Introducing Accountability to Anonymity Networks

Many anonymous communication (AC) networks rely on routing traffic through proxy nodes to obfuscate the originator of the traffic. Without an accountability mechanism, exit proxy nodes risk sanctions by law enforcement if users commit illegal actions through the AC network. We present BackRef, a generic mechanism for AC networks that provides practical repudiation for the proxy nodes by tracing back the selected outbound traffic to the predecessor node (but not in the forward direction) through a cryptographically verifiable chain. It also provides an option for full (or partial) traceability back to the entry node or even to the corresponding user when all intermediate nodes are cooperating. Moreover, to maintain a good balance between anonymity and accountability, the protocol incorporates whitelist directories at exit proxy nodes. BackRef offers improved deployability over the related work, and introduces a novel concept of pseudonymous signatures that may be of independent interest. We exemplify the utility of BackRef by integrating it into the onion routing (OR) protocol, and examine its deployability by considering several system-level aspects. We also present the security definitions for the BackRef system (namely, anonymity, backward traceability, no forward traceability, and no false accusation) and conduct a formal security analysis of the OR protocol with BackRef using ProVerif, an automated cryptographic protocol verifier, establishing the aforementioned security properties against a strong adversarial model

Authentication Protocols and Privacy Protection

Tato dizertační práce se zabývá kryptografickými prostředky pro autentizaci. Hlavním tématem však nejsou klasické autentizační protokoly, které nabízejí pouze ověření identity, ale tzv. atributové autentizační systémy, pomocí kterých mohou uživatelé prokazovat svoje osobní atributy. Tyto atributy pak mohou představovat jakékoliv osobní informace, např. věk, národnost či místo narození. Atributy mohou být prokazovány anonymně a s podporou mnoha funkcí na ochranu digitální identity. Mezi takové funkce patří např. nespojitelnost autentizačních relací, nesledovatelnost, možnost výběru prokazovaných atributů či efektivní revokace. Atributové autentizační systémy jsou již nyní považovány za nástupce současných systémů v oficiálních strategických plánech USA (NSTIC) či EU (ENISA). Část požadovaných funkcí je již podporována existujícími kryptografickými koncepty jako jsou U-Prove či idemix. V současné době však není známý systém, který by poskytoval všechny potřebné funkce na ochranu digitální identity a zároveň byl prakticky implementovatelný na zařízeních, jako jsou čipové karty. Mezi klíčové slabiny současných systémů patří především chybějící nespojitelnost relací a absence revokace. Není tak možné efektivně zneplatnit zaniklé uživatele, ztracené či ukradené autentizační karty či karty škodlivých uživatelů. Z těchto důvodů je v této práci navrženo kryptografické schéma, které řeší slabiny nalezené při analýze existujících řešení. Výsledné schéma, jehož návrh je založen na ověřených primitivech, jako jsou $\Sigma$-protokoly pro důkazy znalostí, kryptografické závazky či ověřitelné šifrování, pak podporuje všechny požadované vlastnosti pro ochranu soukromí a digitální identity. Zároveň je však návrh snadno implementovatelný v prostředí smart-karet. Tato práce obsahuje plný kryptografický návrh systému, formální ověření klíčových vlastností, matematický model schématu v programu Mathematica pro ověření funkčnosti a výsledky experimentální implementace v prostředí .NET smart-karet. I přesto, že navrhovaný systém obsahuje podporu všech funkcí na ochranu soukromí, včetně těch, které chybí u existujících systémů, jeho výpočetní složitost zůstává stejná či nižší, doba ověření uživatele je tedy kratší než u existujících systémů. Výsledkem je schéma, které může velmi znatelně zvýšit ochranu soukromí uživatelů při jejich ověřování, především při využití v elektronických dokladech, přístupových systémech či Internetových službách.This dissertation thesis deals with the cryptographic constructions for user authentication. Rather than classical authentication protocols which allow only the identity verification, the attribute authentication systems are the main topic of this thesis. The attribute authentication systems allow users to give proofs about the possession of personal attributes. These attributes can represent any personal information, for example age, nationality or birthplace. The attribute ownership can be proven anonymously and with the support of many features for digital identity protection. These features include, e.g., the unlinkability of verification sessions, untraceability, selective disclosure of attributes or efficient revocation. Currently, the attribute authentication systems are considered to be the successors of existing authentication systems by the official strategies of USA (NSTIC) and EU (ENISA). The necessary features are partially provided by existing cryptographic concepts like U-Prove and idemix. But at this moment, there is no system providing all privacy-enhancing features which is implementable on computationally restricted devices like smart-cards. Among all weaknesses of existing systems, the missing unlinkability of verification sessions and the absence of practical revocation are the most critical ones. Without these features, it is currently impossible to invalidate expired users, lost or stolen authentication cards and cards of malicious users. Therefore, a new cryptographic scheme is proposed in this thesis to fix the weaknesses of existing schemes. The resulting scheme, which is based on established primitives like $\Sigma$-protocols for proofs of knowledge, cryptographic commitments and verifiable encryption, supports all privacy-enhancing features. At the same time, the scheme is easily implementable on smart-cards. This thesis includes the full cryptographic specification, the formal verification of key properties, the mathematical model for functional verification in Mathematica software and the experimental implementation on .NET smart-cards. Although the scheme supports all privacy-enhancing features which are missing in related work, the computational complexity is the same or lower, thus the time of verification is shorter than in existing systems. With all these features and properties, the resulting scheme can significantly improve the privacy of users during their verification, especially when used in electronic ID systems, access systems or Internet services.

