Unconditionally Secure and Universally Composable Commitments from Physical Assumptions

We present a constant-round unconditional black-box compiler that transforms any ideal (i.e., statistically-hiding and statistically-binding) straight-line extractable commitment scheme, into an extractable and equivocal commitment scheme, therefore yielding to UC-security [9]. We exemplify the usefulness of our compiler by providing two (constant-round) instantiations of ideal straight-line extractable commitment based on (malicious) PUFs [36] and stateless tamper-proof hardware tokens [26], therefore achieving the first unconditionally UC-secure commitment with malicious PUFs and stateless tokens, respectively. Our constructions are secure for adversaries creating arbitrarily malicious stateful PUFs/tokens. Previous results with malicious PUFs used either computational assumptions to achieve UC- secure commitments or were unconditionally secure but only in the indistinguishability sense [36]. Similarly, with stateless tokens, UC-secure commitments are known only under computational assumptions [13, 24, 15], while the (not UC) unconditional commitment scheme of [23] is secure only in a weaker model in which the adversary is not allowed to create stateful tokens. Besides allowing us to prove feasibility of unconditional UC-security with (malicious) PUFs and stateless tokens, our compiler can be instantiated with any ideal straight-line extractable commitment scheme, thus allowing the use of various setup assumptions which may better fit the application or the technology available

Physical Unclonable Functions in Cryptographic Protocols: Security Proofs and Impossibility Results

We investigate the power of physical unclonable functions (PUFs) as a new primitive in cryptographic protocols. Our contributions split into three parts. Firstly, we focus on the realizability of PUF-protocols in a special type of stand-alone setting (the “stand-alone, good PUF setting”) under minimal assumptions. We provide new PUF definitions that require only weak average security properties of the PUF, and prove that these definitions suffice to realize secure PUF-based oblivious transfer (OT), bit commitment (BC) and key exchange (KE) in said setting. Our protocols for OT, BC and KE are partly new, and have certain practicality and security advantages compared to existing schemes. In the second part of the paper, we formally prove that there are very sharp limits on the usability of PUFs for OT and KE {\em beyond} the above stand-alone, good PUF scenario. We introduce two new and realistic attack models, the so-called posterior access model (PAM) and the bad PUF model, and prove several impossibility results in these models. First, OT and KE protocols whose security is solely based on PUFs are generally impossible in the PAM. More precisely, one-time access of an adversary to the PUF after the end of a single protocol (sub-)session makes all previous (sub-)sessions provably insecure. Second, OT whose security is solely based on PUFs is impossible in the bad PUF model, even if only a stand alone execution of the protocol is considered (i.e., even if no adversarial PUF access after the protocol is allowed). Our impossibility proofs do not only hold for the weak PUF definition of the first part of the paper, but even apply if ideal randomness and unpredictability is assumed in the PUF, i.e., if the PUF is modeled as a random permutation oracle. In the third part, we investigate the feasibility of PUF-based bit commitment beyond the stand-alone, good PUF setting. For a number of reasons, this case is more complicated than OT and KE. We first prove that BC is impossible in the bad PUF model if players have got access to the PUF between the commit and the reveal phase. Again, this result holds even if the PUF is “ideal” and modeled as a random permutation oracle. Secondly, we sketch (without proof) two new BC-protocols, which can deal with bad PUFs or with adversarial access between the commit and reveal phase, but not with both. We hope that our results can contribute to a clarification of the usability of PUFs in cryptographic protocols. They show that new hardware properties such as offline certifiability and the erasure of PUF responses would be required in order to make PUFs a broadly applicable cryptographic tool. These features have not yet been realized in practical PUF-implementations and generally seem hard to achieve at low costs. Our findings also show that the question how PUFs can be modeled comprehensively in a UC-setting must be considered at least partly open

The Cryptographic Strength of Tamper-Proof Hardware

Tamper-proof hardware has found its way into our everyday life in various forms, be it SIM cards, credit cards or passports. Usually, a cryptographic key is embedded in these hardware tokens that allows the execution of simple cryptographic operations, such as encryption or digital signing. The inherent security guarantees of tamper-proof hardware, however, allow more complex and diverse applications

