Fault-Tolerance and Deaggregation Security of Aggregate Signatures

Ein zentrales Problem der digitalen Kommunikation ist die Absicherung der Authentizität und Integrität digitaler Dokumente, wie etwa Webseiten, E-Mails oder Programmen. So soll beispielsweise für den Empfänger einer E-Mail nachvollziehbar sein, dass die empfangene E-Mail tatsächlich vom angegebenen Absender stammt (Authentizität) und nicht durch Dritte verändert wurde (Integrität). Digitale Signaturen sind ein Hauptwerkzeug der Kryptographie und IT-Sicherheit, um diese Eigenschaften zu gewährleisten. Hierzu wird vom Absender ein geheimer Schlüssel verwendet, um für das zu sichernde Dokument eine Signatur zu erstellen, die mithilfe eines öffentlich bekannten Verifikationsschlüssels jederzeit überprüft werden kann. Die Sicherheitseigenschaften solcher digitaler Signaturverfahren garantieren sowohl, dass jede Änderung am Dokument dazu führt, dass diese Überprüfung fehlschlägt, als auch dass eine Fälschung einer Signatur praktisch unmöglich ist, d.h. ohne den geheimen Schlüssel kann keine gültige Signatur berechnet werden. Somit kann bei einer erfolgreichen Verifikation davon ausgegangen werden, dass das Dokument tatsächlich vom angegebenen Absender erstellt und seit der Berechnung der Signatur nicht verändert wurde, da nur der Absender über den geheimen Schlüssel verfügt. Aggregierbare Signaturen bieten zusätzlich die Möglichkeit Signaturen mehrerer Dokumente zu einer einzigen Signatur zusammenzuführen bzw. zu aggregieren. Diese Aggregation ist dabei jederzeit möglich. Eine aggregierte Signatur bezeugt weiterhin sicher die Integrität und Authentizität aller ursprünglichen Dokumente, benötigt dabei aber nur so viel Speicherplatz wie eine einzelne Signatur. Außerdem ist die Verifikation einer solchen aggregierten Signatur üblichrweise schneller möglich als die sukzessive Überprüfung aller Einzelsignaturen. Somit kann die Verwendung eines aggregierbaren Signaturverfahrens anstelle eines gewöhnlichen Verfahrens zu erheblichen Verbesserungen der Performanz und des Speicherverbrauchs bei Anwendungen von Signaturen führen. In dieser Dissertation werden zwei zusätzliche Eigenschaften von aggregierbaren Signaturverfahren namens Fehlertoleranz und Deaggregationssicherheit untersucht. Fehlertoleranz bietet eine Absicherung des Verfahrens gegen fehlerhafte Signier- und Aggregationsvorgänge und Deaggregationssicherheit schützt vor ungewollten Löschungen. Beide Eigenschaften werden im Folgenden erläutert. Fehlertoleranz: Durch System- und Programmfehler, sowie inkorrektes oder auch bösartiges Nutzerverhalten ist es möglich, dass fehlerhafte Einzelsignaturen zu einer bestehenden aggregierten Signatur hinzugefügt werden. Alle bisherige aggregierbaren Signaturverfahren haben jedoch den Nachteil, dass bereits das Aggregieren einer einzigen fehlerhaften Einzelsignatur dazu führt, dass auch die aggregierte Signatur fehlerhaft und somit unbrauchbar wird. Die aggregierte Signatur kann danach nicht mehr korrekt verifiziert werden. Insbesondere kann aus ihr nun keinerlei Aussage mehr über die Integrität und Authentizität der Dokumente abgeleitet werden, die vor dem Hinzufügen der fehlerhaften Einzelsignatur korrekt signiert wurden. Dies hat zur Folge, dass alle gegebenen Sicherheitsgarantien verloren gehen und es wird ein aufwändiges Neusignieren aller Dokumente notwendig, welches unter Umständen und je nach Anwendung nur schwer bis überhaupt nicht möglich ist. In dieser Dissertation wird das erste fehlertolerante aggregierbare Signaturverfahren vorgestellt, bei dem das Hinzufügen einzelner falscher Signaturen bis zu einer gewissen Grenze keine schädlichen Auswirkungen hat. Eine aggregierte Signatur wird erst dann ungültig und unbrauchbar, sobald die Anzahl hinzugefügter fehlerhafter Signaturen diese Grenze überschreitet und behält davor weiterhin seine Gültigkeit für die korrekt signierten Dokumente. Dazu wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem jedes beliebige aggregierbare Signaturverfahren in ein fehlertolerantes Verfahren transformiert werden kann. Das zugrundeliegende Verfahren wird dabei nur als Black-Box verwendet und der Schutz gegen Fälschungsangriffe übertragt sich beweisbar und ohne Einschränkung auf das neue fehlertolerante Verfahren. Des Weiteren wird als Anwendung von fehlertoleranten Verfahren gezeigt, wie aus ihnen ein sicheres Log-Verfahren konstruiert werden kann. Deaggregationssicherheit: Erlangt ein Angreifer Zugriff auf eine aggregierte Signatur für einen bestimmten Datensatz, so sollte es ihm nicht möglich sein aus diesem Aggregat eine gültige Signatur für einen Teil der geschützten Dokumente abzuleiten, indem er einzelne Signaturen entfernt oder deaggregiert. Solche Angriffe können für viele Anwendungsfälle problematisch sein, da so Signaturen für Mengen von Dokumenten berechnet werden könnten, die nicht von den eigentlichen Erstellern beabsichtigt waren und nie von ihnen selbst signiert wurden. Wird ein aggregierbares Signaturverfahren etwa verwendet um eine Datenbank abzusichern, so sollte es Angreifern nicht möglich sein einzelne Einträge daraus zu entfernen. In dieser Dissertation werden mehrere Deaggregationssicherheitsbegriffe entwickelt, vorgestellt und untersucht. Dazu wird eine Hierarchie von verschieden starken Sicherheitsbegriffen entwickelt und die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Begriffen werden formal untersucht. Dabei wird auch gezeigt, dass der von aggregierbaren Signaturverfahren garantierte Schutz gegen Fälschungen keinerlei Sicherheit gegen Deaggregationsangriffe gewährleistet. Des Weiteren wird die Deaggregationssicherheit einer Reihe von bekannten und wichtigen aggregierbaren Signaturverfahren näher betrachtet. Die von diesen Verfahren gebotene Sicherheit wird exakt klassifiziert, indem entweder Angriffsmöglichkeiten demonstriert werden oder formal bewiesen wird, welcher Sicherheitsbegriff der Hierarchie vom Verfahren erfüllt wird. Außerdem wird die Verbindung von Fehlertoleranz und Deaggregationssicherheit untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass beide Begriffe nicht zueinander kompatibel sind, indem bewiesen wird, dass fehlertolerante aggregierbare Signaturverfahren keinerlei Sicherheit gegen Deaggregationsangriffe bieten können. Somit muss bei Anwendungen von aggregierbaren Verfahren genau abgewogen werden, welche der beiden Eigenschaften notwendig ist und ob zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen angewendet werden müssen, um dieses Problem für die konkrete Anwendung zu beheben

