COMPRESS MULTIPLE CIPHERTEXTS USING ELGAMAL ENCRYPTION SCHEMES

In this work we deal with the problem of how to squeeze multiple ciphertexts without losing original message information. To do so, we formalize the notion of decompos- ability for public-key encryption and investigate why adding decomposability is challenging. We construct an ElGamal encryption scheme over extension fields, and show that it supports the efficient decomposition. We then analyze security of our scheme under the standard DDH assumption, and evaluate the performance of our construction

Incompressible Cryptography

Incompressible encryption allows us to make the ciphertext size flexibly large and ensures that an adversary learns nothing about the encrypted data, even if the decryption key later leaks, unless she stores essentially the entire ciphertext. Incompressible signatures can be made arbitrarily large and ensure that an adversary cannot produce a signature on any message, even one she has seen signed before, unless she stores one of the signatures essentially in its entirety. In this work, we give simple constructions of both incompressible public-key encryption and signatures under minimal assumptions. Furthermore, large incompressible ciphertexts (resp. signatures) can be decrypted (resp. verified) in a streaming manner with low storage. In particular, these notions strengthen the related concepts of disappearing encryption and signatures, recently introduced by Guan and Zhandry (TCC 2021), whose previous constructions relied on sophisticated techniques and strong, non-standard assumptions. We extend our constructions to achieve an optimal rate , meaning the large ciphertexts (resp. signatures) can contain almost equally large messages, at the cost of stronger assumptions

The zheng-seberry public key cryptosystem and signcryption

In 1993 Zheng-Seberry presented a public key cryptosystem that was considered efficient and secure in the sense of indistinguishability of encryptions (IND) against an adaptively chosen ciphertext adversary (CCA2). This thesis shows the Zheng-Seberry scheme is not secure as a CCA2 adversary can break the scheme in the sense of IND. In 1998 Cramer-Shoup presented a scheme that was secure against an IND-CCA2 adversary and whose proof relied only on standard assumptions. This thesis modifies this proof and applies it to a modified version of the El-Gamal scheme. This resulted in a provably secure scheme relying on the Random Oracle (RO) model, which is more efficient than the original Cramer-Shoup scheme. Although the RO model assumption is needed for security of this new El-Gamal variant, it only relies on it in a minimal way

On Compression of Data Encrypted with Block Ciphers

This paper investigates compression of data encrypted with block ciphers, such as the Advanced Encryption Standard (AES). It is shown that such data can be feasibly compressed without knowledge of the secret key. Block ciphers operating in various chaining modes are considered and it is shown how compression can be achieved without compromising security of the encryption scheme. Further, it is shown that there exists a fundamental limitation to the practical compressibility of block ciphers when no chaining is used between blocks. Some performance results for practical code constructions used to compress binary sources are presented

Locally Verifiable Signature and Key Aggregation

Aggregate signatures (Boneh, Gentry, Lynn, Shacham, Eurocrypt 2003) enable compressing a set of $N$ signatures on $N$ different messages into a short aggregate signature. This reduces the space complexity of storing the signatures from linear in $N$ to a fixed constant (that depends only on the security parameter). However, verifying the aggregate signature requires access to all $N$ messages, resulting in the complexity of verification being at least $\Omega(N)$. In this work, we introduce the notion of locally verifiable aggregate signatures that enable efficient verification: given a short aggregate signature $\sigma$ (corresponding to a set $\mathcal{M}$ of $N$ messages), the verifier can check whether a particular message $m$ is in the set, in time independent of $N$. Verification does not require knowledge of the entire set $\mathcal{M}$. We demonstrate many natural applications of locally verifiable aggregate signature schemes: in the context of certificate transparency logs; in blockchains; and for redacting signatures, even when all the original signatures are produced by a single user. We provide two constructions of single-signer locally verifiable aggregate signatures, the first based on the RSA assumption and the second on the bilinear Diffie-Hellman inversion assumption, both in the random oracle model. As an additional contribution, we introduce the notion of compressing cryptographic keys in identity-based encryption (IBE) schemes, show applications of this notion, and construct an IBE scheme where the secret keys for $N$ identities can be compressed into a single aggregate key, which can then be used to decrypt ciphertexts sent to any of the $N$ identities

