Self-Updatable Encryption with Short Public Parameters and Its Extensions

Cloud storage is very popular since it has many advantages, but there is a new threat to cloud storage that was not considered before. {\it Self-updatable encryption} that updates a past ciphertext to a future ciphertext by using a public key is a new cryptographic primitive introduced by Lee, Choi, Lee, Park, and Yung (Asiacrypt 2013) to defeat this threat such that an adversary who obtained a past-time private key can still decrypt a (previously unread) past-time ciphertext stored in cloud storage. Additionally, an SUE scheme can be combined with an attribute-based encryption (ABE) scheme to construct a powerful revocable-storage ABE (RS-ABE) scheme introduced by Sahai, Seyalioglu, and Waters (Crypto 2012) that provides the key revocation and ciphertext updating functionality for cloud storage. In this paper, we propose an efficient SUE scheme and its extended schemes. First, we propose an SUE scheme with short public parameters in prime-order bilinear groups and prove its security under a $q$-type assumption. Next, we extend our SUE scheme to a time-interval SUE (TI-SUE) scheme that supports a time interval in ciphertexts. Our TI-SUE scheme has short public parameters and also secure under the $q$-type assumption. Finally, we propose the first large universe RS-ABE scheme with short public parameters in prime-order bilinear groups and prove its security in the selective revocation list model under a $q$-type assumption

Still Wrong Use of Pairings in Cryptography

Several pairing-based cryptographic protocols are recently proposed with a wide variety of new novel applications including the ones in emerging technologies like cloud computing, internet of things (IoT), e-health systems and wearable technologies. There have been however a wide range of incorrect use of these primitives. The paper of Galbraith, Paterson, and Smart (2006) pointed out most of the issues related to the incorrect use of pairing-based cryptography. However, we noticed that some recently proposed applications still do not use these primitives correctly. This leads to unrealizable, insecure or too inefficient designs of pairing-based protocols. We observed that one reason is not being aware of the recent advancements on solving the discrete logarithm problems in some groups. The main purpose of this article is to give an understandable, informative, and the most up-to-date criteria for the correct use of pairing-based cryptography. We thereby deliberately avoid most of the technical details and rather give special emphasis on the importance of the correct use of bilinear maps by realizing secure cryptographic protocols. We list a collection of some recent papers having wrong security assumptions or realizability/efficiency issues. Finally, we give a compact and an up-to-date recipe of the correct use of pairings.Comment: 25 page

CCA Security for Self-Updatable Encryption: Protecting Cloud Data When Clients Read/Write Ciphertexts

Self-updatable encryption (SUE) is a new kind of public-key encryption, motivated by cloud computing, which enables anyone (i.e. cloud server with no access to private keys) to update a past ciphertext to a future ciphertext by using a public key. The main applications of SUE is revocable-storage attribute-based encryption (RS-ABE) that provides an efficient and secure access control to encrypted data stored in cloud storage. In this setting, there is a new threat such that a revoked user still can access past ciphertexts given to him by a storage server. RS-ABE solves this problem by combining user revocation and ciphertext updating functionalities. The mechanism was designed with semantic security (CPA). Here, we propose the first SUE and RS-ABE schemes, secure against a relevant form of CCA, which allows ciphertexts submitted by attackers to decryption servers. Due to the fact that some ciphertexts are easily derived from others, we employ a different notion of CCA which avoids easy challenge related messages (we note that this type of idea was employed in other contexts before). Specifically, we define time extended challenge (TEC) CCA security for SUE which excludes ciphertexts that are easily derived from the challenge (over time periods) from being queried on (namely, once a challenge is decided by an adversary, no easy modification of this challenge to future and past time periods is allowed to be queried upon). We then propose an efficient SUE scheme with such CCA security, and we also define similar CCA security for RS-ABE and present an RS-ABE scheme with this CCA security

