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

Quantum attacks on Bitcoin, and how to protect against them

The key cryptographic protocols used to secure the internet and financial transactions of today are all susceptible to attack by the development of a sufficiently large quantum computer. One particular area at risk are cryptocurrencies, a market currently worth over 150 billion USD. We investigate the risk of Bitcoin, and other cryptocurrencies, to attacks by quantum computers. We find that the proof-of-work used by Bitcoin is relatively resistant to substantial speedup by quantum computers in the next 10 years, mainly because specialized ASIC miners are extremely fast compared to the estimated clock speed of near-term quantum computers. On the other hand, the elliptic curve signature scheme used by Bitcoin is much more at risk, and could be completely broken by a quantum computer as early as 2027, by the most optimistic estimates. We analyze an alternative proof-of-work called Momentum, based on finding collisions in a hash function, that is even more resistant to speedup by a quantum computer. We also review the available post-quantum signature schemes to see which one would best meet the security and efficiency requirements of blockchain applications.Comment: 21 pages, 6 figures. For a rough update on the progress of Quantum devices and prognostications on time from now to break Digital signatures, see https://www.quantumcryptopocalypse.com/quantum-moores-law

Random Oracles in a Quantum World

The interest in post-quantum cryptography - classical systems that remain secure in the presence of a quantum adversary - has generated elegant proposals for new cryptosystems. Some of these systems are set in the random oracle model and are proven secure relative to adversaries that have classical access to the random oracle. We argue that to prove post-quantum security one needs to prove security in the quantum-accessible random oracle model where the adversary can query the random oracle with quantum states. We begin by separating the classical and quantum-accessible random oracle models by presenting a scheme that is secure when the adversary is given classical access to the random oracle, but is insecure when the adversary can make quantum oracle queries. We then set out to develop generic conditions under which a classical random oracle proof implies security in the quantum-accessible random oracle model. We introduce the concept of a history-free reduction which is a category of classical random oracle reductions that basically determine oracle answers independently of the history of previous queries, and we prove that such reductions imply security in the quantum model. We then show that certain post-quantum proposals, including ones based on lattices, can be proven secure using history-free reductions and are therefore post-quantum secure. We conclude with a rich set of open problems in this area.Comment: 38 pages, v2: many substantial changes and extensions, merged with a related paper by Boneh and Zhandr

Revisiting the security model for aggregate signature schemes

Aggregate signature schemes combine the digital signatures of multiple users on different messages into one single signature. The Boneh-Gentry-Lynn-Shacham (BGLS) aggregate signature scheme is one such scheme, based on pairings, where anyone can aggregate the signatures in any order. We suggest improvements to its current chosen-key security model. In particular, we argue that the scheme should be resistant to attackers that can adaptively choose their target users, and either replace other users' public keys or expose other users' private keys. We compare these new types of forgers to the original targeted-user forger, building up to the stronger replacement-and-exposure forger. Finally, we present a security reduction for a variant of the BGLS aggregate signature scheme with respect to this new notion of forgery. Recent attacks by Joux and others on the discrete logarithm problem in small-characteristic finite fields dramatically reduced the security of many type I pairings. Therefore, we explore security reductions for BGLS with type III rather than type I pairings. Although our reductions are specific to BGLS, we believe that other aggregate signature schemes could benefit from similar changes to their security models

Making Existential-Unforgeable Signatures Strongly Unforgeable in the Quantum Random-Oracle Model

Strongly unforgeable signature schemes provide a more stringent security guarantee than the standard existential unforgeability. It requires that not only forging a signature on a new message is hard, it is infeasible as well to produce a new signature on a message for which the adversary has seen valid signatures before. Strongly unforgeable signatures are useful both in practice and as a building block in many cryptographic constructions. This work investigates a generic transformation that compiles any existential-unforgeable scheme into a strongly unforgeable one, which was proposed by Teranishi et al. and was proven in the classical random-oracle model. Our main contribution is showing that the transformation also works against quantum adversaries in the quantum random-oracle model. We develop proof techniques such as adaptively programming a quantum random-oracle in a new setting, which could be of independent interest. Applying the transformation to an existential-unforgeable signature scheme due to Cash et al., which can be shown to be quantum-secure assuming certain lattice problems are hard for quantum computers, we get an efficient quantum-secure strongly unforgeable signature scheme in the quantum random-oracle model.Comment: 15 pages, to appear in Proceedings TQC 201