Key exchange with the help of a public ledger

Blockchains and other public ledger structures promise a new way to create globally consistent event logs and other records. We make use of this consistency property to detect and prevent man-in-the-middle attacks in a key exchange such as Diffie-Hellman or ECDH. Essentially, the MitM attack creates an inconsistency in the world views of the two honest parties, and they can detect it with the help of the ledger. Thus, there is no need for prior knowledge or trusted third parties apart from the distributed ledger. To prevent impersonation attacks, we require user interaction. It appears that, in some applications, the required user interaction is reduced in comparison to other user-assisted key-exchange protocols

A Decentralised Digital Identity Architecture

Current architectures to validate, certify, and manage identity are based on centralised, top-down approaches that rely on trusted authorities and third-party operators. We approach the problem of digital identity starting from a human rights perspective, with a primary focus on identity systems in the developed world. We assert that individual persons must be allowed to manage their personal information in a multitude of different ways in different contexts and that to do so, each individual must be able to create multiple unrelated identities. Therefore, we first define a set of fundamental constraints that digital identity systems must satisfy to preserve and promote privacy as required for individual autonomy. With these constraints in mind, we then propose a decentralised, standards-based approach, using a combination of distributed ledger technology and thoughtful regulation, to facilitate many-to-many relationships among providers of key services. Our proposal for digital identity differs from others in its approach to trust in that we do not seek to bind credentials to each other or to a mutually trusted authority to achieve strong non-transferability. Because the system does not implicitly encourage its users to maintain a single aggregated identity that can potentially be constrained or reconstructed against their interests, individuals and organisations are free to embrace the system and share in its benefits.Comment: 30 pages, 10 figures, 3 table

Decentralizing Software Identity Management

Software ist in unterschiedlichsten Bereichen von größter Wichtigkeit: Wirtschaft, Handel, Industrielle Steueranlagen, Transport, Logistik, Kommunikation, sowie im privaten Gebrauch um nur einige Beispiele zu nennen. Es ist entsprechend unverzichtbar, Software mit Integrität und einer expliziten Befürwortung durch den jeweiligen Entwickler oder Herausgeber zu beziehen. In dieser Arbeit verfolgen wir das Ziel, die Interaktion zwischen Erstellern und Nutzern von Software durch die Etablierung und Nutzung von expliziten Identitäten für Software weiter abzusichern. Eine Softwareidentität etabliert in erster Linie einen eindeutigen und persistenten Bezugspunkt an den Softwareersteller Informationen zu Binärdateien ihrer Software anhängen und entfernen können. Die Möglichkeit zuvor veröffentlichte Binärdateien aus einer Softwareidentität zu entfernen erlaubt Entwicklern auf sicherheitskritische Fehler oder Kompromittierungen zu reagieren, indem sie klar kommunizieren, dass bestimmte Binärdateien nicht länger verwendet werden sollten. Nutzer einer Software können über solche Widerrufe oder neue Versionen informiert werden, indem sie die entsprechende Softwareidentität beobachten über die sie dann auch die Integrität und Befürwortung von heruntergeladenen Binärdateien überprüfen können. Distributed Ledger Technologien wie Ethereum oder zuvor Bitcoin scheinen taugliche Plattformen für die Umsetzung von Softwareidentitäten zu sein, ohne dabei auf zentrale Anbieter vertrauen zu müssen. Ein offenes Peer-to-Peer Netzwerk etabliert einen Konsens über einen manipulationsgeschützten Zustandsverlauf, der namensgebende Ledger, und ermöglicht Zugriff auf selbigen. Ethereum ist einer der ersten Distributed Ledger, der sogenannte Smart Contracts ermöglicht. Dabei handelt es sich um Programme, die auf einem Distributed Ledger installiert und ausgeführt werden und damit einen eindeutig referenzierbaren Teil des Ledgerzustandes etablieren und verwalten. Einzig und allein die Programmierung eines Smart Contracts bestimmt darüber, wer den Teilzustand wann und wie verändern kann. Die erste Forschungsfrage dieser Dissertation zielt auf die Tauglichkeit von Distributed Ledger Technologien hinsichtlich der Etablierung, Verwaltung, und Nutzung von Softwareidentitäten ab. Insbesondere untersuchen wir, wie nützliche Eigenschaften für Softwareidentitätsmanagement und -nutzung von den Sicherheitseigenschaften des zugrundeliegenden Distributed Ledgers und weiteren Annahmen abgeleitet werden können. Neben der Verwendung von Softwareidentitäten zur weiteren Absicherung der Softwaredistribution untersuchen wir außerdem ihre Nutzbarkeit als Grundlage für unabhängige Begutachtungen von Softwareversionen. Die Durchführung solcher unabhängigen Begutachtungen mittels Distributed Ledgern führt unweigerlich zu einer Herausforderung hinsichtlich der koordinierten Offenlegung der Ergebnisse. Zum Zeitpunkt der Abfassung dieser Arbeit bietet kein Distributed Ledger eine entsprechende Funktionalität, um die Erstellung einer Menge unabhängig erstellter Aussagen zu unterstützen oder zu dokumentieren. Die zweite Forschungsfrage dieser Arbeit befasst sich deshalb mit der Umsetzung eines Offenlegungsmechanismus für Distributed Ledger basierend auf bestehenden kryptografischen Primitiven. Wir behandeln beide Forschungsfragen, indem wir entsprechende dezentrale Anwendungen konzipieren, implementieren, und evaluieren. Wir nutzen dabei Ethereum als prominentestes Exemplar eines Smart-Contract-fähigen Distributed Ledgers. Genauer gesagt messen wir die Installations- und Ausführungskosten jener Smart Contracts, die für unsere dezentralen Anwendungen nötig sind, um ihre praktische Tauglichkeit zu bestimmen. In zwei Fällen ermitteln wir außerdem den Rechenaufwand, der abseits des Ledgers anfällt. Wir zeigen zudem semi-formal, wie die Sicherheitseigenschaften unserer Proof of Concept Implementierung von dem zugrundeliegenden Distributed Ledger und weiteren Annahmen abgeleitet werden können. Wir kommen zu dem Ergebnis, dass Ethereum stellvertretend für Smart-Contract-fähige Distributed Ledger eine taugliche Plattform für die Umsetzung von Softwareidentitäten ist, inklusive der zuvor angemerkten unabhängigen Begutachtungen. Da unser Konzept des Softwareidentitätsmanagements auf eher grundlegenden Eigenschaften von Distributed Ledgern fußt sollte es sich gut auf andere Systeme übertragen lassen. Im Gegensatz dazu erfordert unser Konzept für einen Offenlegungsmechanismus die Unterstützung von bestimmten kryptografischen Operationen auf dem verwendeten Ledger, was die Übertragbarkeit entsprechend einschränkt. Die Kosten für die Installation der nötigen Smart Contracts sind signifikant größer als die Ausführungskosten im typischen Gebrauch, weshalb wir für zukünftige Arbeit empfehlen, die Wiederverwendbarkeit von installierten Smart Contract Instanzen zu verbessern. Bei der koordinierten Offenlegung von unabhängig erstellten Aussagen auf einem Distributed Ledger erzielen wir eine Reduktion der Gesamtkosten von 20–40 % im Vergleich zu verwandter Arbeit, indem wir unterschiedliche kryptografische Anforderungen ausnutzen. Unser Ansatz um eine koordinierte Offenlegung auf Ethereum zu erzielen stützt sich auf Elliptische-Kurven-Operationen die, obwohl ausreichend, zum aktuellen Zeitpunkt sehr eingeschränkt sind. Entsprechend trägt unsere Arbeit einen weiteren Grund für die Erweiterung der unterstützten elliptischen Kurven im Zuge der Weiterentwicklung von Ethereum bei

