Pairing-based cryptosystems and key agreement protocols.

For a long time, pairings on elliptic curves have been considered to be destructive in elliptic curve cryptography. Only recently after some pioneering works, particularly the well-known Boneh-Franklin identity-based encryption (IBE), pairings have quickly become an important tool to construct novel cryptographic schemes. In this thesis, several new cryptographic schemes with pairings are proposed, which are both efficient and secure with respect to a properly defined security model, and some relevant previous schemes are revisited. IBE provides a public key encryption mechanism where a public key can be an arbitrary string such as an entity identifier and unwieldy certificates are unnecessary. Based on the Sakai-Kasahara key construction, an IBE scheme which is secure in the Boneh-Franklin IBE model is constructed, and two identity-based key encapsulation mechanisms are proposed. These schemes achieve the best efficiency among the existing schemes to date. Recently Al-Riyami and Paterson introduced the certificateless public key encryption (CL-PKE) paradigm, which eliminates the need of certificates and at the same time retains the desirable properties of IBE without the key escrow problem. The security formulation of CL-PKE is revisited and a strong security model for this type of mechanism is defined. Following a heuristic approach, three efficient CL-PKE schemes which are secure in the defined strong security model are proposed. Identity-based two-party key agreement protocols from pairings are also investigated. The Bellare-Rogaway key agreement model is enhanced and within the model several previously unproven protocols in the literature are formally analysed. In considering that the user identity may be sensitive information in many environments, an identity-based key agreement protocol with unilateral identity privacy is proposed

A System for Privacy-Preserving Mobile Health and Fitness Data Sharing: Design, Implementation and Evaluation

The growing spread of smartphones and other mobile devices has given rise to a number of health and fitness applications. Users can track their calorie intake, get reminders to take their medication, and track their fitness workouts. Many of these services have social components, allowing users to find like-minded peers, compete with their friends, or participate in open challenges. However, the prevalent service model forces users to disclose all of their data to the service provider. This may include sensitive information, like their current position or medical conditions. In this thesis, we will design, implement and evaluate a privacy-preserving fitness data sharing system. The system provides privacy not only towards other users, but also against the service provider, does not require any Trusted Third Parties (TTPs), and is backed by strong cryptography. Additionally, it hides the communication metadata (i.e. who is sharing data with whom). We evaluate the security of the system with empirical and formal methods, including formal proofs for parts of the system. We also investigate the performance with empirical data and a simulation of a large-scale deployment. Our results show that the system can provide strong privacy guarantees. However, it incurs a significant networking overhead for large deployments

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

Architectural Support for Protecting Memory Integrity and Confidentiality

This dissertation describes efficient design of tamper-resistant secure processor and cryptographic memory protection model that will strength security of a computing system. The thesis proposes certain cryptographic and security features integrated into the general purpose processor and computing platform to protect confidentiality and integrity of digital content stored in a computing system's memory. System designers can take advantages of the availability of the proposed security model to build future security systems such as systems with strong anti-reverse engineering capability, digital content protection system, or trusted computing system with strong tamper-proof protection. The thesis explores architecture level optimizations and design trade-offs for supporting high performance tamper-resistant memory model and micro-processor architecture. It expands the research of the previous studies on tamper-resistant processor design on several fronts. It offers some new architecture and design optimization techniques to further reduce the overhead of memory protection over the previous approaches documented in the literature. Those techniques include prediction based memory decryption and efficient memory integrity verification approaches. It compares different encryption modes applicable to memory protection and evaluates their pros and cons. In addition, the thesis tries to solve some of the security issues that have been largely ignored in the prior art. It presents a detailed investigation of how to integrate confidentiality protection and integrity protection into the out-of-order processor architecture both efficiently and securely. Furthermore, the thesis also expands the coverage of protection from single processor to multi-processor.Ph.D.Committee Chair: Dr. Hsien-Hsin Sean Lee; Committee Member: Dr. Doug Blough; Committee Member: Dr. Gabriel H. Loh; Committee Member: Dr. Mustaque Ahamad; Committee Member: Dr. Sung Kyu Li

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