Secure computation under network and physical attacks

2011 - 2012This thesis proposes several protocols for achieving secure com- putation under concurrent and physical attacks. Secure computation allows many parties to compute a joint function of their inputs, while keeping the privacy of their input preserved. It is required that the pri- vacy one party's input is preserved even if other parties participating in the protocol collude or deviate from the protocol. In this thesis we focus on concurrent and physical attacks, where adversarial parties try to break the privacy of honest parties by ex- ploiting the network connection or physical weaknesses of the honest parties' machine. In the rst part of the thesis we discuss how to construct proto- cols that are Universally Composable (UC for short) based on physical setup assumptions. We explore the use of Physically Uncloneable Func- tions (PUFs) as setup assumption for achieving UC-secure computa- tions. PUF are physical noisy source of randomness. The use of PUFs in the UC-framework has been proposed already in [14]. However, this work assumes that all PUFs in the system are trusted. This means that, each party has to trust the PUFs generated by the other parties. In this thesis we focus on reducing the trust involved in the use of such PUFs and we introduce the Malicious PUFs model in which only PUFs generated by honest parties are assumed to be trusted. Thus the secu- rity of each party relies on its own PUF only and holds regardless of the goodness of the PUFs generated/used by the adversary. We are able to show that, under this more realistic assumption, one can achieve UC- secure computation, under computational assumptions. Moreover, we show how to achieve unconditional UC-secure commitments with (ma- licious) PUFs and with stateless tamper-proof hardware tokens. We discuss our contribution on this matter in Part I. These results are contained in papers [80] and [28]. In the second part of the thesis we focus on the concurrent setting, and we investigate on protocols achieving round optimality and black- box access to a cryptographic primitive. We study two fundamental functionalities: commitment scheme and zero knowledge, and we focus on some of the round-optimal constructions and lower bounds con- cerning both functionalities. We nd that such constructions present subtle issues. Hence, we provide new protocols that actually achieve the security guarantee promised by previous results. Concerning physical attacks, we consider adversaries able to re- set the machine of the honest party. In a reset attack a machine is forced to run a protocol several times using the same randomness. In this thesis we provide the rst construction of a witness indistinguish- able argument system that is simultaneous resettable and argument of knowledge. We discuss about this contribution in Part III, which is the content of the paper. [edited by author]XI n.s

Reusing Tamper-Proof Hardware in UC-Secure Protocols

Universally composable protocols provide security even in highly complex environments like the Internet. Without setup assumptions, however, UC-secure realizations of cryptographic tasks are impossible. Tamper-proof hardware tokens, e.g. smart cards and USB tokens, can be used for this purpose. Apart from the fact that they are widely available, they are also cheap to manufacture and well understood. Currently considered protocols, however, suffer from two major drawbacks that impede their practical realization: - The functionality of the tokens is protocol-specific, i.e. each protocol requires a token functionality tailored to its need. - Different protocols cannot reuse the same token even if they require the same functionality from the token, because this would render the protocols insecure in current models of tamper-proof hardware. In this paper we address these problems. First and foremost, we propose formalizations of tamper-proof hardware as an untrusted and global setup assumption. Modeling the token as a global setup naturally allows to reuse the tokens for arbitrary protocols. Concerning a versatile token functionality we choose a simple signature functionality, i.e. the tokens can be instantiated with currently available signature cards. Based on this we present solutions for a large class of cryptographic tasks