Critical Perspectives on Provable Security: Fifteen Years of Another Look Papers

We give an overview of our critiques of “proofs” of security and a guide to our papers on the subject that have appeared over the past decade and a half. We also provide numerous additional examples and a few updates and errata

Short Lattice Signature Scheme with Tighter Reduction under Ring-SIS Assumption

We propose a short signature scheme under the ring-SIS assumption in the standard model. Specifically, by revisiting an existing construction [Ducas and Micciancio, CRYPTO 2014], we demonstrate lattice-based signatures with improved reduction loss. As far as we know, there are no ways to use multiple tags in the signature simulation of security proof in the lattice tag-based signatures. We address the tag-collision possibility in the lattice setting, which improves reduction loss. Our scheme generates tags from messages by constructing a scheme under a mild security condition that is existentially unforgeable against random message attack with auxiliary information. Thus our scheme can reduce the signature size since it does not need to send tags with the signatures. Our scheme has short signature sizes of (1) and achieves tighter reduction loss than that of Ducas et al.’s scheme. Our proposed scheme has two variants. Our scheme with one property has tighter reduction and the same verification key size of (log ) as that of Ducas et al.’s scheme, where is the security parameter. Our scheme with the other property achieves much tighter reduction loss of (/) and verification key size of (), where is the number of signing queries

