Online/Offline Blind Signature

AbstractThe processing ablity and response speed of the wireless communication terminals are limited, common signatures become the bottleneck to the development of the wireless networks. For that problem, based on the characteristics of the blind signature, the online/offline blind signature is given in this paper which incorporates with the optimal online/offline signature. Most computations are finished before the blind message is given, after that, only a few operations are needed. The performance analysis is also given in this paper, the new signature scheme can be applied to the security of wireless network, it protect the users’ privacy efficiently

CONSTRUCTION OF EFFICIENT AUTHENTICATION SCHEMES USING TRAPDOOR HASH FUNCTIONS

In large-scale distributed systems, where adversarial attacks can have widespread impact, authentication provides protection from threats involving impersonation of entities and tampering of data. Practical solutions to authentication problems in distributed systems must meet specific constraints of the target system, and provide a reasonable balance between security and cost. The goal of this dissertation is to address the problem of building practical and efficient authentication mechanisms to secure distributed applications. This dissertation presents techniques to construct efficient digital signature schemes using trapdoor hash functions for various distributed applications. Trapdoor hash functions are collision-resistant hash functions associated with a secret trapdoor key that allows the key-holder to find collisions between hashes of different messages. The main contributions of this dissertation are as follows: 1. A common problem with conventional trapdoor hash functions is that revealing a collision producing message pair allows an entity to compute additional collisions without knowledge of the trapdoor key. To overcome this problem, we design an efficient trapdoor hash function that prevents all entities except the trapdoor key-holder from computing collisions regardless of whether collision producing message pairs are revealed by the key-holder. 2. We design a technique to construct efficient proxy signatures using trapdoor hash functions to authenticate and authorize agents acting on behalf of users in agent-based computing systems. Our technique provides agent authentication, assurance of agreement between delegator and agent, security without relying on secure communication channels and control over an agent’s capabilities. 3. We develop a trapdoor hash-based signature amortization technique for authenticating real-time, delay-sensitive streams. Our technique provides independent verifiability of blocks comprising a stream, minimizes sender-side and receiver-side delays, minimizes communication overhead, and avoids transmission of redundant information. 4. We demonstrate the practical efficacy of our trapdoor hash-based techniques for signature amortization and proxy signature construction by presenting discrete log-based instantiations of the generic techniques that are efficient to compute, and produce short signatures. Our detailed performance analyses demonstrate that the proposed schemes outperform existing schemes in computation cost and signature size. We also present proofs for security of the proposed discrete-log based instantiations against forgery attacks under the discrete-log assumption

Wave: A New Family of Trapdoor One-Way Preimage Sampleable Functions Based on Codes

We present here a new family of trapdoor one-way Preimage Sampleable Functions (PSF) based on codes, the Wave-PSF family. The trapdoor function is one-way under two computational assumptions: the hardness of generic decoding for high weights and the indistinguishability of generalized $(U,U+V)$-codes. Our proof follows the GPV strategy [GPV08]. By including rejection sampling, we ensure the proper distribution for the trapdoor inverse output. The domain sampling property of our family is ensured by using and proving a variant of the left-over hash lemma. We instantiate the new Wave-PSF family with ternary generalized $(U,U+V)$-codes to design a "hash-and-sign" signature scheme which achieves existential unforgeability under adaptive chosen message attacks (EUF-CMA) in the random oracle model. For 128 bits of classical security, signature sizes are in the order of 15 thousand bits, the public key size in the order of 4 megabytes, and the rejection rate is limited to one rejection every 10 to 12 signatures.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1706.0806

Tightly Secure Chameleon Hash Functions in the Multi-User Setting and Their Applications

We define the security notion of (strong) collision resistance for chameleon hash functions in the multi-user setting ((S-)MU-CR security). We also present three constructions, CHF_dl, CHF_rsa and CHF_fac, and prove their tight S-MU-CR security based on the discrete logarithm, RSA and factoring assumptions, respectively. In applications, our tightly S-MU-CR secure chameleon hash functions help us to lift a signature scheme from (weak) unforgeability to strong unforgeability in the multi-user setting, and the security reduction is tightness preserving. Furthermore, they can also be used to construct tightly secure online/offline signatures, chameleon signatures and proxy signatures, etc., in the multi-user setting

