Card-Based ZKP Protocols for Takuzu and Juosan

International audienc

Rational cryptography: novel constructions, automated verification and unified definitions

Rational cryptography has recently emerged as a very promising field of research by combining notions and techniques from cryptography and game theory, because it offers an alternative to the rather inflexible traditional cryptographic model. In contrast to the classical view of cryptography where protocol participants are considered either honest or arbitrarily malicious, rational cryptography models participants as rational players that try to maximize their benefit and thus deviate from the protocol only if they gain an advantage by doing so. The main research goals for rational cryptography are the design of more efficient protocols when players adhere to a rational model, the design and implementation of automated proofs for rational security notions and the study of the intrinsic connections between game theoretic and cryptographic notions. In this thesis, we address all these issues. First we present the mathematical model and the design for a new rational file sharing protocol which we call RatFish. Next, we develop a general method for automated verification for rational cryptographic protocols and we show how to apply our technique in order to automatically derive the rational security property for RatFish. Finally, we study the intrinsic connections between game theory and cryptography by defining a new game theoretic notion, which we call game universal implementation, and by showing its equivalence with the notion of weak stand-alone security.Rationale Kryptographie ist kürzlich als ein vielversprechender Bereich der Forschung durch die Kombination von Begriffen und Techniken aus der Kryptographie und der Spieltheorie entstanden, weil es eine Alternative zu dem eher unflexiblen traditionellen kryptographischen Modell bietet. Im Gegensatz zur klassischen Ansicht der Kryptographie, nach der Protokollteilnehmer entweder als ehrlich oder willkürlich bösartig angesehen werden, modelliert rationale Kryptografie die Protokollteilnehmer als rationale Akteure, die versuchen ihren Vorteil zu maximieren und damit nur vom Protokoll abweichen, wenn sie dadurch einen Vorteil erlangen. Die wichtigsten Forschungsziele rationaler Kryptographie sind: das Design effizienterer Protokolle, wenn die Spieler ein rationale Modell folgen, das Design und die Implementierung von automatisierten Beweisen rationaler Sicherheitsbegriffe und die Untersuchung der intrinsischen Verbindungen zwischen spieltheoretischen und kryptographischen Begriffen. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit all diesen Fragen. Zunächst präsentieren wir das mathematische Modell und das Design für RatFish, ein neues rationales Filesharing-Protokoll. Dann entwickeln wir eine allgemeine Methode zur automatischen Verifikation rationaler kryptographischer Protokolle und wir zeigen, wie man unsere Technik nutzen kann, um die rationale Sicherheitseigenschaft von RatFish automatisch abzuleiten. Abschließend untersuchen wir die intrinsische Verbindungen zwischen Spieltheorie und Kryptographie durch die Definition von game universal implementation, einem neuen spieltheoretischen Begriff, und wir zeigen die Äquivalenz von game universal implementation und weak stand-alone security

Private Permutations in Card-based Cryptography

電気通信大学202

物理的道具を用いる暗号プロトコル

Tohoku University曽根秀昭課

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

Security of Smartphones at the Dawn of their Ubiquitousness

The importance of researching in the field of smartphone security is substantiated in the increasing number of smartphones, which are expected to outnumber common computers in the future. Despite their increasing importance, it is unclear today if mobile malware will play the same role for mobile devices as for common computers today. Therefore, this thesis contributes to defining and structuring the field mobile device security with special concern on smartphones and on the operational side of security, i.e., with mobile malware as the main attacker model. Additionally, it wants to give an understanding of the shifting boundaries of the attack surface in this emerging research field. The first three chapters introduce and structure the research field with the main goal of showing what has to be defended against today. Besides introducing related work they structure mobile device attack vectors with regard to mobile malicious software and they structure the topic of mobile malicious software itself with regard to its portability. The technical contributions of this thesis are in Chapters 5 to 8, classified according to the location of the investigation (on the device, in the network, distributed in device and network). Located in the device is MobileSandbox, a software for dynamic malware analysis. As another device-centric contribution we investigate on the efforts that have to be taken to develop an autonomously spreading smartphone worm. The results of these investigations are used to show that device-centric parts are necessary for smartphone security. Additionally, we propose a novel device-centric security mechanism that aims at reducing the attack surface of mobile devices to mobile malware. The network-centric investigations show the possibilities that a mobile network operator can use in its own mobile network for protecting the mobile devices of its clients. We simulate the effectiveness of different security mechanisms. Finally, the distributed investigations show the feasibility of distributed computation algorithms with security modules. We give prototypic implementations of protocols for secure multiparty computation as a modularized version with failure detector and consensus algorithms, and for fair exchange with guardian angels

