. schémata umožňují anonymně prokázat vlastnictví atributů uživatele, jako je věk, občanství a pohlaví. Zatím co jedno schéma implementuje efektivní revokační a identifikační mechanismy, druhé schéma poskytuje nejrychlejší verifikaci držení uživatelských atributů ze všech současných řešení. Poslední, čtvrté schéma reprezentuje schéma krátkého skupinového podpisu pro scénář sběru dat. Schémata sběru dat se používají pro bezpečný a spolehlivý přenos dat ze vzdálených uzlů do řídící jednotky. S rostoucím významem chytrých měřičů v energetice, inteligentních zařízení v domácnostech a rozličných senzorových sítí, se potřeba bezpečných systémů sběru dat stává velmi naléhavou. Tato schémata musí podporovat nejen standardní bezpečnostní funkce, jako je důvěrnost a autentičnost přenášených dat, ale také funkce nové, jako je silná ochrana soukromí a identity uživatele či identifikace škodlivých uživatelů. Navržená schémata jsou prokazatelně bezpečná a nabízí celou řadu funkcí rozšiřující ochranu soukromí a identity uživatele, jmenovitě se pak jedná o zajištění anonymity, nesledovatelnosti a nespojitelnosti jednotlivých relací uživatele. Kromě úplné kryptografické specifikace a bezpečnostní analýzy navržených schémat, obsahuje tato práce také výsledky měření implementací jednotlivých schémat na v současnosti nejpoužívanějších zařízeních v oblasti řízení přístupu a sběru dat.The doctoral thesis deals with privacy-preserving cryptographic schemes in access control and data collection areas. Currently, card-based physical access control systems are used by most people on a daily basis, for example, at work, in public transportation and at hotels. However, these systems have often very poor cryptographic protection. For instance, user identifiers and keys can be easily eavesdropped and counterfeited. Furthermore, privacy-preserving features are almost missing and, therefore, user’s movement and behavior can by easily tracked. Service providers (and even eavesdroppers) can profile users, know what they do, where they go, and what they are interested in. In order to improve this state, we propose four novel cryptographic schemes based on efficient zero-knowledge proofs and elliptic curve cryptography. In particular, the thesis presents three novel privacy-friendly authentication schemes for access control and one for data collection application scenarios. The first scheme supports distributed multi-device authentication with multiple Radio-Frequency IDentification (RFID) user’s devices. This feature is particularly important in applications for controlling access to dangerous areas where the presence of protective equipment is checked during each access control session. The other two presented schemes use attribute-based approach to protect user’s privacy, i.e. these schemes allow users to anonymously prove the ownership of their attributes, such as age, citizenship, and gender. While one of our scheme brings efficient revocation and identification mechanisms, the other one provides the fastest authentication phase among the current state of the art solutions. The last (fourth) proposed scheme is a novel short group signature scheme for data collection scenarios. Data collection schemes are used for secure and reliable data transfer from multiple remote nodes to a central unit. With the increasing importance of smart meters in energy distribution, smart house installations and various sensor networks, the need for secure data collection schemes becomes very urgent. Such schemes must provide standard security features, such as confidentiality and authenticity of transferred data, as well as novel features, such as strong protection of user’s privacy and identification of malicious users. The proposed schemes are provably secure and provide the full set of privacy-enhancing features, namely anonymity, untraceability and unlinkability of users. Besides the full cryptographic specification and security analysis, we also show the results of our implementations on devices commonly used in access control and data collection applications.

Assessment of attribute-based credentials for privacy-preserving road traffic services in smart cities

Smart cities involve the provision of advanced services for road traffic users. Vehicular ad hoc networks (VANETs) are a promising communication technology in this regard. Preservation of privacy is crucial in these services to foster their acceptance. Previous approaches have mainly focused on PKI-based or ID-based cryptography. However, these works have not fully addressed the minimum information disclosure principle. Thus, questions such as how to prove that a driver is a neighbour of a given zone, without actually disclosing his identity or real address, remain unaddressed. A set of techniques, referred to as Attribute-Based Credentials (ABCs), have been proposed to address this need in traditional computation scenarios. In this paper, we explore the use of ABCs in the vehicular context. For this purpose, we focus on a set of use cases from European Telecommunications Standards Institute (ETSI) Basic Set of Applications, specially appropriate for the early development of smart cities. We assess which ABC techniques are suitable for this scenario, focusing on three representative ones—Idemix, U-Prove and VANET-updated Persiano systems. Our experimental results show that they are feasible in VANETs considering state-of-the-art technologies, and that Idemix is the most promising technique for most of the considered use cases.This work was supported by the MINECO grant TIN2013-46469-R (SPINY: Security and Privacy in the Internet of You); the CAM grant S2013/ICE-3095 (CIBERDINE: Cybersecurity, Data, and Risks) and by the MINECO grant TIN2016-79095-C2-2-R (SMOG-DEV - Security mechanisms for fog computing: advanced security for devices). Jose Maria de Fuentes and Lorena Gonzalez were also supported by the Programa de Ayudas para la Movilidad of Carlos III University of Madrid

Identity management policy and unlinkability: a comparative case study of the US and Germany

