Delegated RingCT: faster anonymous transactions

We present a modification to RingCT protocol with stealth addresses that makes it compatible with Delegated Proof of Stake based consensus mechanisms called Delegated RingCT. Our scheme has two building blocks: a customised version of an Integrated Signature and Encryption scheme composed of a public key encryption scheme and two signature schemes (a digital signature and a linkable ring signature); and non-interactive zero knowledge proofs. We give a description of the scheme, security proofs and a prototype implementation whose benchmarking is discussed. Although Delegated RingCT does not have the same degree of anonymity as other RingCT constructions, we argue that the benefits that the compatibility with DPoS consensus mechanisms brings constitute a reasonable trade-off for being able to develop an anonymous decentralised cryptocurrency faster and more scalable than existing ones

Does the online card payment system unwittingly facilitate fraud?

PhD ThesisThe research work in this PhD thesis presents an extensive investigation into the security settings of Card Not Present (CNP) financial transactions. These are the transactions which include payments performed with a card over the Internet on the websites, and over the phone. Our detailed analysis on hundreds of websites and on multiple CNP payment protocols justifies that the current security architecture of CNP payment system is not adequate enough to protect itself from fraud. Unintentionally, the payment system itself will allow an adversary to learn and exploit almost all of the security features put in place to protect the CNP payment system from fraud. With insecure modes of accepting payments, the online payment system paves the way for cybercriminals to abuse even the latest designed payment protocols like 3D Secure 2.0. We follow a structured analysis methodology which identifies vulnerabilities in the CNP payment protocols and demonstrates the impact of these vulnerabilities on the overall payment system. The analysis methodology comprises of UML diagrams and reference tables which describe the CNP payment protocol sequences, software tools which implements the protocol and practical demonstrations of the research results. Detailed referencing of the online payment specifications provides a documented link between the exploitable vulnerabilities observed in real implementations and the source of the vulnerability in the payment specifications. We use practical demonstrations to show that these vulnerabilities can be exploited in the real-world with ease. This presents a stronger impact message when presenting our research results to a nontechnical audience. This has helped to raise awareness of security issues relating to payment cards, with our work appearing in the media, radio and T

The inspection model for zero-knowledge proofs and efficient Zerocash with secp256k1 keys

Proving discrete log equality for groups of the same order is addressed by Chaum and Pedersen\u27s seminal work. However, there has not been a lot of work in proving discrete log equality for groups of different orders. This paper presents an efficient solution, which leverages a technique we call delegated Schnorr. The discovery of this technique is guided by a design methodology that we call the inspection model, and we find it useful for protocol designs. We show two applications of this technique on the Findora blockchain: **Maxwell-Zerocash switching:** There are two privacy-preserving transfer protocols on the Findora blockchain, one follows the Maxwell construction and uses Pedersen commitments over Ristretto, one follows the Zerocash construction and uses Rescue over BLS12-381. We present an efficient protocol to convert assets between these two constructions while preserving the privacy. **Zerocash with secp256k1 keys:** Bitcoin, Ethereum, and many other chains do signatures on secp256k1. There is a strong need for ZK applications to not depend on special curves like Jubjub, but be compatible with secp256k1. Due to FFT unfriendliness of secp256k1, many proof systems (e.g., Groth16, Plonk, FRI) are infeasible. We present a solution using Bulletproofs over curve secq256k1 ( q ) and delegated Schnorr which connects Bulletproofs to TurboPlonk over BLS12-381. We conclude the paper with (im)possibility results about Zerocash with only access to a deterministic ECDSA signing oracle, which is the case when working with MetaMask. This result shows the limitations of the techniques in this paper. This paper is under a bug bounty program through a grant from Findora Foundation

Practical Privacy-Preserving Authentication for SSH

Public-key authentication in SSH reveals more information about the participants\u27 keys than is necessary. (1) The server can learn a client\u27s entire set of public keys, even keys generated for other servers. (2) The server learns exactly which key the client uses to authenticate, and can further prove this fact to a third party. (3) A client can learn whether the server recognizes public keys belonging to other users. Each of these problems lead to tangible privacy violations for SSH users. In this work we introduce a new public-key authentication method for SSH that reveals essentially the minimum possible amount of information. With our new method, the server learns only whether the client knows the private key for some authorized public key. If multiple keys are authorized, the server does not learn which one the client used. The client cannot learn whether the server recognizes public keys belonging to other users. Unlike traditional SSH authentication, our method is fully deniable. Our new method also makes it harder for a malicious server to intercept first-use SSH connections on a large scale. Our method supports existing SSH keypairs of all standard flavors — RSA, ECDSA, EdDSA. It does not require users to generate new key material. As in traditional SSH authentication, clients and servers can use a mixture of different key flavors in a single authentication session. We integrated our new authentication method into OpenSSH, and found it to be practical and scalable. For a typical client and server with at most 10 ECDSA/EdDSA keys each, our protocol requires 9 kB of communication and 12.4 ms of latency. Even for a client with 20 keys and server with 100 keys, our protocol requires only 12 kB of communication and 26.7 ms of latency

Contactless payments :usability at the cost of security?

