Improved Extension Protocols for Byzantine Broadcast and Agreement

Byzantine broadcast (BB) and Byzantine agreement (BA) are two most fundamental problems and essential building blocks in distributed computing, and improving their efficiency is of interest to both theoreticians and practitioners. In this paper, we study extension protocols of BB and BA, i.e., protocols that solve BB/BA with long inputs of l bits using lower costs than l single-bit instances. We present new protocols with improved communication complexity in almost all settings: authenticated BA/BB with t < n/2, authenticated BB with t < (1-?)n, unauthenticated BA/BB with t < n/3, and asynchronous reliable broadcast and BA with t < n/3. The new protocols are advantageous and significant in several aspects. First, they achieve the best-possible communication complexity of ?(nl) for wider ranges of input sizes compared to prior results. Second, the authenticated extension protocols achieve optimal communication complexity given the current best available BB/BA protocols for short messages. Third, to the best of our knowledge, our asynchronous and authenticated protocols in the setting are the first extension protocols in that setting

Optimistic fair exchange

A fair exchange guarantees that a participant only reveals its items (such as signatures, payments, or data) if it receives the expected items in exchange. Efficient fair exchange requires a so-called third party, which is assumed to be correct. Optimistic fair exchange involves this third party only if needed, i.e., if the participants cheat or disagree. In Part I, we prove lower bounds on the message and time complexity of two particular instances of fair exchange in varying models, namely contract signing (fair exchange of two signatures under a contract) and certified mail (fair exchange of data for a receipt). We show that all given bounds are tight by describing provably time- and message-optimal protocols for all considered models and instances. In Part II, we have a closer look at formalizing the security of fair exchange. We introduce a new formal notion of security (including secrecy) for reactive distributed systems. We illustrate this new formalism by a specification of certified mail as an alternative to the traditional specification given in Part I. In Part III, we describe protocols for generic and optimistic fair exchange of arbitrary items. These protocols are embedded into the SEMPER Fair Exchange Layer, which is a central part of the SEMPER Framework for Secure Electronic Commerce.Ein Austausch ist fair, wenn eine Partei die angebotenen Güter, wie zum Beispiel digitale Signaturen, Zahlungen oder Daten, nur abgibt, wenn sie die erwarteten Güter im Tausch erhält. Ohne eine als korrekt angenommene dritte Partei, welche eine mit einem Notar vergleichbare Rolle übernimmt, ist fairer Austausch nicht effizient möglich. Ein fairer Austausch heißt optimistisch, falls diese dritte Partei nur in Problemfällen am Protokoll teilnimmt. In Teil I werden beweisbar zeit- und nachrichtenoptimale Protokolle für die Spezialfälle \u27;elektronische Vertragsunterzeichnung" (fairer Austausch zweier Signaturen; engl. contract signing) und \u27;elektronisches Einschreiben" (fairer Austausch von Daten gegen eine Quittung; engl. certified mail) von fairem Austausch vorgestellt. Teil II beschreibt einen neuen Integritäts- und Geheimhaltungsbegriff für reaktive Systeme. Dieser basiert auf einer Vergleichsrelation \u27;so sicher wie", welche die Sicherheit zweier Systeme vergleicht. Ein verteiltes, reaktives System wird dann als sicher bezeichnet, wenn es so sicher wie ein idealisiertes System (engl. trusted host) für diesen Dienst ist. Mit diesem Formalismus geben wir eine alternative Sicherheitsdefinition von \u27;elektronischem Einschreiben" an, deren Semantik im Gegensatz zu der in Teil I beschriebenen Definition nun unabhängig vom erbrachten Dienst ist. Teil III beschreibt ein Design und optimistische Protokolle für generischen fairen Austausch von zwei beliebigen Gütern und den darauf aufbauenden SEMPER Fair Exchange Layer. Dieser ist ein wesentlicher Baustein des SEMPER Framework for Secure Electronic Commerce