Threshold Partially-Oblivious PRFs with Applications to Key Management

An Oblivious PRF (OPRF) is a protocol between a server holding a key to a PRF and a user holding an input. At the end of the interaction, the user learns the output of the OPRF on its input and nothing else. The server learns nothing, including nothing about the user\u27s input or the function\u27s output. OPRFs have found many applications in multiple areas of cryptography. Everspaugh et al. (Usenix 2015) introduced Partially Oblivious PRF (pOPRF) in which the OPRF accepts an additional non-secret input that can be chosen by the server itself, and showed applications in the setting of password hardening protocols. We further investigate pOPRFs showing new constructions, including distributed multi-server schemes, and new applications. We build simple pOPRFs from regular OPRFs, in particular obtaining very efficient DH-based pOPRFs, and provide (n,t)-threshold implementation of such schemes. We apply these schemes to build Oblivious Key Management Systems (KMS) as a much more secure alternative to traditional wrapping-based KMS. The new system hides keys and object identifiers from the KMS, offers unconditional security for key transport, enables forward security, provides key verifiability, reduces storage, and more. Further, we show how to provide all these features in a distributed threshold implementation that additionally protects the service against server compromise. Finally, we extend the scheme to a threshold Oblivious KMS with updatable encryption so that upon the periodic change of OPRF keys by the server, an efficient update procedure allows a client of the KMS service to non-interactively update all its encrypted data to be decryptable only by the new key. Our techniques improve on the efficiency and security of several recent works on updatable encryption from Crypto and Eurocrypt. We report on an implementation of the above schemes and their performance, showing their practicality and readiness for use in real-world systems. In particular, our pOPRF constructions achieve speeds of over an order of magnitude relative to previous pOPRF schemes

Formal Foundations for Anonymous Communication

Mit jeder Online-Tätigkeit hinterlassen wir digitale Fußspuren. Unternehmen und Regierungen nutzen die privaten Informationen, die von den riesigen Datenmengen der Online-Spuren abgeleitet werden können, um ihre Nutzer und Büger zu manipulieren. Als Gegenmaßnahme wurden anonyme Kommunikationsnetze vorgeschlagen. Diesen fehlen jedoch umfassende formale Grundlagen und folglich ist der Vergleich zwischen verschiedenen Ansätzen nur sehr eingeschränkt möglich. Mit einer gemeinsamen Grundlage zwischen allen Forschern und Entwicklern von anonymen Kommunikationsnetzen können Missverständnisse vermieden werden und die dringend benötigte Entwicklung von den Netzen wird beschleunigt. Mit Vergleichbarkeit zwischen den Lösungen, können die für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Netze besser identifiziert und damit die Entwicklungsanstrengungen gezielter auf Projekte verteilt werden. Weiterhin ermöglichen formale Grundlagen und Vergleichbarkeit ein tieferes Verständnis für die Grenzen und Effekte der eingesetzten Techniken zu erlangen. Diese Arbeit liefert zuerst neue Erkenntnisse zu generellen Formalisierungen für anonyme Kommunikation, bevor sie sich dann auf die praktisch am meisten verbreitete Technik konzentriert: Onion Routing und Mix Netzwerke. Als erstes wird die Vergleichbarkeit zwischen Privatsphärezielen sichergestellt, indem sie formal definiert und miteinander verglichen werden. Dabei enteht eine umfangreiche Hierarchie von eindeutigen Privatsphärezielen. Als zweites werden vorgeschlagene Netzwerke analysiert, um deren Grundbausteine zu identifizieren und deren Schutz als Auswirkung in der Hierarchy zu untersuchen. Diese Grunlagen erlauben Konflikte und Schwachstellen in existierenden Arbeiten zu entdecken und aufzuklären. Genauer zeigt sich damit, dass basierend of derselben informalen Definition verschieden stark schützende formale Versionen entstanden sind. Weiterhin werden in dieser Arbeit die Notions genutzt um existierende Unmöglichkeitsresultate für anonyme Kommunikation zu vergleichen. Dabei wird nicht nur die erste vollständige Sicht auf alle bekannten Schranken für anonyme Kommunikationsnetze gegeben, sondern mit einem tiefgründigen Ansatz werden die existierenden Schranken auch gestärkt und zu praktischen, dem Stand der Kunst entsprechenden Netzen in Bezug gesetzt. Letztlich konnten durch die generellen Betrachtungen von vorgeschlagenen Netzwerken und ihren Grundbausteinen, insbesondere auch Angriffe auf die vorherrschende Klasse von anonymen Kommunikationsnetzen gefunden werden: auf Onion Routing und Mix-Netzwerke. Davon motiviert wurden als zweiter Teil dieser Arbeit die formalen Grundlagen und praktisch eingesetzten Lösungen for Onion Routing und Mix-Netzwerke untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die bereits erwähnten Angriffe teilweise auf eine fehlerhafte, aber weit verbreitete Beweisstrategie für solche Netze zurückzuführen sind und es wurde eine sichere Beweisstrategie als deren Ersatz vorgeschlagen. Weiterhin wurde die neue Strategie für ein vorgeschlagenes, aber bisher nicht weiter verwendetes Paketformat eingesetzt und dieses als sicher bewiesen. Dieses Paketformat unterstützt allerdings keine Rückantworten, was höchstwahrscheinlich der Grund ist, aus dem sich aktuelle Netze auf ein unsicheres Paketformat verlassen. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine konzeptuelle, sichere Lösung für Onion Routing mit Rückantworten entworfen. Als weitere verwandte Beiträge, zeigt die Arbeit Beziehungen von Teilen der generellen Ergebnisse für anonyme Kommunikationsnetze zu ähnlichen, aber bisher hauptsächlich getrennt betrachteten Forschungsbereichen, wie Privatsphäre auf der Bitübertragungsschicht, Kontaktnachverfolgung und privatsphäre-schützenden, digitalen Bezahlsystemen