On the Security of PUF Protocols under Bad PUFs and PUFs-inside-PUFs Attacks

We continue investigations on the use of so-called Strong PUFs as a cryptographic primitive in realistic attack models, in particular in the “Bad/Malicious PUF Model”. We obtain the following results: – Bad PUFs and Simplification: As a minor contribution, we simplify a recent OT-protocol for malicious PUFs by Dachman-Soled et al. [4] from CRYPTO 2014. We can achieve the same security properties under the same assumptions, but use only one PUF instead of two. – PUFs-inside-PUFs, Part I: We propose the new, realistic adversarial models of PUF modifications and PUFs-inside-PUF attacks, and show that the earlier protocol of Dachman-Soled et al. [4] is vulnerable against PUFs-inside-PUFs attacks (which lie outside the original framework of [4]). – PUFs-inside-PUFs, Part II: We construct a new PUF-based OT-protocol, which is secure against PUFs-inside-PUFs attacks if the used bad PUFs are stateless. Our protocol introduces the technique of interleaved challenges. – PUFs-inside-PUFs, Part III: In this context, we illustrate why the use of interactive hashing in our new protocol appears necessary, and why a first protocol attempt without interactive hashing fails

Erasable PUFs: Formal treatment and generic design

Physical Unclonable Functions (PUFs) have not only been suggested as new key storage mechanism, but - in the form of so-called "Strong PUFs"- also as cryptographic primitives in advanced schemes, including key exchange, oblivious transfer, or secure multi-party computation. This notably extends their application spectrum, and has led to a sequence of publications at leading venues such as IEEE S&P, CRYPTO, and EUROCRYPT in the past[3,6,10,11,29, 41]. However, one important unresolved problem is that adversaries can break the security of all these advanced protocols if they gain physical access to the employed Strong PUFs after protocol completion [41]. It has been formally proven[49] that this issue cannot be overcome by techniques on the protocol side alone, but requires resolution on the hardware level - the only fully effective known countermeasure being so-called Erasable PUFs. Building on this work, this paper is the first to describe a generic method how any given silicon Strong PUF with digital CRP-interface can be turned into an Erasable PUFs[36]. We describe how the Strong PUF can be surrounded with a trusted control logic that allows the blocking (or "erasure") of single CRPs. We implement our approach, which we call "GeniePUF", on FPGA, reporting detailed performance data and practicality figures. Furthermore, we develop the first comprehensive definitional framework for Erasable PUFs. Our work so re-establishes the effective usability of Strong PUFs in advanced cryptographic applications, and in the realistic case adversaries get access to the Strong PUF after protocol completion

Fully-Secure MPC with Minimal Trust

The task of achieving full security (with guaranteed output delivery) in secure multiparty computation (MPC) is a long-studied problem. Known impossibility results (Cleve, STOC 86) rule out general solutions in the dishonest majority setting. In this work, we consider solutions that use an external trusted party (TP) to bypass the impossibility results, and study the minimal requirements needed from this trusted party. In particular, we restrict ourselves to the extreme setting where the size of the TP is independent of the size of the functionality to be computed (called “small” TP) and this TP is invoked only once during the protocol execution. We present several positive and negative results for fully-secure MPC in this setting. -- For a natural class of protocols, specifically, those with a universal output decoder, we show that the size of the TP must necessarily be exponential in the number of parties. This result holds irrespective of the computational assumptions used in the protocol. The class of protocols to which our lower bound applies is broad enough to capture prior results in the area, implying that the prior techniques necessitate the use of an exponential-sized TP. We additionally rule out the possibility of achieving information-theoretic full security (without the restriction of using a universal output decoder) using a “small” TP in the plain model (i.e., without any setup). -- In order to get around the above negative result, we consider protocols without a universal output decoder. The main positive result in our work is a construction of such a fully-secure MPC protocol assuming the existence of a succinct Functional Encryption scheme. We also give evidence that such an assumption is likely to be necessary for fully-secure MPC in certain restricted settings. -- Finally, we explore the possibility of achieving full-security with a semi-honest TP that could collude with other malicious parties (which form a dishonest majority). In this setting, we show that even fairness is impossible to achieve regardless of the “small TP” requirement