PhD ThesisEMV (Europay, MasterCard, Visa), commonly termed “Chip & PIN”, is becoming the dominant card based payment technology globally. The EMV Chip & PIN transaction protocol was originally designed to operate in an environment where the card was physically inserted into the POS terminal / ATM and used a wired connection to communicate. The introduction of EMV contactless payments technology raises an interesting question “has usability been improved at the cost of security?”. Specifically, to make contactless payments more convenient / usable, a wireless interface has been added to EMV cards and PIN entry has been waived for contactless payments. Do these new usability features make contactless cards less secure? This PhD thesis presents an analysis of the security of the EMV contactless payments. It considers the security of the EMV contactless transaction protocols as stand-alone processes and the wider impact of contactless technology upon the security of the EMV card payment system as a whole. The thesis contributes a structured analysis methodology which identifies vulnerabilities in the EMV protocol and demonstrates the impact of these vulnerabilities on the EMV payment system. The analysis methodology comprises UML diagrams and reference tables which describe the EMV protocol sequences, a protocol emulator which implements the protocol, a Z abstract model of the protocol and practical demonstrations of the research results. Detailed referencing of the EMV specifications provide a documented link between the exploitable vulnerabilities observed in real EMV cards and the source of the vulnerability in the EMV specifications. Our analysis methodology has identified two previously undocumented vulnerabilities in the EMV contactless transaction protocol. The potential existence of these vulnerabilities was identified using the Z abstract model with the protocol emulator providing experimental confirmation of the potential for real-world exploitation of the vulnerabilities and test results quantifying the extent of the impact. Once a vulnerability has been shown to be exploitable using the protocol emulator, we use practical demonstrations to show that these vulnerabilities can be exploited in the real-world using off-the-shelf equipment. This presents a stronger impact message when presenting our research results to a nontechnical audience. This has helped to raise awareness of security issues relating to EMV contactless cards, with our work appearing in the media, radio and TV

Towards Applying Cryptographic Security Models to Real-World Systems

The cryptographic methodology of formal security analysis usually works in three steps: choosing a security model, describing a system and its intended security properties, and creating a formal proof of security. For basic cryptographic primitives and simple protocols this is a well understood process and is performed regularly. For more complex systems, as they are in use in real-world settings it is rarely applied, however. In practice, this often leads to missing or incomplete descriptions of the security properties and requirements of such systems, which in turn can lead to insecure implementations and consequent security breaches. One of the main reasons for the lack of application of formal models in practice is that they are particularly difficult to use and to adapt to new use cases. With this work, we therefore aim to investigate how cryptographic security models can be used to argue about the security of real-world systems. To this end, we perform case studies of three important types of real-world systems: data outsourcing, computer networks and electronic payment. First, we give a unified framework to express and analyze the security of data outsourcing schemes. Within this framework, we define three privacy objectives: \emph{data privacy}, \emph{query privacy}, and \emph{result privacy}. We show that data privacy and query privacy are independent concepts, while result privacy is consequential to them. We then extend our framework to allow the modeling of \emph{integrity} for the specific use case of file systems. To validate our model, we show that existing security notions can be expressed within our framework and we prove the security of CryFS---a cryptographic cloud file system. Second, we introduce a model, based on the Universal Composability (UC) framework, in which computer networks and their security properties can be described We extend it to incorporate time, which cannot be expressed in the basic UC framework, and give formal tools to facilitate its application. For validation, we use this model to argue about the security of architectures of multiple firewalls in the presence of an active adversary. We show that a parallel composition of firewalls exhibits strictly better security properties than other variants. Finally, we introduce a formal model for the security of electronic payment protocols within the UC framework. Using this model, we prove a set of necessary requirements for secure electronic payment. Based on these findings, we discuss the security of current payment protocols and find that most are insecure. We then give a simple payment protocol inspired by chipTAN and photoTAN and prove its security within our model. We conclude that cryptographic security models can indeed be used to describe the security of real-world systems. They are, however, difficult to apply and always need to be adapted to the specific use case

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

On the Joint Security of Encryption and Signature in EMV ⋆

Abstract. We provide an analysis of current and future algorithms for signature and encryption in the EMV standards in the case where a single key-pair is used for both signature and encryption. We give a theoretical attack for EMV’s current RSA-based algorithms, showing how access to a partial decryption oracle can be used to forge a signature on a freely chosen message. We show how the attack might be integrated into EMV’s CDA protocol flow, enabling an attacker with a wedge device to complete an offline transaction without knowing the cardholder’s PIN. Finally, the elliptic curve signature and encryption algorithms that are likely to be adopted in a forthcoming version of the EMV standards are analyzed in the single key-pair setting, and shown to be secure.