Securing Deployed Cryptographic Systems

In 2015 more than 150 million records and $400 billion were lost due to publicly-reported criminal and nation-state cyberattacks in the United States alone. The failure of our existing security infrastructure motivates the need for improved technologies, and cryptography provides a powerful tool for doing this. There is a misperception that the cryptography we use today is a "solved problem" and the real security weaknesses are in software or other areas of the system. This is, in fact, not true at all, and over the past several years we have seen a number of serious vulnerabilities in the cryptographic pieces of systems, some with large consequences. This thesis will discuss three aspects of securing deployed cryptographic systems. We will first explore the evaluation of systems in the wild, using the example of how to efficiently and effectively recover user passwords submitted over TLS encrypted with RC4, with applications to many methods of web authentication as well as the popular IMAP protocol for email. We will then address my work on developing tools to design and create cryptographic systems and bridge the often large gap between theory and practice by introducing AutoGroup+, a tool that automatically translates cryptographic schemes from the mathematical setting used in the literature to that typically used in practice, giving both a secure and optimal output. We will conclude with an exploration of how to actually build real world deployable systems by discussing my work on developing decentralized anonymous credentials in order to increase the security and deployability of existing anonymous credentials systems

Investigations into Decrypting Live Secure Traffic in Virtual Environments

Malicious agents increasingly use encrypted tunnels to communicate with external servers. Communications may contain ransomware keys, stolen banking details, or other confidential information. Rapid discovery of communicated contents through decrypting tunnelled traffic can support effective means of dealing with these malicious activities.Decrypting communications requires knowledge of cryptographic algorithms and artefacts, such as encryption keys and initialisation vectors. Such artefacts may exist in volatile memory when software applications encrypt. Virtualisation technologies can enable the acquisition of virtual machine memory to support the discovery of these cryptographic artefacts.A framework is constructed to investigate the decryption of potentially malicious communications using novel approaches to identify candidate initialisation vectors, and use these to discover candidate keys. The framework focuses on communications that use the Secure Shell and Transport Layer Security protocols in virtualised environments for different operating systems, protocols, encryption algorithms, and software implementations. The framework minimises virtual machine impact, and functions at an elevated level to make detection by virtual machine software difficult.The framework analyses Windows and Linux memory and validates decrypts for both protocols when the Advanced Encryption Standard symmetric block or ChaCha20 symmetric stream algorithms are used for encryption. It also investigates communications originating from malware clients, such as bot and ransomware, that use Windows cryptographic libraries.The framework correctly decrypted tunnelled traffic with near certainty in almost all experiments. The analysis durations ranged from sub-second to less than a minute, demonstrating that decryption of malicious activity before network session completion is possible. This can enable in-line detection of unknown malicious agents, timely discovery of ransomware keys, and knowledge of exfiltrated confidential information

Security and Privacy for Modern Wireless Communication Systems

The aim of this reprint focuses on the latest protocol research, software/hardware development and implementation, and system architecture design in addressing emerging security and privacy issues for modern wireless communication networks. Relevant topics include, but are not limited to, the following: deep-learning-based security and privacy design; covert communications; information-theoretical foundations for advanced security and privacy techniques; lightweight cryptography for power constrained networks; physical layer key generation; prototypes and testbeds for security and privacy solutions; encryption and decryption algorithm for low-latency constrained networks; security protocols for modern wireless communication networks; network intrusion detection; physical layer design with security consideration; anonymity in data transmission; vulnerabilities in security and privacy in modern wireless communication networks; challenges of security and privacy in node–edge–cloud computation; security and privacy design for low-power wide-area IoT networks; security and privacy design for vehicle networks; security and privacy design for underwater communications networks

On Security and Privacy for Networked Information Society : Observations and Solutions for Security Engineering and Trust Building in Advanced Societal Processes

