New results and applications for multi-secret sharing schemes

In a multi-secret sharing scheme (MSSS), different secrets are distributed among the players in some set , each one according to an access structure. The trivial solution to this problem is to run independent instances of a standard secret sharing scheme, one for each secret. In this solution, the length of the secret share to be stored by each player grows linearly with (when keeping all other parameters fixed). Multi-secret sharing schemes have been studied by the cryptographic community mostly from a theoretical perspective: different models and definitions have been proposed, for both unconditional (information-theoretic) and computational security. In the case of unconditional security, there are two different definitions. It has been proved that, for some particular cases of access structures that include the threshold case, a MSSS with the strongest level of unconditional security must have shares with length linear in . Therefore, the optimal solution in this case is equivalent to the trivial one. In this work we prove that, even for a more relaxed notion of unconditional security, and for some kinds of access structures (in particular, threshold ones), we have the same efficiency problem: the length of each secret share must grow linearly with . Since we want more efficient solutions, we move to the scenario of MSSSs with computational security. We propose a new MSSS, where each secret share has constant length (just one element), and we formally prove its computational security in the random oracle model. To the best of our knowledge, this is the first formal analysis on the computational security of a MSSS. We show the utility of the new MSSS by using it as a key ingredient in the design of two schemes for two new functionalities: multi-policy signatures and multi-policy decryption. We prove the security of these two new multi-policy cryptosystems in a formal security model. The two new primitives provide similar functionalities as attribute-based cryptosystems, with some advantages and some drawbacks that we discuss at the end of this work.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Contributions to secret sharing and other distributed cryptosystems

The present thesis deals with primitives related to the eld of distributed cryptography. First, we study signcryption schemes, which provide at the same time the functionalities of encryption and signature, where the unsigncryption operation is distributed. We consider this primitive from a theoretical point of view and set a security framework for it. Then, we present two signcryption schemes with threshold unsigncryption, with di erent properties. Furthermore, we use their authenticity property to apply them in the development of a di erent primitive: digital signatures with distributed veri cation. The second block of the thesis deals with the primitive of multi-secret sharing schemes. After stating some e ciency limitations of multi-secret sharing schemes in an information-theoretic scenario, we present several multi-secret sharing schemes with provable computational security. Finally, we use the results in multi-secret sharing schemes to generalize the traditional framework of distributed cryptography (with a single policy of authorized subsets) into a multipolicy setting, and we present both a multi-policy distributed decryption scheme and a multi-policy distributed signature scheme. Additionally, we give a short outlook on how to apply the presented multi-secret sharing schemes in the design of other multi-policy cryptosystems, like the signcryption schemes considered in this thesis. For all the schemes proposed throughout the thesis, we follow the same formal structure. After de ning the protocols of the primitive and the corresponding security model, we propose the new scheme and formally prove its security, by showing a reduction to some computationally hard mathematical problem.Avui en dia les persones estan implicades cada dia més en diferents activitats digitals tant en la seva vida professional com en el seu temps lliure. Molts articles de paper, com diners i tiquets, estan sent reemplaçats més i més per objectes digitals. La criptografia juga un paper crucial en aquesta transformació, perquè proporciona seguretat en la comunicació entre els diferents participants que utilitzen un canal digital. Depenent de la situació específica, alguns requisits de seguretat en la comunicació poden incloure privacitat (o confidencialitat), autenticitat, integritat o no-repudi. En algunes situacions, repartir l'operació secreta entre un grup de participants fa el procés més segur i fiable que quan la informació secreta està centralitzada en un únic participant; la criptografia distribuïda és l’àrea de la criptografia que estudia aquestes situacions. Aquesta tesi tracta de primitives relacionades amb el camp de la criptografia distribuïda. Primer, estudiem esquemes “signcryption”, que ofereixen a la vegada les funcionalitats de xifrat i signatura, on l'operació de “unsigncryption” està distribuïda. Considerem aquesta primitiva des d’un punt de vista teòric i establim un marc de seguretat per ella. Llavors, presentem dos esquemes “signcryption” amb operació de “unsigncryption” determinada per una estructura llindar, cada un amb diferents propietats. A més, utilitzem la seva propietat d’autenticitat per desenvolupar una nova primitiva: signatures digitals amb verificació distribuïda. El segon bloc de la tesi tracta la primitiva dels esquemes de compartició de multi-secrets. Després de demostrar algunes limitacions en l’eficiència dels esquemes de compartició de multi-secrets en un escenari de teoria de la informació, presentem diversos esquemes de compartició de multi-secrets amb seguretat computacional demostrable. Finalment, utilitzem els resultats obtinguts en els esquemes de compartició de multi-secrets per generalitzar el paradigma tradicional de la criptografia distribuïda (amb una única política de subconjunts autoritzats) a un marc multi-política, i presentem un esquema de desxifrat distribuït amb multi-política i un esquema de signatura distribuïda amb multi-política. A més, donem indicacions de com es poden aplicar els nostres esquemes de compartició de multi-secrets en el disseny d’altres criptosistemes amb multi-política, com per exemple els esquemes “signcryption” considerats en aquesta tesi. Per tots els esquemes proposats al llarg d’aquesta tesi, seguim la mateixa estructura formal. Després de definir els protocols de la primitiva primitius i el model de seguretat corresponent, proposem el nou esquema i demostrem formalment la seva seguretat, mitjançant una reducció a algun problema matemàtic computacionalment difícil