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

Instantaneous Decentralized Poker

We present efficient protocols for amortized secure multiparty computation with penalties and secure cash distribution, of which poker is a prime example. Our protocols have an initial phase where the parties interact with a cryptocurrency network, that then enables them to interact only among themselves over the course of playing many poker games in which money changes hands. The high efficiency of our protocols is achieved by harnessing the power of stateful contracts. Compared to the limited expressive power of Bitcoin scripts, stateful contracts enable richer forms of interaction between standard secure computation and a cryptocurrency. We formalize the stateful contract model and the security notions that our protocols accomplish, and provide proofs using the simulation paradigm. Moreover, we provide a reference implementation in Ethereum/Solidity for the stateful contracts that our protocols are based on. We also adopt our off-chain cash distribution protocols to the special case of stateful duplex micropayment channels, which are of independent interest. In comparison to Bitcoin based payment channels, our duplex channel implementation is more efficient and has additional features

Formal Methods for Trustworthy Voting Systems : From Trusted Components to Reliable Software

Voting is prominently an important part of democratic societies, and its outcome may have a dramatic and broad impact on societal progress. Therefore, it is paramount that such a society has extensive trust in the electoral process, such that the system’s functioning is reliable and stable with respect to the expectations within society. Yet, with or without the use of modern technology, voting is full of algorithmic and security challenges, and the failure to address these challenges in a controlled manner may produce fundamental flaws in the voting system and potentially undermine critical societal aspects. In this thesis, we argue for a development process of voting systems that is rooted in and assisted by formal methods that produce transparently checkable evidence for the guarantees that the final system should provide so that it can be deemed trustworthy. The goal of this thesis is to advance the state of the art in formal methods that allow to systematically develop trustworthy voting systems that can be provenly verified. In the literature, voting systems are modeled in the following four comparatively separable and distinguishable layers: (1) the physical layer, (2) the computational layer, (3) the election layer, and (4) the human layer. Current research usually either mostly stays within one of those layers or lacks machine-checkable evidence, and consequently, trusted and understandable criteria often lack formally proven and checkable guarantees on software-level and vice versa. The contributions in this work are formal methods that fill in the trust gap between the principal election layer and the computational layer by a reliable translation of trusted and understandable criteria into trustworthy software. Thereby, we enable that executable procedures can be formally traced back and understood by election experts without the need for inspection on code level, and trust can be preserved to the trustworthy system. The works in this thesis all contribute to this end and consist in five distinct contributions, which are the following: (I) a method for the generation of secure card-based communication schemes, (II) a method for the synthesis of reliable tallying procedures, (III) a method for the efficient verification of reliable tallying procedures, (IV) a method for the computation of dependable election margins for reliable audits, (V) a case study about the security verification of the GI voter-anonymization software. These contributions span formal methods on illustrative examples for each of the three principal components, (1) voter-ballot box communication, (2) election method, and (3) election management, between the election layer and the computational layer. Within the first component, the voter-ballot box communication channel, we build a bridge from the communication channel to the cryptography scheme by automatically generating secure card-based schemes from a small formal model with a parameterization of the desired security requirements. For the second component, the election method, we build a bridge from the election method to the tallying procedure by (1) automatically synthesizing a runnable tallying procedure from the desired requirements given as properties that capture the desired intuitions or regulations of fairness considerations, (2) automatically generating either comprehensible arguments or bounded proofs to compare tallying procedures based on user-definable fairness properties, and (3) automatically computing concrete election margins for a given tallying procedure, the collected ballots, and the computed election result, that enable efficient election audits. Finally, for the third and final component, the election management system, we perform a case study and apply state-of-the-art verification technology to a real-world e-voting system that has been used for the annual elections of the German Informatics Society (GI – “Gesellschaft für Informatik”) in 2019. The case study consists in the formal implementation-level security verification that the voter identities are securely anonymized and the voters’ passwords cannot be leaked. The presented methods assist the systematic development and verification of provenly trustworthy voting systems across traditional layers, i.e., from the election layer to the computational layer. They all pursue the goal of making voting systems trustworthy by reliable and explainable formal requirements. We evaluate the devised methods on minimal card-based protocols that compute a secure AND function for two different decks of cards, a classical knock-out tournament and several Condorcet rules, various plurality, scoring, and Condorcet rules from the literature, the Danish national parliamentary elections in 2015, and a state-of-the-art electronic voting system that is used for the German Informatics Society’s annual elections in 2019 and following

21 - Bringing Down the Complexity: Fast Composable Protocols for Card Games Without Secret State

While many cryptographic protocols for card games have been proposed, all of them focus on card games where players have some state that must be kept secret from each other, e.g. closed cards and bluffs in Poker. This scenario poses many interesting technical challenges, which are addressed with cryptographic tools that introduce significant computational and communication overheads (e.g. zero-knowledge proofs). In this paper, we consider the case of games that do not require any secret state to be maintained (e.g. Blackjack and Baccarat). Basically, in these games, cards are chosen at random and then publicly advertised, allowing for players to publicly announce their actions (before or after cards are known). We show that protocols for such games can be built from very lightweight primitives such as digital signatures and canonical random oracle commitments, yielding constructions that far outperform all known card game protocols in terms of communication, computational and round complexities. Moreover, in constructing highly efficient protocols, we introduce a new technique based on verifiable random functions for extending coin tossing, which is at the core of our constructions. Besides ensuring that the games are played correctly, our protocols support financial rewards and penalties enforcement, guaranteeing that winners receive their rewards and that cheaters get financially penalized. In order to do so, we build on blockchain-based techniques that leverage the power of stateful smart contracts to ensure fair protocol execution

Surprise and sense-making: The organizational socialization of first -year teachers in intermediate grades four through six

This qualitative dissertation study used grounded theory methodology modified to accept received theory to examine organizational and professional socialization as experienced by a group of ten first-year teachers in grades four through six. Stage model theory and surprise and sense-making theory supplied the study\u27s conceptual framework. The first-year teachers were interviewed three times during the 2000–2001 school year to identify elements of their organizational socialization experience