Our society has developed into a networked information society, in which all aspects of human life are interconnected via the Internet — the backbone through which a significant part of communications traffic is routed. This makes the Internet arguably the most important piece of critical infrastructure in the world. Securing Internet communications for everyone using it is extremely important, as the continuing growth of the networked information society relies upon fast, reliable and secure communications. A prominent threat to the security and privacy of Internet users is mass surveillance of Internet communications. The methods and tools used to implement mass surveillance capabilities on the Internet pose a danger to the security of all communications, not just the intended targets. When we continue to further build the networked information upon the unreliable foundation of the Internet we encounter increasingly complex problems,which are the main focus of this dissertation. As the reliance on communication technology grows in a society, so does the importance of information security. At this stage, information security issues become separated from the purely technological domain and begin to affect everyone in society. The approach taken in this thesis is therefore both technical and socio-technical. The research presented in this PhD thesis builds security in to the networked information society and provides parameters for further development of a safe and secure networked information society. This is achieved by proposing improvements on a multitude of layers. In the technical domain we present an efficient design flow for secure embedded devices that use cryptographic primitives in a resource-constrained environment, examine and analyze threats to biometric passport and electronic voting systems, observe techniques used to conduct mass Internet surveillance, and analyze the security of Finnish web user passwords. In the socio-technical domain we examine surveillance and how it affects the citizens of a networked information society, study methods for delivering efficient security education, examine what is essential security knowledge for citizens, advocate mastery over surveillance data by the targeted citizens in the networked information society, and examine the concept of forced trust that permeates all topics examined in this work.Yhteiskunta, jossa elämme, on muovautunut teknologian kehityksen myötä todelliseksi tietoyhteiskunnaksi. Monet verkottuneen tietoyhteiskunnan osa-alueet ovat kokeneet muutoksen tämän kehityksen seurauksena. Tämän muutoksen keskiössä on Internet: maailmanlaajuinen tietoverkko, joka mahdollistaa verkottuneiden laitteiden keskenäisen viestinnän ennennäkemättömässä mittakaavassa. Internet on muovautunut ehkä keskeisimmäksi osaksi globaalia viestintäinfrastruktuuria, ja siksi myös globaalin viestinnän turvaaminen korostuu tulevaisuudessa yhä enemmän. Verkottuneen tietoyhteiskunnan kasvu ja kehitys edellyttävät vakaan, turvallisen ja nopean viestintäjärjestelmän olemassaoloa. Laajamittainen tietoverkkojen joukkovalvonta muodostaa merkittävän uhan tämän järjestelmän vakaudelle ja turvallisuudelle. Verkkovalvonnan toteuttamiseen käytetyt menetelmät ja työkalut eivät vain anna mahdollisuutta tarkastella valvonnan kohteena olevaa viestiliikennettä, vaan myös vaarantavat kaiken Internet-liikenteen ja siitä riippuvaisen toiminnan turvallisuuden. Kun verkottunutta tietoyhteiskuntaa rakennetaan tämän kaltaisia valuvikoja ja haavoittuvuuksia sisältävän järjestelmän varaan, keskeinen uhkatekijä on, että yhteiskunnan ydintoiminnot ovat alttiina ulkopuoliselle vaikuttamiselle. Näiden uhkatekijöiden ja niiden taustalla vaikuttavien mekanismien tarkastelu on tämän väitöskirjatyön keskiössä. Koska työssä on teknisen sisällön lisäksi vahva yhteiskunnallinen elementti, tarkastellaan tiukan teknisen tarkastelun sijaan aihepiirä laajemmin myös yhteiskunnallisesta näkökulmasta. Tässä väitöskirjassa pyritään rakentamaan kokonaiskuvaa verkottuneen tietoyhteiskunnan turvallisuuteen, toimintaan ja vakauteen vaikuttavista tekijöistä, sekä tuomaan esiin uusia ratkaisuja ja avauksia eri näkökulmista. Työn tavoitteena on osaltaan mahdollistaa entistä turvallisemman verkottuneen tietoyhteiskunnan rakentaminen tulevaisuudessa. Teknisestä näkökulmasta työssä esitetään suunnitteluvuo kryptografisia primitiivejä tehokkaasti hyödyntäville rajallisen laskentatehon sulautetuviiille järjestelmille, analysoidaan biometrisiin passeihin, kansainväliseen passijärjestelmään, sekä sähköiseen äänestykseen kohdistuvia uhkia, tarkastellaan joukkovalvontaan käytettyjen tekniikoiden toimintaperiaatteita ja niiden aiheuttamia uhkia, sekä tutkitaan suomalaisten Internet-käyttäjien salasanatottumuksia verkkosovelluksissa. Teknis-yhteiskunnallisesta näkökulmasta työssä tarkastellaan valvonnan teoriaa ja perehdytään siihen, miten valvonta vaikuttaa verkottuneen tietoyhteiskunnan kansalaisiin. Lisäksi kehitetään menetelmiä parempaan tietoturvaopetukseen kaikilla koulutusasteilla, määritellään keskeiset tietoturvatietouden käsitteet, tarkastellaan mahdollisuutta soveltaa tiedon herruuden periaatetta verkottuneen tietoyhteiskunnan kansalaisistaan keräämän tiedon hallintaan ja käyttöön, sekä tutkitaan luottamuksen merkitystä yhteiskunnan ydintoimintojen turvallisuudelle ja toiminnalle, keskittyen erityisesti pakotetun luottamuksen vaikutuksiin