Cryptographic Protocols from Physical Assumptions

Moderne Kryptographie erlaubt nicht nur, personenbezogene Daten im Internet zu schützen oder sich für bestimmte Dienste zu authentifizieren, sondern ermöglicht auch das Auswerten einer Funktion auf geheimen Eingaben mehrerer Parteien, ohne dass dabei etwas über diese Eingaben gelernt werden kann (mit der Ausnahme von Informationen, die aus der Ausgabe und eigenen Eingaben effizient abgeleitet werden können). Kryptographische Protokolle dieser Art werden sichere Mehrparteienberechnung genannt und eignen sich für ein breites Anwendungsspektrum, wie z.B. geheime Abstimmungen und Auktionen. Um die Sicherheit solcher Protokolle zu beweisen, werden Annahmen benötigt, die oft komplexitätstheoretischer Natur sind, beispielsweise, dass es schwierig ist, hinreichend große Zahlen zu faktorisieren. Sicherheitsannahmen, die auf physikalischen Prinzipien basieren, bieten im Gegensatz zu komplexitätstheoretischen Annahmen jedoch einige Vorteile: die Protokolle sind meist konzeptionell einfacher, die Sicherheit ist unabhängig von den Berechnungskapazitäten des Angreifers, und die Funktionsweise und Sicherheit ist oft für den Menschen leichter nachvollziehbar. (Zum Beispiel forderte das Bundesverfassungsgericht: „Beim Einsatz elektronischer Wahlgeräte müssen die wesentlichen Schritte der Wahlhandlung und der Ergebnisermittlung vom Bürger zuverlässig und ohne besondere Sachkenntnis überprüft werden können.“ (BVerfG, Urteil des Zweiten Senats vom 03. März 2009)). Beispiele für solche Annahmen sind physikalisch getrennte oder unkorrumpierbare Hardware-Komponenten (vgl. Broadnax et al., 2018), Write-Only-Geräte für Logging, oder frei zu rubbelnde Felder, wie man sie von PIN-Briefen kennt. Auch die aus der Quantentheorie folgende Nicht-Duplizierbarkeit von Quantenzuständen ist eine physikalische Sicherheitsannahme, die z.B. verwendet wird, um nicht-klonbares „Quantengeld“ zu realisieren. In der vorliegenden Dissertation geht es neben Protokollen, die die Sicherheit und Isolation bestimmter einfacher Hardware-Komponenten als Vertrauensanker verwenden, im Besonderen um kryptographischen Protokolle für die sichere Mehrparteienberechnung, die mit Hilfe physikalischer Spielkarten durchgeführt werden. Die Sicherheitsannahme besteht darin, dass die Karten ununterscheidbare Rückseiten haben und, dass bestimmte Mischoperationen sicher durchgeführt werden können. Eine Anwendung dieser Protokolle liegt also in der Veranschaulichung von Kryptographie und in der Ermöglichung sicherer Mehrparteienberechnungen, die gänzlich ohne Computer ausgeführt werden können. Ein Ziel in diesem Bereich der Kryptographie ist es, Protokolle anzugeben, die möglichst wenige Karten benötigen – und sie als optimal in diesem Sinne zu beweisen. Abhängig von Anforderungen an das Laufzeitverhalten (endliche vs. lediglich im Erwartungswert endliche Laufzeit) und an die Praktikabilität der eingesetzten Mischoperationen, ergeben sich unterschiedliche untere Schranken für die mindestens benötigte Kartenanzahl. Im Rahmen der Arbeit wird für jede Kombination dieser Anforderungen ein UND-Protokoll – ein logisches UND zweier in Karten codierter Bits; dieses ist zusammen mit der Negation und dem Kopieren von Bits hinreichend für die Realisierung allgemeiner Schaltkreise – konstruiert oder in der Literatur identifiziert, das mit der minimalen Anzahl an Karten auskommt, und dies auch als Karten-minimal bewiesen. Insgesamt ist UND mit vier (für erwartet endliche Laufzeit (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Koch, 2018)), fünf (für praktikable Mischoperationen oder endliche Laufzeit (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Koch, 