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

Towards compact bandwidth and efficient privacy-preserving computation

In traditional cryptographic applications, cryptographic mechanisms are employed to ensure the security and integrity of communication or storage. In these scenarios, the primary threat is usually an external adversary trying to intercept or tamper with the communication between two parties. On the other hand, in the context of privacy-preserving computation or secure computation, the cryptographic techniques are developed with a different goal in mind: to protect the privacy of the participants involved in a computation from each other. Specifically, privacy-preserving computation allows multiple parties to jointly compute a function without revealing their inputs and it has numerous applications in various fields, including finance, healthcare, and data analysis. It allows for collaboration and data sharing without compromising the privacy of sensitive data, which is becoming increasingly important in today's digital age. While privacy-preserving computation has gained significant attention in recent times due to its strong security and numerous potential applications, its efficiency remains its Achilles' heel. Privacy-preserving protocols require significantly higher computational overhead and bandwidth when compared to baseline (i.e., insecure) protocols. Therefore, finding ways to minimize the overhead, whether it be in terms of computation or communication, asymptotically or concretely, while maintaining security in a reasonable manner remains an exciting problem to work on. This thesis is centred around enhancing efficiency and reducing the costs of communication and computation for commonly used privacy-preserving primitives, including private set intersection, oblivious transfer, and stealth signatures. Our primary focus is on optimizing the performance of these primitives.Im Gegensatz zu traditionellen kryptografischen Aufgaben, bei denen Kryptografie verwendet wird, um die Sicherheit und Integrität von Kommunikation oder Speicherung zu gewährleisten und der Gegner typischerweise ein Außenstehender ist, der versucht, die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger abzuhören, ist die Kryptografie, die in der datenschutzbewahrenden Berechnung (oder sicheren Berechnung) verwendet wird, darauf ausgelegt, die Privatsphäre der Teilnehmer voreinander zu schützen. Insbesondere ermöglicht die datenschutzbewahrende Berechnung es mehreren Parteien, gemeinsam eine Funktion zu berechnen, ohne ihre Eingaben zu offenbaren. Sie findet zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen, einschließlich Finanzen, Gesundheitswesen und Datenanalyse. Sie ermöglicht eine Zusammenarbeit und Datenaustausch, ohne die Privatsphäre sensibler Daten zu kompromittieren, was in der heutigen digitalen Ära immer wichtiger wird. Obwohl datenschutzbewahrende Berechnung aufgrund ihrer starken Sicherheit und zahlreichen potenziellen Anwendungen in jüngster Zeit erhebliche Aufmerksamkeit erregt hat, bleibt ihre Effizienz ihre Achillesferse. Datenschutzbewahrende Protokolle erfordern deutlich höhere Rechenkosten und Kommunikationsbandbreite im Vergleich zu Baseline-Protokollen (d.h. unsicheren Protokollen). Daher bleibt es eine spannende Aufgabe, Möglichkeiten zu finden, um den Overhead zu minimieren (sei es in Bezug auf Rechen- oder Kommunikationsleistung, asymptotisch oder konkret), während die Sicherheit auf eine angemessene Weise gewährleistet bleibt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Verbesserung der Effizienz und Reduzierung der Kosten für Kommunikation und Berechnung für gängige datenschutzbewahrende Primitiven, einschließlich private Schnittmenge, vergesslicher Transfer und Stealth-Signaturen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf der Optimierung der Leistung dieser Primitiven

Privacy-preserving information hiding and its applications

The phenomenal advances in cloud computing technology have raised concerns about data privacy. Aided by the modern cryptographic techniques such as homomorphic encryption, it has become possible to carry out computations in the encrypted domain and process data without compromising information privacy. In this thesis, we study various classes of privacy-preserving information hiding schemes and their real-world applications for cyber security, cloud computing, Internet of things, etc. Data breach is recognised as one of the most dreadful cyber security threats in which private data is copied, transmitted, viewed, stolen or used by unauthorised parties. Although encryption can obfuscate private information against unauthorised viewing, it may not stop data from illegitimate exportation. Privacy-preserving Information hiding can serve as a potential solution to this issue in such a manner that a permission code is embedded into the encrypted data and can be detected when transmissions occur. Digital watermarking is a technique that has been used for a wide range of intriguing applications such as data authentication and ownership identification. However, some of the algorithms are proprietary intellectual properties and thus the availability to the general public is rather limited. A possible solution is to outsource the task of watermarking to an authorised cloud service provider, that has legitimate right to execute the algorithms as well as high computational capacity. Privacypreserving Information hiding is well suited to this scenario since it is operated in the encrypted domain and hence prevents private data from being collected by the cloud. Internet of things is a promising technology to healthcare industry. A common framework consists of wearable equipments for monitoring the health status of an individual, a local gateway device for aggregating the data, and a cloud server for storing and analysing the data. However, there are risks that an adversary may attempt to eavesdrop the wireless communication, attack the gateway device or even access to the cloud server. Hence, it is desirable to produce and encrypt the data simultaneously and incorporate secret sharing schemes to realise access control. Privacy-preserving secret sharing is a novel research for fulfilling this function. In summary, this thesis presents novel schemes and algorithms, including: • two privacy-preserving reversible information hiding schemes based upon symmetric cryptography using arithmetic of quadratic residues and lexicographic permutations, respectively. • two privacy-preserving reversible information hiding schemes based upon asymmetric cryptography using multiplicative and additive privacy homomorphisms, respectively. • four predictive models for assisting the removal of distortions inflicted by information hiding based respectively upon projection theorem, image gradient, total variation denoising, and Bayesian inference. • three privacy-preserving secret sharing algorithms with different levels of generality