Adaptive Oblivious Transfer and Generalization

International audienceOblivious Transfer (OT) protocols were introduced in the seminal paper of Rabin, and allow a user to retrieve a given number of lines (usually one) in a database, without revealing which ones to the server. The server is ensured that only this given number of lines can be accessed per interaction, and so the others are protected; while the user is ensured that the server does not learn the numbers of the lines required. This primitive has a huge interest in practice, for example in secure multi-party computation, and directly echoes to Symmetrically Private Information Retrieval (SPIR). Recent Oblivious Transfer instantiations secure in the UC framework suf- fer from a drastic fallback. After the first query, there is no improvement on the global scheme complexity and so subsequent queries each have a global complexity of O(|DB|) meaning that there is no gain compared to running completely independent queries. In this paper, we propose a new protocol solving this issue, and allowing to have subsequent queries with a complexity of O(log(|DB|)), and prove the protocol security in the UC framework with adaptive corruptions and reliable erasures. As a second contribution, we show that the techniques we use for Obliv- ious Transfer can be generalized to a new framework we call Oblivi- ous Language-Based Envelope (OLBE). It is of practical interest since it seems more and more unrealistic to consider a database with uncontrolled access in access control scenarii. Our approach generalizes Oblivious Signature-Based Envelope, to handle more expressive credentials and requests from the user. Naturally, OLBE encompasses both OT and OSBE, but it also allows to achieve Oblivious Transfer with fine grain access over each line. For example, a user can access a line if and only if he possesses a certificate granting him access to such line. We show how to generically and efficiently instantiate such primitive, and prove them secure in the Universal Composability framework, with adaptive corruptions assuming reliable erasures. We provide the new UC ideal functionalities when needed, or we show that the existing ones fit in our new framework. The security of such designs allows to preserve both the secrecy of the database values and the user credentials. This symmetry allows to view our new approach as a generalization of the notion of Symmetrically PIR

Secure data storage and retrieval in cloud computing

Nowadays cloud computing has been widely recognised as one of the most inuential information technologies because of its unprecedented advantages. In spite of its widely recognised social and economic benefits, in cloud computing customers lose the direct control of their data and completely rely on the cloud to manage their data and computation, which raises significant security and privacy concerns and is one of the major barriers to the adoption of public cloud by many organisations and individuals. Therefore, it is desirable to apply practical security approaches to address the security risks for the wide adoption of cloud computing

Using LDGM Codes and Sparse Syndromes to Achieve Digital Signatures

In this paper, we address the problem of achieving efficient code-based digital signatures with small public keys. The solution we propose exploits sparse syndromes and randomly designed low-density generator matrix codes. Based on our evaluations, the proposed scheme is able to outperform existing solutions, permitting to achieve considerable security levels with very small public keys.Comment: 16 pages. The final publication is available at springerlink.co