Federated Identity Management Systems: A Privacy-based Characterization

Identity management systems store attributes associated with users and facilitate authorization on the basis of these attributes. A privacy-driven characterization of the principal design choices for identity management systems is given, and existing systems are fit into this framework. The taxonomy of design choices also can guide public policy relating to identity management, which is illustrated using the United States NSTIC initiative

Privacy Preserving Cryptographic Protocols for Secure Heterogeneous Networks

Disertační práce se zabývá kryptografickými protokoly poskytující ochranu soukromí, které jsou určeny pro zabezpečení komunikačních a informačních systémů tvořících heterogenní sítě. Práce se zaměřuje především na možnosti využití nekonvenčních kryptografických prostředků, které poskytují rozšířené bezpečnostní požadavky, jako je například ochrana soukromí uživatelů komunikačního systému. V práci je stanovena výpočetní náročnost kryptografických a matematických primitiv na různých zařízeních, které se podílí na zabezpečení heterogenní sítě. Hlavní cíle práce se zaměřují na návrh pokročilých kryptografických protokolů poskytujících ochranu soukromí. V práci jsou navrženy celkově tři protokoly, které využívají skupinových podpisů založených na bilineárním párování pro zajištění ochrany soukromí uživatelů. Tyto navržené protokoly zajišťují ochranu soukromí a nepopiratelnost po celou dobu datové komunikace spolu s autentizací a integritou přenášených zpráv. Pro navýšení výkonnosti navržených protokolů je využito optimalizačních technik, např. dávkového ověřování, tak aby protokoly byly praktické i pro heterogenní sítě.The dissertation thesis deals with privacy-preserving cryptographic protocols for secure communication and information systems forming heterogeneous networks. The thesis focuses on the possibilities of using non-conventional cryptographic primitives that provide enhanced security features, such as the protection of user privacy in communication systems. In the dissertation, the performance of cryptographic and mathematic primitives on various devices that participate in the security of heterogeneous networks is evaluated. The main objectives of the thesis focus on the design of advanced privacy-preserving cryptographic protocols. There are three designed protocols which use pairing-based group signatures to ensure user privacy. These proposals ensure the protection of user privacy together with the authentication, integrity and non-repudiation of transmitted messages during communication. The protocols employ the optimization techniques such as batch verification to increase their performance and become more practical in heterogeneous networks.

