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

Boneh-Franklin Identity Based Encryption Revisited

Contains fulltext : 33216.pdf (preprint version ) (Open Access

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

A New Practical Identity-Based Encryption System

We present a new practical Identity-Based Encryption (IBE) system that can be another candidate for standard IBE techniques. Our construction is based on a new framework for realizing an IBE trapdoor from pairing-based groups, which is motivated from the `two equation\u27 revocation technique suggested by Lewko, Sahai, and Waters. The new framework enables our IBE system to achieve a tight security reduction to the Decision Bilinear Diffie-Hellman assumption. Due to its the tightness, our system can take as input the shorter size of security parameters than the previous practical BF, SK, and BB$_{1}$ systems, which provides better efficiency to our system in terms of computational cost. With appropriate parametrization at 80-bit security level (considering security loss), our IBE system can obtain 11 times faster decryption than the previous ones and 77 times faster encryption than the BF system. We prove that our system is fully secure against chosen ciphertext attacks in the random oracle model. From computational variant of Naor\u27s observation, we can also suggest a new signature scheme that features a tight security reduction to the Computational Diffie-Hellman assumption and provides strong unforgeability simultaneously

Towards Black-Box Accountable Authority IBE with Short Ciphertexts and Private Keys

At Crypto'07, Goyal introduced the concept of Accountable Authority Identity-Based Encryption as a convenient tool to reduce the amount of trust in authorities in Identity-Based Encryption. In this model, if the Private Key Generator (PKG) maliciously re-distributes users' decryption keys, it runs the risk of being caught and prosecuted. Goyal proposed two constructions: the first one is efficient but can only trace well-formed decryption keys to their source; the second one allows tracing obfuscated decryption boxes in a model (called weak black-box model) where cheating authorities have no decryption oracle. The latter scheme is unfortunately far less efficient in terms of decryption cost and ciphertext size. In this work, we propose a new construction that combines the efficiency of Goyal's first proposal with a very simple weak black-box tracing mechanism. Our scheme is described in the selective-ID model but readily extends to meet all security properties in the adaptive-ID sense, which is not known to be true for prior black-box schemes.Comment: 32 page

The Exact Security of a Stateful IBE and New Compact Stateful PKE Schemes

Recently, Baek et al. proposed a stateful identity based encryption scheme with compact ciphertext and commented that the security of the scheme can be reduced to the Computational Bilinear Diffie Hellman (CBDH) problem. In this paper, we formally prove that the security of the stateful identity based encryption scheme by Baek et al. cannot be reduced to the CBDH problem. In fact, we show that the challenger will confront the Y-Computational problem while providing the decryption oracle access to the adversary. We provide the exact and formal security proof for the scheme, assuming the hardness of the Gap Bilinear Diffie Hellman (GBDH) problem. We also propose two new stateful public key encryption scheme with ciphertext verifiability. Our schemes offer more compact ciphertext when compared to all existing stateful public key encryption schemes with ciphertext verifiability. We have proved all the schemes in the random oracle model

Efficient Identity-Based Encryption Without Random Oracles

We present the first efficient Identity-Based Encryption (IBE) scheme that is fully secure without random oracles. We first present our IBE construction and reduce the security of our scheme to the decisional Bilinear Diffie-Hellman (BDH) problem. Additionally, we show that our techniques can be used to build a new signature scheme that is secure under the computational Diffie-Hellman assumption without random oracles