Fault-Tolerance and Deaggregation Security of Aggregate Signatures

Ein zentrales Problem der digitalen Kommunikation ist die Absicherung der Authentizität und Integrität digitaler Dokumente, wie etwa Webseiten, E-Mails oder Programmen. So soll beispielsweise für den Empfänger einer E-Mail nachvollziehbar sein, dass die empfangene E-Mail tatsächlich vom angegebenen Absender stammt (Authentizität) und nicht durch Dritte verändert wurde (Integrität). Digitale Signaturen sind ein Hauptwerkzeug der Kryptographie und IT-Sicherheit, um diese Eigenschaften zu gewährleisten. Hierzu wird vom Absender ein geheimer Schlüssel verwendet, um für das zu sichernde Dokument eine Signatur zu erstellen, die mithilfe eines öffentlich bekannten Verifikationsschlüssels jederzeit überprüft werden kann. Die Sicherheitseigenschaften solcher digitaler Signaturverfahren garantieren sowohl, dass jede Änderung am Dokument dazu führt, dass diese Überprüfung fehlschlägt, als auch dass eine Fälschung einer Signatur praktisch unmöglich ist, d.h. ohne den geheimen Schlüssel kann keine gültige Signatur berechnet werden. Somit kann bei einer erfolgreichen Verifikation davon ausgegangen werden, dass das Dokument tatsächlich vom angegebenen Absender erstellt und seit der Berechnung der Signatur nicht verändert wurde, da nur der Absender über den geheimen Schlüssel verfügt. Aggregierbare Signaturen bieten zusätzlich die Möglichkeit Signaturen mehrerer Dokumente zu einer einzigen Signatur zusammenzuführen bzw. zu aggregieren. Diese Aggregation ist dabei jederzeit möglich. Eine aggregierte Signatur bezeugt weiterhin sicher die Integrität und Authentizität aller ursprünglichen Dokumente, benötigt dabei aber nur so viel Speicherplatz wie eine einzelne Signatur. Außerdem ist die Verifikation einer solchen aggregierten Signatur üblichrweise schneller möglich als die sukzessive Überprüfung aller Einzelsignaturen. Somit kann die Verwendung eines aggregierbaren Signaturverfahrens anstelle eines gewöhnlichen Verfahrens zu erheblichen Verbesserungen der Performanz und des Speicherverbrauchs bei Anwendungen von Signaturen führen. In dieser Dissertation werden zwei zusätzliche Eigenschaften von aggregierbaren Signaturverfahren namens Fehlertoleranz und Deaggregationssicherheit untersucht. Fehlertoleranz bietet eine Absicherung des Verfahrens gegen fehlerhafte Signier- und Aggregationsvorgänge und Deaggregationssicherheit schützt vor ungewollten Löschungen. Beide Eigenschaften werden im Folgenden erläutert. Fehlertoleranz: Durch System- und Programmfehler, sowie inkorrektes oder auch bösartiges Nutzerverhalten ist es möglich, dass fehlerhafte Einzelsignaturen zu einer bestehenden aggregierten Signatur hinzugefügt werden. Alle bisherige aggregierbaren Signaturverfahren haben jedoch den Nachteil, dass bereits das Aggregieren einer einzigen fehlerhaften Einzelsignatur dazu führt, dass auch die aggregierte Signatur fehlerhaft und somit unbrauchbar wird. Die aggregierte Signatur kann danach nicht mehr korrekt verifiziert werden. Insbesondere kann aus ihr nun keinerlei Aussage mehr über die Integrität und Authentizität der Dokumente abgeleitet werden, die vor dem Hinzufügen der fehlerhaften Einzelsignatur korrekt signiert wurden. Dies hat zur Folge, dass alle gegebenen Sicherheitsgarantien verloren gehen und es wird ein aufwändiges Neusignieren aller Dokumente notwendig, welches unter Umständen und je nach Anwendung nur schwer bis überhaupt nicht möglich ist. In dieser Dissertation wird das erste fehlertolerante aggregierbare Signaturverfahren vorgestellt, bei dem das Hinzufügen einzelner falscher Signaturen bis zu einer gewissen Grenze keine schädlichen Auswirkungen hat. Eine aggregierte Signatur wird erst dann ungültig und unbrauchbar, sobald die Anzahl hinzugefügter fehlerhafter Signaturen diese Grenze überschreitet und behält davor weiterhin seine Gültigkeit für die korrekt signierten Dokumente. Dazu wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem jedes beliebige aggregierbare Signaturverfahren in ein fehlertolerantes Verfahren transformiert werden kann. Das zugrundeliegende Verfahren wird dabei nur als Black-Box verwendet und der Schutz gegen Fälschungsangriffe übertragt sich beweisbar und ohne Einschränkung auf das neue fehlertolerante Verfahren. Des Weiteren wird als Anwendung von fehlertoleranten Verfahren gezeigt, wie aus ihnen ein sicheres Log-Verfahren konstruiert werden kann. Deaggregationssicherheit: Erlangt ein Angreifer Zugriff auf eine aggregierte Signatur für einen bestimmten Datensatz, so sollte es ihm nicht möglich sein aus diesem Aggregat eine gültige Signatur für einen Teil der geschützten Dokumente abzuleiten, indem er einzelne Signaturen entfernt oder deaggregiert. Solche Angriffe können für viele Anwendungsfälle problematisch sein, da so Signaturen für Mengen von Dokumenten berechnet werden könnten, die nicht von den eigentlichen Erstellern beabsichtigt waren und nie von ihnen selbst signiert wurden. Wird ein aggregierbares Signaturverfahren etwa verwendet um eine Datenbank abzusichern, so sollte es Angreifern nicht möglich sein einzelne Einträge daraus zu entfernen. In dieser Dissertation werden mehrere Deaggregationssicherheitsbegriffe entwickelt, vorgestellt und untersucht. Dazu wird eine Hierarchie von verschieden starken Sicherheitsbegriffen entwickelt und die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Begriffen werden formal untersucht. Dabei wird auch gezeigt, dass der von aggregierbaren Signaturverfahren garantierte Schutz gegen Fälschungen keinerlei Sicherheit gegen Deaggregationsangriffe gewährleistet. Des Weiteren wird die Deaggregationssicherheit einer Reihe von bekannten und wichtigen aggregierbaren Signaturverfahren näher betrachtet. Die von diesen Verfahren gebotene Sicherheit wird exakt klassifiziert, indem entweder Angriffsmöglichkeiten demonstriert werden oder formal bewiesen wird, welcher Sicherheitsbegriff der Hierarchie vom Verfahren erfüllt wird. Außerdem wird die Verbindung von Fehlertoleranz und Deaggregationssicherheit untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass beide Begriffe nicht zueinander kompatibel sind, indem bewiesen wird, dass fehlertolerante aggregierbare Signaturverfahren keinerlei Sicherheit gegen Deaggregationsangriffe bieten können. Somit muss bei Anwendungen von aggregierbaren Verfahren genau abgewogen werden, welche der beiden Eigenschaften notwendig ist und ob zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen angewendet werden müssen, um dieses Problem für die konkrete Anwendung zu beheben