Media Processing in Video Conferences for Cooperating Over the Top and Operator Based Networks

Telecom operators have dominated the communication industry for a long time by providing services with guaranteed quality of service. Such services are provided by the operator at the cost of maintaining a high grade network. With the introduction of broadband and internet, many over the top (OTT) services have emerged. These services use the underlying operator networks as a mere bit pipe while all service intelligence resides in the application running on the client device. Introduction of OTT services has seen a good response from general users who are no longer bound to services provided by the network operator. This in turn has caused operators and telecom companies to loose the ownership of their customers. This thesis takes media processing in video conferencing as a case study to compare the two competing domains of operator networks and OTT networks. Both domains offer video conferencing to end users, but they follow different architectures. The study shows that OTT services can perform much better if they utilize support of the underlying network. This will also bring the user base back to the network operator. The proposal is to turn the competition into cooperation between both parties. Assessments are done from both technical as well as business perspectives to assert that such cooperative agreements are possible and should be experimented in real life

Security and Privacy in Unified Communication

The file attached to this record is the author's final peer reviewed version. The Publisher's final version can be found by following the DOI link.The use of unified communication; video conferencing, audio conferencing, and instant messaging has skyrocketed during the COVID-19 pandemic. However, security and privacy considerations have often been neglected. This paper provides a comprehensive survey of security and privacy in Unified Communication (UC). We systematically analyze security and privacy threats and mitigations in a generic UC scenario. Based on this, we analyze security and privacy features of the major UC market leaders and we draw conclusions on the overall UC landscape. While confidentiality in communication channels is generally well protected through encryption, other privacy properties are mostly lacking on UC platforms

Towards Practical Privacy-Preserving Protocols

Protecting users' privacy in digital systems becomes more complex and challenging over time, as the amount of stored and exchanged data grows steadily and systems become increasingly involved and connected. Two techniques that try to approach this issue are Secure Multi-Party Computation (MPC) and Private Information Retrieval (PIR), which aim to enable practical computation while simultaneously keeping sensitive data private. In this thesis we present results showing how real-world applications can be executed in a privacy-preserving way. This is not only desired by users of such applications, but since 2018 also based on a strong legal foundation with the General Data Protection Regulation (GDPR) in the European Union, that forces companies to protect the privacy of user data by design. This thesis' contributions are split into three parts and can be summarized as follows: MPC Tools Generic MPC requires in-depth background knowledge about a complex research field. To approach this, we provide tools that are efficient and usable at the same time, and serve as a foundation for follow-up work as they allow cryptographers, researchers and developers to implement, test and deploy MPC applications. We provide an implementation framework that abstracts from the underlying protocols, optimized building blocks generated from hardware synthesis tools, and allow the direct processing of Hardware Definition Languages (HDLs). Finally, we present an automated compiler for efficient hybrid protocols from ANSI C. MPC Applications MPC was for a long time deemed too expensive to be used in practice. We show several use cases of real-world applications that can operate in a privacy-preserving, yet practical way when engineered properly and built on top of suitable MPC protocols. Use cases presented in this thesis are from the domain of route computation using BGP on the Internet or at Internet Exchange Points (IXPs). In both cases our protocols protect sensitive business information that is used to determine routing decisions. Another use case focuses on genomics, which is particularly critical as the human genome is connected to everyone during their entire lifespan and cannot be altered. Our system enables federated genomic databases, where several institutions can privately outsource their genome data and where research institutes can query this data in a privacy-preserving manner. PIR and Applications Privately retrieving data from a database is a crucial requirement for user privacy and metadata protection, and is enabled amongst others by a technique called Private Information Retrieval (PIR). We present improvements and a generalization of a well-known multi-server PIR scheme of Chor et al., and an implementation and evaluation thereof. We also design and implement an efficient anonymous messaging system built on top of PIR. Furthermore we provide a scalable solution for private contact discovery that utilizes ideas from efficient two-server PIR built from Distributed Point Functions (DPFs) in combination with Private Set Intersection (PSI)