Accountable infrastructure and its impact on internet security and privacy

The Internet infrastructure relies on the correct functioning of the basic underlying protocols, which were designed for functionality. Security and privacy have been added post hoc, mostly by applying cryptographic means to different layers of communication. In the absence of accountability, as a fundamental property, the Internet infrastructure does not have a built-in ability to associate an action with the responsible entity, neither to detect or prevent misbehavior. In this thesis, we study accountability from a few different perspectives. First, we study the need of having accountability in anonymous communication networks as a mechanism that provides repudiation for the proxy nodes by tracing back selected outbound traffic in a provable manner. Second, we design a framework that provides a foundation to support the enforcement of the right to be forgotten law in a scalable and automated manner. The framework provides a technical mean for the users to prove their eligibility for content removal from the search results. Third, we analyze the Internet infrastructure determining potential security risks and threats imposed by dependencies among the entities on the Internet. Finally, we evaluate the feasibility of using hop count filtering as a mechanism for mitigating Distributed Reflective Denial-of-Service attacks, and conceptually show that it cannot work to prevent these attacks.Die Internet-Infrastrutur stützt sich auf die korrekte Ausführung zugrundeliegender Protokolle, welche mit Fokus auf Funktionalität entwickelt wurden. Sicherheit und Datenschutz wurden nachträglich hinzugefügt, hauptsächlich durch die Anwendung kryptografischer Methoden in verschiedenen Schichten des Protokollstacks. Fehlende Zurechenbarkeit, eine fundamentale Eigenschaft Handlungen mit deren Verantwortlichen in Verbindung zu bringen, verhindert jedoch, Fehlverhalten zu erkennen und zu unterbinden. Diese Dissertation betrachtet die Zurechenbarkeit im Internet aus verschiedenen Blickwinkeln. Zuerst untersuchen wir die Notwendigkeit für Zurechenbarkeit in anonymisierten Kommunikationsnetzen um es Proxyknoten zu erlauben Fehlverhalten beweisbar auf den eigentlichen Verursacher zurückzuverfolgen. Zweitens entwerfen wir ein Framework, das die skalierbare und automatisierte Umsetzung des Rechts auf Vergessenwerden unterstützt. Unser Framework bietet Benutzern die technische Möglichkeit, ihre Berechtigung für die Entfernung von Suchergebnissen nachzuweisen. Drittens analysieren wir die Internet-Infrastruktur, um mögliche Sicherheitsrisiken und Bedrohungen aufgrund von Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen beteiligten Entitäten zu bestimmen. Letztlich evaluieren wir die Umsetzbarkeit von Hop Count Filtering als ein Instrument DRDoS Angriffe abzuschwächen und wir zeigen, dass dieses Instrument diese Art der Angriffe konzeptionell nicht verhindern kann

Privacy-Preserving Electronic Ticket Scheme with Attribute-based Credentials

Electronic tickets (e-tickets) are electronic versions of paper tickets, which enable users to access intended services and improve services' efficiency. However, privacy may be a concern of e-ticket users. In this paper, a privacy-preserving electronic ticket scheme with attribute-based credentials is proposed to protect users' privacy and facilitate ticketing based on a user's attributes. Our proposed scheme makes the following contributions: (1) users can buy different tickets from ticket sellers without releasing their exact attributes; (2) two tickets of the same user cannot be linked; (3) a ticket cannot be transferred to another user; (4) a ticket cannot be double spent; (5) the security of the proposed scheme is formally proven and reduced to well known (q-strong Diffie-Hellman) complexity assumption; (6) the scheme has been implemented and its performance empirically evaluated. To the best of our knowledge, our privacy-preserving attribute-based e-ticket scheme is the first one providing these five features. Application areas of our scheme include event or transport tickets where users must convince ticket sellers that their attributes (e.g. age, profession, location) satisfy the ticket price policies to buy discounted tickets. More generally, our scheme can be used in any system where access to services is only dependent on a user's attributes (or entitlements) but not their identities.Comment: 18pages, 6 figures, 2 table