Design and Analysis of Cryptographic Algorithms for Authentication

During the previous decades, the upcoming demand for security in the digital world, e.g., the Internet, lead to numerous groundbreaking research topics in the field of cryptography. This thesis focuses on the design and analysis of cryptographic primitives and schemes to be used for authentication of data and communication endpoints, i.e., users. It is structured into three parts, where we present the first freely scalable multi-block-length block-cipher-based compression function (Counter-bDM) in the first part. The presented design is accompanied by a thorough security analysis regarding its preimage and collision security. The second and major part is devoted to password hashing. It is motivated by the large amount of leaked password during the last years and our discovery of side-channel attacks on scrypt – the first modern password scrambler that allowed to parameterize the amount of memory required to compute a password hash. After summarizing which properties we expect from a modern password scrambler, we (1) describe a cache-timing attack on scrypt based on its password-dependent memory-access pattern and (2) outline an additional attack vector – garbage-collector attacks – that exploits optimization which may disregard to overwrite the internally used memory. Based on our observations, we introduce Catena – the first memory-demanding password-scrambling framework that allows a password-independent memory-access pattern for resistance to the aforementioned attacks. Catena was submitted to the Password Hashing Competition (PHC) and, after two years of rigorous analysis, ended up as a finalist gaining special recognition for its agile framework approach and side-channel resistance. We provide six instances of Catena suitable for a variety of applications. We close the second part of this thesis with an overview of modern password scramblers regarding their functional, security, and general properties; supported by a brief analysis of their resistance to garbage-collector attacks. The third part of this thesis is dedicated to the integrity (authenticity of data) of nonce-based authenticated encryption schemes (NAE). We introduce the so-called j-IV-Collision Attack, allowing to obtain an upper bound for an adversary that is provided with a first successful forgery and tries to efficiently compute j additional forgeries for a particular NAE scheme (in short: reforgeability). Additionally, we introduce the corresponding security notion j-INT-CTXT and provide a comparative analysis (regarding j-INT-CTXT security) of the third-round submission to the CAESAR competition and the four classical and widely used NAE schemes CWC, CCM, EAX, and GCM.Die fortschreitende Digitalisierung in den letzten Jahrzehnten hat dazu geführt, dass sich das Forschungsfeld der Kryptographie bedeutsam weiterentwickelt hat. Diese, im Wesentlichen aus drei Teilen bestehende Dissertation, widmet sich dem Design und der Analyse von kryptographischen Primitiven und Modi zur Authentifizierung von Daten und Kommunikationspartnern. Der erste Teil beschäftigt sich dabei mit blockchiffrenbasierten Kompressionsfunktionen, die in ressourcenbeschränkten Anwendungsbereichen eine wichtige Rolle spielen. Im Rahmen dieser Arbeit präsentieren wir die erste frei skalierbare und sichere blockchiffrenbasierte Kompressionsfunktion Counter-bDM und erweitern somit flexibel die erreichbare Sicherheit solcher Konstruktionen. Der zweite Teil und wichtigste Teil dieser Dissertation widmet sich Passwort-Hashing-Verfahren. Zum einen ist dieser motiviert durch die große Anzahl von Angriffen auf Passwortdatenbanken großer Internet-Unternehmen. Zum anderen bot die Password Hashing Competition (PHC) die Möglichkeit, unter Aufmerksamkeit der Expertengemeinschaft die Sicherheit bestehender Verfahren zu hinterfragen, sowie neue sichere Verfahren zu entwerfen. Im Rahmen des zweiten Teils entwarfen wir Anforderungen an moderne Passwort-Hashing-Verfahren und beschreiben drei Arten von Seitenkanal-Angriffen (Cache-Timing-, Weak Garbage-Collector- und Garbage-Collector-Angriffe) auf scrypt – das erste moderne Password-Hashing-Verfahren welches erlaubte, den benötigten Speicheraufwand zur Berechnung eines Passworthashes frei zu wählen. Basierend auf unseren Beobachtungen und Angriffen, stellen wir das erste moderne PasswordHashing-Framework Catena vor, welches für gewählte Instanzen passwortunabhängige Speicherzugriffe und somit Sicherheit gegen oben genannte Angriffe garantiert. Catena erlangte im Rahmen des PHC-Wettbewerbs besondere Anerkennung für seine Agilität und Resistenz gegen SeitenkanalAngriffe. Wir präsentieren sechs Instanzen des Frameworks, welche für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind. Abgerundet wird der zweite Teil dieser Arbeit mit einem vergleichenden Überblick von modernen Passwort-Hashing-Verfahren hinsichtlich ihrer funktionalen, sicherheitstechnischen und allgemeinen Eigenschaften. Dieser Vergleich wird unterstützt durch eine kurze Analyse bezüglich ihrer Resistenz gegen (Weak) Garbage-Collector-Angriffe. Der dritte teil dieser Arbeit widmet sich der Integrität von Daten, genauer, der Sicherheit sogenannter Nonce-basierten authentisierten Verschlüsselungsverfahren (NAE-Verfahren), welche ebenso wie Passwort-Hashing-Verfahren in der heutigen Sicherheitsinfrastruktur des Internets eine wichtige Rolle spielen. Während Standard-Definitionen keine Sicherheit nach dem Fund einer ersten erfolgreich gefälschten Nachricht betrachten, erweitern wir die Sicherheitsanforderungen dahingehend wie schwer es ist, weitere Fälschungen zu ermitteln. Wir abstrahieren die Funktionsweise von NAEVerfahren in Klassen, analysieren diese systematisch und klassifizieren die Dritt-Runden-Kandidaten des CAESAR-Wettbewerbs, sowie vier weit verbreitete NAE-Verfahren CWC, CCM, EAX und GCM

VASA: Vector AES Instructions for Security Applications

Due to standardization, AES is today’s most widely used block cipher. Its security is well-studied and hardware acceleration is available on a variety of platforms. Following the success of the Intel AES New Instructions (AES-NI), support for Vectorized AES (VAES) has been added in 2018 and already shown to be useful to accelerate many implementations of AES-based algorithms where the order of AES evaluations is fixed a priori. In our work, we focus on using VAES to accelerate the computation in secure multi-party computation protocols and applications. For some MPC building blocks, such as OT extension, the AES operations are independent and known a priori and hence can be easily parallelized, similar to the original paper on VAES by Drucker et al. (ITNG’19). We evaluate the performance impact of using VAES in the AES-CTR implementations used in Microsoft CrypTFlow2, and the EMP-OT library which we accelerate by up to 24%. The more complex case that we study for the first time in our paper are dependent AES calls that are not fixed yet in advance and hence cannot be parallelized manually. This is the case for garbling schemes. To get optimal efficiency from the hardware, enough independent calls need to be combined for each batch of AES executions. We identify such batches using a deferred execution technique paired with early execution to reduce non-locality issues and more static techniques using circuit depth and explicit gate independence. We present a performance and a modularity focused technique to compute the AES operations efficiently while also immediately using the results and preparing the inputs. Using these techniques, we achieve a performance improvement via VAES of up to 244% for the ABY framework and of up to 28% for the EMP-AGMPC framework. By implementing several garbling schemes from the literature using VAES acceleration, we obtain a 171% better performance for ABY