Optimistic fair exchange

A fair exchange guarantees that a participant only reveals its items (such as signatures, payments, or data) if it receives the expected items in exchange. Efficient fair exchange requires a so-called third party, which is assumed to be correct. Optimistic fair exchange involves this third party only if needed, i.e., if the participants cheat or disagree. In Part I, we prove lower bounds on the message and time complexity of two particular instances of fair exchange in varying models, namely contract signing (fair exchange of two signatures under a contract) and certified mail (fair exchange of data for a receipt). We show that all given bounds are tight by describing provably time- and message-optimal protocols for all considered models and instances. In Part II, we have a closer look at formalizing the security of fair exchange. We introduce a new formal notion of security (including secrecy) for reactive distributed systems. We illustrate this new formalism by a specification of certified mail as an alternative to the traditional specification given in Part I. In Part III, we describe protocols for generic and optimistic fair exchange of arbitrary items. These protocols are embedded into the SEMPER Fair Exchange Layer, which is a central part of the SEMPER Framework for Secure Electronic Commerce.Ein Austausch ist fair, wenn eine Partei die angebotenen Güter, wie zum Beispiel digitale Signaturen, Zahlungen oder Daten, nur abgibt, wenn sie die erwarteten Güter im Tausch erhält. Ohne eine als korrekt angenommene dritte Partei, welche eine mit einem Notar vergleichbare Rolle übernimmt, ist fairer Austausch nicht effizient möglich. Ein fairer Austausch heißt optimistisch, falls diese dritte Partei nur in Problemfällen am Protokoll teilnimmt. In Teil I werden beweisbar zeit- und nachrichtenoptimale Protokolle für die Spezialfälle ';elektronische Vertragsunterzeichnung" (fairer Austausch zweier Signaturen; engl. contract signing) und ';elektronisches Einschreiben" (fairer Austausch von Daten gegen eine Quittung; engl. certified mail) von fairem Austausch vorgestellt. Teil II beschreibt einen neuen Integritäts- und Geheimhaltungsbegriff für reaktive Systeme. Dieser basiert auf einer Vergleichsrelation ';so sicher wie", welche die Sicherheit zweier Systeme vergleicht. Ein verteiltes, reaktives System wird dann als sicher bezeichnet, wenn es so sicher wie ein idealisiertes System (engl. trusted host) für diesen Dienst ist. Mit diesem Formalismus geben wir eine alternative Sicherheitsdefinition von ';elektronischem Einschreiben" an, deren Semantik im Gegensatz zu der in Teil I beschriebenen Definition nun unabhängig vom erbrachten Dienst ist. Teil III beschreibt ein Design und optimistische Protokolle für generischen fairen Austausch von zwei beliebigen Gütern und den darauf aufbauenden SEMPER Fair Exchange Layer. Dieser ist ein wesentlicher Baustein des SEMPER Framework for Secure Electronic Commerce

Keeping Authorities "Honest or Bust" with Decentralized Witness Cosigning

The secret keys of critical network authorities - such as time, name, certificate, and software update services - represent high-value targets for hackers, criminals, and spy agencies wishing to use these keys secretly to compromise other hosts. To protect authorities and their clients proactively from undetected exploits and misuse, we introduce CoSi, a scalable witness cosigning protocol ensuring that every authoritative statement is validated and publicly logged by a diverse group of witnesses before any client will accept it. A statement S collectively signed by W witnesses assures clients that S has been seen, and not immediately found erroneous, by those W observers. Even if S is compromised in a fashion not readily detectable by the witnesses, CoSi still guarantees S's exposure to public scrutiny, forcing secrecy-minded attackers to risk that the compromise will soon be detected by one of the W witnesses. Because clients can verify collective signatures efficiently without communication, CoSi protects clients' privacy, and offers the first transparency mechanism effective against persistent man-in-the-middle attackers who control a victim's Internet access, the authority's secret key, and several witnesses' secret keys. CoSi builds on existing cryptographic multisignature methods, scaling them to support thousands of witnesses via signature aggregation over efficient communication trees. A working prototype demonstrates CoSi in the context of timestamping and logging authorities, enabling groups of over 8,000 distributed witnesses to cosign authoritative statements in under two seconds.Comment: 20 pages, 7 figure