Beyond the Hype: On Using Blockchains in Trust Management for Authentication

Trust Management (TM) systems for authentication are vital to the security of online interactions, which are ubiquitous in our everyday lives. Various systems, like the Web PKI (X.509) and PGP's Web of Trust are used to manage trust in this setting. In recent years, blockchain technology has been introduced as a panacea to our security problems, including that of authentication, without sufficient reasoning, as to its merits.In this work, we investigate the merits of using open distributed ledgers (ODLs), such as the one implemented by blockchain technology, for securing TM systems for authentication. We formally model such systems, and explore how blockchain can help mitigate attacks against them. After formal argumentation, we conclude that in the context of Trust Management for authentication, blockchain technology, and ODLs in general, can offer considerable advantages compared to previous approaches. Our analysis is, to the best of our knowledge, the first to formally model and argue about the security of TM systems for authentication, based on blockchain technology. To achieve this result, we first provide an abstract model for TM systems for authentication. Then, we show how this model can be conceptually encoded in a blockchain, by expressing it as a series of state transitions. As a next step, we examine five prevalent attacks on TM systems, and provide evidence that blockchain-based solutions can be beneficial to the security of such systems, by mitigating, or completely negating such attacks.Comment: A version of this paper was published in IEEE Trustcom. http://ieeexplore.ieee.org/document/8029486

Offline-verifiable Data from Distributed Ledger-based Registries

Trust management systems often use registries to authenticate data, or form trust decisions. Examples are revocation registries and trust status lists. By introducing distributed ledgers (DLs), it is also possible to create decentralized registries. A verifier then queries a node of the respective ledger, e.g., to retrieve trust status information during the verification of a credential. While this ensures trustworthy information, the process requires the verifier to be online and the ledger node available. Additionally, the connection from the verifier to the registry poses a privacy issue, as it leaks information about the user's behavior. In this paper, we resolve these issues by extending existing ledger APIs to support results that are trustworthy even in an offline setting. We do this by introducing attestations of the ledger's state, issued by ledger nodes, aggregatable into a collective attestation by all nodes. This attestation enables a user to prove the provenance of DL-based data to an offline verifier. Our approach is generic. So once deployed it serves as a basis for any use case with an offline verifier. We also provide an implementation for the Ethereum stack and evaluate it, demonstrating the practicability of our approach.Comment: This is the full version of a paper which was presented at the 19th International Conference on Security and Cryptography (SECRYPT '22