Random Oracles in a Quantum World

The interest in post-quantum cryptography - classical systems that remain secure in the presence of a quantum adversary - has generated elegant proposals for new cryptosystems. Some of these systems are set in the random oracle model and are proven secure relative to adversaries that have classical access to the random oracle. We argue that to prove post-quantum security one needs to prove security in the quantum-accessible random oracle model where the adversary can query the random oracle with quantum states. We begin by separating the classical and quantum-accessible random oracle models by presenting a scheme that is secure when the adversary is given classical access to the random oracle, but is insecure when the adversary can make quantum oracle queries. We then set out to develop generic conditions under which a classical random oracle proof implies security in the quantum-accessible random oracle model. We introduce the concept of a history-free reduction which is a category of classical random oracle reductions that basically determine oracle answers independently of the history of previous queries, and we prove that such reductions imply security in the quantum model. We then show that certain post-quantum proposals, including ones based on lattices, can be proven secure using history-free reductions and are therefore post-quantum secure. We conclude with a rich set of open problems in this area.Comment: 38 pages, v2: many substantial changes and extensions, merged with a related paper by Boneh and Zhandr

Improvements and New Constructions of Digital Signatures

Ein digitales Signaturverfahren, oft auch nur digitale Signatur genannt, ist ein wichtiger und nicht mehr wegzudenkender Baustein in der Kryptographie. Es stellt das digitale Äquivalent zur klassischen handschriftlichen Signatur dar und liefert darüber hinaus noch weitere wünschenswerte Eigenschaften. Mit solch einem Verfahren kann man einen öffentlichen und einen geheimen Schlüssel erzeugen. Der geheime Schlüssel dient zur Erstellung von Signaturen zu beliebigen Nachrichten. Diese können mit Hilfe des öffentlichen Schlüssels von jedem überprüft und somit verifiziert werden. Desweiteren fordert man, dass das Verfahren "sicher" sein soll. Dazu gibt es in der Literatur viele verschiedene Begriffe und Definitionen, je nachdem welche konkreten Vorstellungen beziehungsweise Anwendungsgebiete man hat. Vereinfacht gesagt, sollte es für einen Angreifer ohne Kenntnis des geheimen Schlüssels nicht möglich sein eine gültige Signatur zu einer beliebigen Nachricht zu fälschen. Ein sicheres Signaturverfahren kann somit verwendet werden um die folgenden Ziele zu realisieren: - Authentizität: Jeder Empfänger kann überprüfen, ob die Nachricht von einem bestimmten Absender kommt. - Integrität der Nachricht: Jeder Empfänger kann feststellen, ob die Nachricht bei der Übertragung verändert wurde. - Nicht-Abstreitbarkeit: Der Absender kann nicht abstreiten die Signatur erstellt zu haben. Damit ist der Einsatz von digitalen Signaturen für viele Anwendungen in der Praxis sehr wichtig. Überall da, wo es wichtig ist die Authentizität und Integrität einer Nachricht sicherzustellen, wie beim elektronischen Zahlungsverkehr, Softwareupdates oder digitalen Zertifikaten im Internet, kommen digitale Signaturen zum Einsatz. Aber auch für die kryptographische Theorie sind digitale Signaturen ein unverzichtbares Hilfsmittel. Sie ermöglichen zum Beispiel die Konstruktion von stark sicheren Verschlüsselungsverfahren. Eigener Beitrag: Wie bereits erwähnt gibt es unterschiedliche Sicherheitsbegriffe im Rahmen von digitalen Signaturen. Ein Standardbegriff von Sicherheit, der eine recht starke Form von Sicherheit beschreibt, wird in dieser Arbeit näher betrachtet. Die Konstruktion von Verfahren, die diese Form der Sicherheit erfüllen, ist ein vielschichtiges Forschungsthema. Dazu existieren unterschiedliche Strategien in unterschiedlichen Modellen. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns daher auf folgende Punkte. - Ausgehend von vergleichsweise realistischen Annahmen konstruieren wir ein stark sicheres Signaturverfahren im sogenannten Standardmodell, welches das realistischste Modell für Sicherheitsbeweise darstellt. Unser Verfahren ist das bis dahin effizienteste Verfahren in seiner Kategorie. Es erstellt sehr kurze Signaturen und verwendet kurze Schlüssel, beides unverzichtbar für die Praxis. - Wir verbessern die Qualität eines Sicherheitsbeweises von einem verwandten Baustein, der identitätsbasierten Verschlüsselung. Dies hat unter anderem Auswirkung auf dessen Effizienz bezüglich der empfohlenen Schlüssellängen für den sicheren Einsatz in der Praxis. Da jedes identitätsbasierte Verschlüsselungsverfahren generisch in ein digitales Signaturverfahren umgewandelt werden kann ist dies auch im Kontext digitaler Signaturen interessant. - Wir betrachten Varianten von digitalen Signaturen mit zusätzlichen Eigenschaften, sogenannte aggregierbare Signaturverfahren. Diese ermöglichen es mehrere Signaturen effizient zu einer zusammenzufassen und dabei trotzdem alle zugehörigen verschiedenen Nachrichten zu verifizieren. Wir geben eine neue Konstruktion von solch einem aggregierbaren Signaturverfahren an, bei der das Verfahren eine Liste aller korrekt signierten Nachrichten in einer aggregierten Signatur ausgibt anstatt, wie bisher üblich, nur gültig oder ungültig. Wenn eine aggregierte Signatur aus vielen Einzelsignaturen besteht wird somit das erneute Berechnen und eventuell erneute Senden hinfällig und dadurch der Aufwand erheblich reduziert

On Cryptographic Building Blocks and Transformations

Cryptographic building blocks play a central role in cryptography, e.g., encryption or digital signatures with their security notions. Further, cryptographic building blocks might be constructed modularly, i.e., emerge out of other cryptographic building blocks. Essentially, one cryptographically transforms the underlying block(s) and their (security) properties into the emerged block and its properties. This thesis considers cryptographic building blocks and new cryptographic transformations

Programmable hash functions and their applications

We introduce a new combinatorial primitive called *programmable hash functions* (PHFs). PHFs can be used to *program* the output of a hash function such that it contains solved or unsolved discrete logarithm instances with a certain probability. This is a technique originally used for security proofs in the random oracle model. We give a variety of *standard model* realizations of PHFs (with different parameters). The programmability makes PHFs a suitable tool to obtain black-box proofs of cryptographic protocols when considering adaptive attacks. We propose generic digital signature schemes from the strong RSA problem and from some hardness assumption on bilinear maps that can be instantiated with any PHF. Our schemes offer various improvements over known constructions. In particular, for a reasonable choice of parameters, we obtain short standard model digital signatures over bilinear maps

07381 Abstracts Collection -- Cryptography

From 16.09.2007 to 21.09.2007 the Dagstuhl Seminar 07381 ``Cryptography\u27\u27 was held in the International Conference and Research Center (IBFI), Schloss Dagstuhl. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available