Identity-based Encryption Tightly Secure under Chosen-ciphertext Attacks

We propose the first identity-based encryption (IBE) scheme that is (almost) tightly secure against chosen-ciphertext attacks. Our scheme is efficient, in the sense that its ciphertext overhead is only seven group elements, three group elements more than that of the state-of-the-art passively (almost) tightly secure IBE scheme. Our scheme is secure in a multi-challenge setting, i.e., in face of an arbitrary number of challenge ciphertexts. The security of our scheme is based upon the standard symmetric external Diffie-Hellman assumption in pairing-friendly groups, but we also consider (less efficient) generalizations under weaker assumptions

Identity-Based Matchmaking Encryption, Revisited: Strong Security and Practical Constructions from Standard Classical and Post-Quantum Assumptions

Identity-based matchmaking encryption (IB-ME) [Ateniese et al. Crypto 2019] allows users to communicate privately in an anonymous and authenticated manner. After the seminal paper by Ateniese et al., a lot of work has been done on the security and construction of IB-ME. In this work, we revisit the security definitions and construction of IB-ME and provide the following three contributions. -- First, we embark on the task of classifying the existing security notions of IB-ME. We systematically categorize privacy into three core categories (CPA, CCA, and privacy in the case of mismatch) and authenticity into four categories (NMA and CMA both against insiders and outsiders). In particular, we reconsider privacy when the sender\u27s identity is mismatched during decryption, considered as ``enhanced privacy\u27\u27~[Francati et al., INDOCRYPT 2021], and provide a new simple security game, called mismatch security, that captures the essence of it. This structured framework not only facilitates more precise comparisons between different IB-ME schemes, but also serves as a valuable tool for evaluating the security of newly proposed schemes. -- Second, we propose a highly efficient and strongly secure IB-ME scheme from the bilinear Diffie-Hellman assumption in the random oracle model. The scheme is based on the Ateniese et al. scheme, but we introduce several techniques to improve its security and efficiency. Especially, we found that the Fujisaki-Okamoto transformation enhances not only privacy but also authenticity. As a result, we obtain a scheme that offers a more compact decryption key and ciphertext than the Ateniese et al. scheme, while achieving CCA and CMA, and mismatch security. -- Third, we propose a new generic construction of IB-ME from anonymous identity-based encryption, identity-based signature, and reusable extractors. Our construction not only achieves CCA, CMA, and mismatch security, but is also the most efficient among existing generic constructions. Through this construction, we obtain various IB-ME schemes from both classical and post-quantum assumptions. For example, we obtain a more efficient scheme from the symmetric external Diffie-Hellman assumption in the standard model, and a practical scheme from lattices in the quantum random oracle model whose secret keys and ciphertexts are less than 5 kilobytes. Moreover, our generic construction produces the first pairing-free IB-ME scheme in the standard model and the first tightly secure lattice-based IB-ME scheme in the quantum random oracle model

Tightly Secure Hierarchical Identity-Based Encryption

We construct the first tightly secure hierarchical identity-based encryption (HIBE) scheme based on standard assumptions, which solves an open problem from Blazy, Kiltz, and Pan (CRYPTO 2014). At the core of our constructions is a novel randomization technique that enables us to randomize user secret keys for identities with flexible length. The security reductions of previous HIBEs lose at least a factor of Q, which is the number of user secret key queries. Different to that, the security loss of our schemes is only dependent on the security parameter. Our schemes are adaptively secure based on the Matrix Diffie-Hellman assumption, which is a generalization of standard Diffie-Hellman assumptions such as k-Linear. We have two tightly secure constructions, one with constant ciphertext size, and the other with tighter security at the cost of linear ciphertext size. Among other things, our schemes imply the first tightly secure identity-based signature scheme by a variant of the Naor transformation

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