양자 컴퓨터에 대한 암호학적 알고리즘

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 자연과학대학 수리과학부, 2022. 8. 이훈희.The advent of a quantum mechanical computer presents a clear threat to existing cryptography. On the other hand, the quantum computer also suggests the possibility of a new cryptographic protocol through the properties of quantum mechanics. These two perspectives, respectively, gave rise to a new field called post-quantum cryptography as a countermeasure against quantum attacks and quantum cryptography as a new cryptographic technology using quantum mechanics, which are the subject of this thesis. In this thesis, we reconsider the security of the current post-quantum cryptography through a new quantum attack, model, and security proof. We present the fine-grained quantum security of hash functions as cryptographic primitives against preprocessing adversaries. We also bring recent quantum information theoretic research into cryptography, creating new quantum public key encryption and quantum commitment. Along the way, we resolve various open problems such as limitations of quantum algorithms with preprocessing computation, oracle separation problems in quantum complexity theory, and public key encryption using group action.양자역학을 이용한 컴퓨터의 등장은 쇼어의 알고리즘 등을 통해 기존 암호학에 명백한 위협을 제시하며, 양자역학의 성질을 통한 새로운 암호프로토콜의 가능성 또한 제시한다. 이러한 두 가지 관점은 각각 이 학위 논문의 주제가 되는 양자공격에 대한 대응책으로써의 대양자암호와 양자역학을 이용한 암호기술인 양자암호라고 불리는 새로운 분야를 발생시켰다. 이 학위 논문에서는 현재 대양자암호의 안전성을 새로운 양자암호 공격 알고리즘과 모델, 안전성 증명을 통해 재고한다. 특히 암호학적 해쉬함수의 일방향함수, 암호학적 의사난수생성기로서의 대양자 암호 안전성의 구체적인 평가를 제시한다. 또한 최근 양자역학의 연구를 양자암호에 도입함으로써 새로운 양자 공개키암호와 양자 커밋먼트 등의 새로운 발견을 제시한다. 이 과정에서 전처리 계산을 포함한 양자알고리즘의 한계, 양자 복잡계들의 오라클분리 문제, 군의 작용을 이용한 공개키 암호 등의 여러 열린문제들의 해결을 제시한다.1 Introduction 1 1.1 Contributions 3 1.2 Related Works 11 1.3 Research Papers 13 2 Preliminaries 14 2.1 Quantum Computations 15 2.2 Quantum Algorithms 20 2.3 Cryptographic Primitives 21 I Post-Quantum Cryptography: Attacks, New Models, and Proofs 24 3 Quantum Cryptanalysis 25 3.1 Introduction 25 3.2 QROM-AI Algorithm for Function Inversion 26 3.3 Quantum Multiple Discrete Logarithm Problem 34 3.4 Discussion and Open problems 39 4 Quantum Random Oracle Model with Classical Advice 42 4.1 Quantum ROM with Auxiliary Input 44 4.2 Function Inversion 46 4.3 Pseudorandom Generators 56 4.4 Post-quantum Primitives 58 4.5 Discussion and Open Problems 59 5 Quantum Random Permutations with Quantum Advice 62 5.1 Bound for Inverting Random Permutations 64 5.2 Preparation 64 5.3 Proof of Theorem 68 5.4 Implication in Complexity Theory 74 5.5 Discussion and Open Problems 77 II Quantum Cryptography: Public-key Encryptions and Bit Commitments 79 6 Equivalence Theorem 80 6.1 Equivalence Theorem 81 6.2 Non-uniform Equivalence Theorem 83 6.3 Proof of Equivalence Theorem 86 7 Quantum Public Key Encryption 89 7.1 Swap-trapdoor Function Pairs 90 7.2 Quantum-Ciphertext Public Key Encryption 94 7.3 Group Action based Construction 99 7.4 Lattice based Construction 107 7.5 Discussion and Open Problems 113 7.6 Deferred Proof 114 8 Quantum Bit Commitment 119 8.1 Quantum Commitments 120 8.2 Efficient Conversion 123 8.3 Applications of Conversion 126 8.4 Discussion and Open Problems 137박