2018)) oder sechs Karten (für endliche Laufzeit und gleichzeitig praktikable Mischoperationen (Kastner et al., 2017)) möglich und optimal. Für die notwendigen Struktureinsichten wurden so-genannte „Zustandsdiagramme“ mit zugehörigen Kalkülregeln entwickelt, die eine graphenbasierte Darstellung aller möglichen Protokolldurchläufe darstellen und an denen Korrektheit und Sicherheit der Protokolle direkt ablesbar sind (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Kastner et al., 2017). Dieser Kalkül hat seitdem eine breite Verwendung in der bereichsrelevanten Literatur gefunden. (Beweise für untere Schranken bzgl. der Kartenanzahl werden durch den Kalkül zu Beweisen, die zeigen, dass bestimmte Protokollzustände in einer bestimmten kombinatorischen Graphenstruktur nicht erreichbar sind.) Mit Hilfe des Kalküls wurden Begriffe der Spielkartenkryptographie als C-Programm formalisiert und (unter bestimmten Einschränkungen) mit einem „Software Bounded Model Checking“-Ansatz die Längenminimalität eines kartenminimalen UND-Protokolls bewiesen (Koch, Schrempp und Kirsten, 2019). Darüber hinaus werden konzeptionell einfache Protokolle für den Fall einer sicheren Mehrparteienberechnung angegeben, bei der sogar zusätzlich die zu berechnende Funktion geheim bleiben soll (Koch und Walzer, 2018), und zwar für jedes der folgenden Berechnungsmodelle: (universelle) Schaltkreise, binäre Entscheidungsdiagramme, Turingmaschinen und RAM-Maschinen. Es wird zudem untersucht, wie Karten-basierte Protokolle so ausgeführt werden können, dass die einzige Interaktion darin besteht, dass andere Parteien die korrekte Ausführung überwachen. Dies ermöglicht eine (schwach interaktive) Programm-Obfuszierung, bei der eine Partei ein durch Karten codiertes Programm auf eigenen Eingaben ausführen kann, ohne etwas über dessen interne Funktionsweise zu lernen, das über das Ein-/Ausgabeverhalten hinaus geht. Dies ist ohne derartige physikalische Annahmen i.A. nicht möglich. Zusätzlich wird eine Sicherheit gegen Angreifer, die auch vom Protokoll abweichen dürfen, formalisiert und es wird eine Methode angegeben um unter möglichst schwachen Sicherheitsannahmen ein passiv sicheres Protokoll mechanisch in ein aktiv sicheres zu transformieren (Koch und Walzer, 2017). Eine weitere, in der Dissertation untersuchte physikalische Sicherheitsannahme, ist die Annahme primitiver, unkorrumpierbarer Hardware-Bausteine, wie z.B. einen TAN-Generator. Dies ermöglicht z.B. eine sichere Authentifikation des menschlichen Nutzers über ein korrumpiertes Terminal, ohne dass der Nutzer selbst kryptographische Berechnungen durchführen muss (z.B. große Primzahlen zu multiplizieren). Dies wird am Beispiel des Geldabhebens an einem korrumpierten Geldautomaten mit Hilfe eines als sicher angenommenen zweiten Geräts (Achenbach et al., 2019) und mit möglichst schwachen Anforderungen an die vorhandenen Kommunikationskanäle gelöst. Da das angegebene Protokoll auch sicher ist, wenn es beliebig mit anderen gleichzeitig laufenden Protokollen ausgeführt wird (also sogenannte Universelle Komponierbarkeit aufweist), es modular entworfen wurde, und die Sicherheitsannahme glaubwürdig ist, ist die Funktionsweise für den Menschen transparent und nachvollziehbar. Insgesamt bildet die Arbeit durch die verschiedenen Karten-basierten Protokolle, Kalküle und systematisierten Beweise für untere Schranken bzgl. der Kartenanzahl, sowie durch Ergebnisse zur sicheren Verwendung eines nicht-vertrauenswürdigen Terminals, und einer Einordnung dieser in eine systematische Darstellung der verschiedenen, in der Kryptographie verwendeten physikalischen Annahmen, einen wesentlichen Beitrag zur physikalisch-basierten Kryptographie