Mitte-interaktiivsed nullteadmusprotokollid nõrgemate usalduseeldustega

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsiooneTäieliku koosluskindlusega (TK) kinnitusskeemid ja nullteadmustõestused on ühed põhilisemad krüptograafilised primitiivid, millel on hulgaliselt päriselulisi rakendusi. (TK) Kinnitusskeem võimaldab osapoolel arvutada salajasest sõnumist kinnituse ja hiljem see verifitseeritaval viisil avada. Täieliku koosluskindlusega protokolle saab vabalt kombineerida teiste täieliku koosluskindlusega protokollidega ilma, et see mõjutaks nende turvalisust. Nullteadmustõestus on protokoll tõestaja ja verifitseerija vahel, mis võimaldab tõestajal veenda verifitseerijat mingi väite paikapidavuses ilma rohkema informatsiooni lekitamiseta. Nullteadmustõestused pakuvad suurt huvi ka praktilistes rakendustes, siinkohal on olulisemateks näideteks krüptorahad ja hajusandmebaasid üldisemalt. Siin on eriti asjakohased just lühidad mitteinteraktiivsed nullteadmustõestused (SNARKid) ning kvaasiadaptiivsed mitteinteraktiivsed nullteadmustõestused (QA-NIZKid). Mitteinteraktiivsetel nullteadmustõestustel juures on kaks suuremat praktilist nõrkust. Esiteks on tarvis usaldatud seadistusfaasi osapoolte ühisstringi genereerimiseks ja teiseks on tarvis täielikku koosluskindlust. Käesolevas doktoritöös me uurime neid probleeme ja pakume välja konkreetseid konstruktsioone nende leevendamiseks. Esmalt uurime me õõnestuskindlaid SNARKe juhu jaoks, kus seadistusfaasi ühisstring on õõnestatud. Me konstrueerime õõnestuskindla versiooni seni kõige tõhusamast SNARKist. Samuti uurime me QA-NIZKide õõnestuskindlust ja konstrueerime kõige efektiivsemate QA-NIZKide õõnestuskindla versiooni. Mis puutub teise uurimissuunda, nimelt täielikku koosluskindlusesse, siis sel suunal kasutame me pidevaid projektiivseid räsifunktsioone. Me pakume välja uue primitiivi, kus eelmainitud räsifunktsioonid on avalikult verifitseeritavad. Nende abil me konstrueerime seni kõige tõhusama mitteinteraktiivse koosluskindla kinnitusskeemi. Lõpetuseks me töötame välja uue võtte koosluskindlate kinnitusskeemide jaoks, mis võimaldab ühisarvutuse abil luua nullteadmustõestuste ühisstringe.Quite central primitives in cryptographic protocols are (Universally composable (UC)) commitment schemes and zero-knowledge proofs that getting frequently employed in real-world applications. A (UC) commitment scheme enables a committer to compute a commitment to a secret message, and later open it in a verifiable manner (UC protocols can seamlessly be combined with other UC protocols and primitives while the entire protocol remains secure). A zero-knowledge proof is a protocol usually between a prover and a verifier that allows the prover to convince the verifier of the legality of a statement without disclosing any more information. Zero-knowledge proofs and in particular Succinct non-interactive zero-knowledge proofs (SNARKs) and quasi adaptive NIZK (QA-NIZK) are of particular interest in the real-world applications, with cryptocurrencies or more generally distributed ledger technologies being the prime examples. The two serious issues and the main drawbacks of the practical usage of NIZKs are (i) the demand for a trusted setup for generating the common reference string (CRS) and (ii) providing the UC security. In this thesis, we essentially investigate the aforementioned issues and propose concrete constructions for them. We first investigate subversion SNARKs (Sub zk-SNARKs) when the CRS is subverted. In particular, we build a subversion of the most efficient SNARKs. Then we initiate the study of subversion QA-NIZK (Sub-QA-NIZK) and construct subversion of the most efficient QA-NIZKs. For the second issue, providing UC-security, we first using hash proof systems or smooth projective hash functions (SPHFs), we introduce a new cryptographic primitive called publicly computable SPHFs (PC-SPHFs) and construct the currently most efficient non-interactive UC-secure commitment. Finally, we develop a new technique for constructing UC-secure commitments schemes that enables one to generate CRS of NIZKs by using MPC in a UC-secure mannerhttps://www.ester.ee/record=b535926