This study compares the privacy policies of Germany and the US in the field of identity management. It analyses the emergence of unlinkability within the countries’ electronic citizen identity initiatives. The study used qualitative research methods, including semi-structured interview and document analysis, to analyse the policy-making processes surrounding the issue of unlinkability. The study found that unlinkability is emerging in different ways in each country. Germany’s data protection and privacy regimes are more coherent than the US, and unlinkability was an incremental policy change. US unlinkability policies are a more significant departure from its data protection and policy regimes. New institutionalism is used to help explain the similarities and differences between the two countries’ policies. Scholars have long been calling for the use of privacy-enhancing technologies (PETs) in policy-making, and unlinkability falls into this category. By employing PETs in this way, German and US identity management policies are in the vanguard of their respective privacy regimes. Through these policies, the US comes closer to German and European data protection policies, doing so non-legislatively. The digital citizen identities appearing in both countries must be construed as commercial products inasmuch as official identities. Lack of attendance to the commercial properties of these identities frustrates policy goals. As national governments embark on further identity management initiatives, commercial and design imperatives, such as value to the citizen and usability, must be considered for policy to be successful

Authentication Protocols and Privacy Protection

Tato dizertační práce se zabývá kryptografickými prostředky pro autentizaci. Hlavním tématem však nejsou klasické autentizační protokoly, které nabízejí pouze ověření identity, ale tzv. atributové autentizační systémy, pomocí kterých mohou uživatelé prokazovat svoje osobní atributy. Tyto atributy pak mohou představovat jakékoliv osobní informace, např. věk, národnost či místo narození. Atributy mohou být prokazovány anonymně a s podporou mnoha funkcí na ochranu digitální identity. Mezi takové funkce patří např. nespojitelnost autentizačních relací, nesledovatelnost, možnost výběru prokazovaných atributů či efektivní revokace. Atributové autentizační systémy jsou již nyní považovány za nástupce současných systémů v oficiálních strategických plánech USA (NSTIC) či EU (ENISA). Část požadovaných funkcí je již podporována existujícími kryptografickými koncepty jako jsou U-Prove či idemix. V současné době však není známý systém, který by poskytoval všechny potřebné funkce na ochranu digitální identity a zároveň byl prakticky implementovatelný na zařízeních, jako jsou čipové karty. Mezi klíčové slabiny současných systémů patří především chybějící nespojitelnost relací a absence revokace. Není tak možné efektivně zneplatnit zaniklé uživatele, ztracené či ukradené autentizační karty či karty škodlivých uživatelů. Z těchto důvodů je v této práci navrženo kryptografické schéma, které řeší slabiny nalezené při analýze existujících řešení. Výsledné schéma, jehož návrh je založen na ověřených primitivech, jako jsou $\Sigma$-protokoly pro důkazy znalostí, kryptografické závazky či ověřitelné šifrování, pak podporuje všechny požadované vlastnosti pro ochranu soukromí a digitální identity. Zároveň je však návrh snadno implementovatelný v prostředí smart-karet. Tato práce obsahuje plný kryptografický návrh systému, formální ověření klíčových vlastností, matematický model schématu v programu Mathematica pro ověření funkčnosti a výsledky experimentální implementace v prostředí .NET smart-karet. I přesto, že navrhovaný systém obsahuje podporu všech funkcí na ochranu soukromí, včetně těch, které chybí u existujících systémů, jeho výpočetní složitost zůstává stejná či nižší, doba ověření uživatele je tedy kratší než u existujících systémů. Výsledkem je schéma, které může velmi znatelně zvýšit ochranu soukromí uživatelů při jejich ověřování, především při využití v elektronických dokladech, přístupových systémech či Internetových službách.This dissertation thesis deals with the cryptographic constructions for user authentication. Rather than classical authentication protocols which allow only the identity verification, the attribute authentication systems are the main topic of this thesis. The attribute authentication systems allow users to give proofs about the possession of personal attributes. These attributes can represent any personal information, for example age, nationality or birthplace. The attribute ownership can be proven anonymously and with the support of many features for digital identity protection. These features include, e.g., the unlinkability of verification sessions, untraceability, selective disclosure of attributes or efficient revocation. Currently, the attribute authentication systems are considered to be the successors of existing authentication systems by the official strategies of USA (NSTIC) and EU (ENISA). The necessary features are partially provided by existing cryptographic concepts like U-Prove and idemix. But at this moment, there is no system providing all privacy-enhancing features which is implementable on computationally restricted devices like smart-cards. Among all weaknesses of existing systems, the missing unlinkability of verification sessions and the absence of practical revocation are the most critical ones. Without these features, it is currently impossible to invalidate expired users, lost or stolen authentication cards and cards of malicious users. Therefore, a new cryptographic scheme is proposed in this thesis to fix the weaknesses of existing schemes. The resulting scheme, which is based on established primitives like $\Sigma$-protocols for proofs of knowledge, cryptographic commitments and verifiable encryption, supports all privacy-enhancing features. At the same time, the scheme is easily implementable on smart-cards. This thesis includes the full cryptographic specification, the formal verification of key properties, the mathematical model for functional verification in Mathematica software and the experimental implementation on .NET smart-cards. Although the scheme supports all privacy-enhancing features which are missing in related work, the computational complexity is the same or lower, thus the time of verification is shorter than in existing systems. With all these features and properties, the resulting scheme can significantly improve the privacy of users during their verification, especially when used in electronic ID systems, access systems or Internet services.