On the Application of Identity-Based Cryptography in Grid Security

This thesis examines the application of identity-based cryptography (IBC) in designing security infrastructures for grid applications. In this thesis, we propose a fully identity-based key infrastructure for grid (IKIG). Our proposal exploits some interesting properties of hierarchical identity-based cryptography (HIBC) to replicate security services provided by the grid security infrastructure (GSI) in the Globus Toolkit. The GSI is based on public key infrastructure (PKI) that supports standard X.509 certificates and proxy certificates. Since our proposal is certificate-free and has small key sizes, it offers a more lightweight approach to key management than the GSI. We also develop a one-pass delegation protocol that makes use of HIBC properties. This combination of lightweight key management and efficient delegation protocol has better scalability than the existing PKI-based approach to grid security. Despite the advantages that IKIG offers, key escrow remains an issue which may not be desirable for certain grid applications. Therefore, we present an alternative identity-based approach called dynamic key infrastructure for grid (DKIG). Our DKIG proposal combines both identity-based techniques and the conventional PKI approach. In this hybrid setting, each user publishes a fixed parameter set through a standard X.509 certificate. Although X.509 certificates are involved in DKIG, it is still more lightweight than the GSI as it enables the derivation of both long-term and proxy credentials on-the-fly based only on a fixed certificate. We also revisit the notion of secret public keys which was originally used as a cryptographic technique for designing secure password-based authenticated key establishment protocols. We introduce new password-based protocols using identity-based secret public keys. Our identity-based techniques can be integrated naturally with the standard TLS handshake protocol. We then discuss how this TLS-like identity-based secret public key protocol can be applied to securing interactions between users and credential storage systems, such as MyProxy, within grid environments

Chopsticks: Fork-Free Two-Round Multi-Signatures from Non-Interactive Assumptions

Multi-signatures have been drawing lots of attention in recent years, due to their applications in cryptocurrencies. Most early constructions require three-round signing, and recent constructions have managed to reduce the round complexity to two. However, their security proofs are mostly based on non-standard, interactive assumptions (e.g. one-more assumptions) and come with a huge security loss, due to multiple uses of rewinding (aka the Forking Lemma). This renders the quantitative guarantees given by the security proof useless. In this work, we improve the state of the art by proposing two efficient two-round multi-signature schemes from the (standard, non-interactive) Decisional Diffie-Hellman (DDH) assumption. Both schemes are proven secure in the random oracle model without rewinding. We do not require any pairing either. Our first scheme supports key aggregation but has a security loss linear in the number of signing queries, and our second scheme is the first tightly secure construction. A key ingredient in our constructions is a new homomorphic dual-mode commitment scheme for group elements, that allows to equivocate for messages of a certain structure. The definition and efficient construction of this commitment scheme is of independent interest

Chopsticks: Fork-Free Two-Round Multi-Signatures from Non-Interactive Assumptions

Multi-signatures have been drawing lots of attention in recent years, due to their applications in cryptocurrencies. Most early constructions require three-round signing, and recent constructions have managed to reduce the round complexity to two. However, their security proofs are mostly based on non-standard, interactive assumptions (e.g. one-more assumptions) and come with a huge security loss, due to multiple uses of rewinding (aka the Forking Lemma). This renders the quantitative guarantees given by the security proof useless. In this work, we improve the state of the art by proposing two efficient two-round multi-signature schemes from the (standard, non-interactive) Decisional Diffie-Hellman (DDH) assumption. Both schemes are proven secure in the random oracle model without rewinding. We do not require any pairing either. Our first scheme supports key aggregation but has a security loss linear in the number of signing queries, and our second scheme is the first tightly secure construction. A key ingredient in our constructions is a new homomorphic dual-mode commitment scheme for group elements, that allows to equivocate for messages of a certain structure. The definition and efficient construction of this commitment scheme is of independent interest

Security and Privacy Preservation in Mobile Social Networks

Social networking extending the social circle of people has already become an important integral part of our daily lives. As reported by ComScore, social networking sites such as Facebook and Twitter have reached 82 percent of the world's online population, representing 1.2 billion users around the world. In the meantime, fueled by the dramatic advancements of smartphones and the ubiquitous connections of Bluetooth/WiFi/3G/LTE networks, social networking further becomes available for mobile users and keeps them posted on the up-to-date worldwide news and messages from their friends and families anytime anywhere. The convergence of social networking, advanced smartphones, and stable network infrastructures brings us a pervasive and omnipotent communication platform, named mobile social network (MSN), helping us stay connected better than ever. In the MSN, multiple communication techniques help users to launch a variety of applications in multiple communication domains including single-user domain, two-user domain, user-chain domain, and user-star domain. Within different communication domains, promising mobile applications are fostered. For example, nearby friend search application can be launched in the two-user or user-chain domains to help a user find other physically-close peers who have similar interests and preferences; local service providers disseminate advertising information to nearby users in the user-star domain; and health monitoring enables users to check the physiological signals in the single-user domain. Despite the tremendous benefits brought by the MSN, it still faces many technique challenges among of which security and privacy protections are the most important ones as smartphones are vulnerable to security attacks, users easily neglect their privacy preservation, and mutual trust relationships are difficult to be established in the MSN. In this thesis, we explore the unique characteristics and study typical research issues of the MSN. We conduct our research with a focus on security and privacy preservation while considering human factors. Specifically, we consider the profile matching application in the two-user domain, the cooperative data forwarding in the user-chain domain, the trustworthy service evaluation application in the user-star domain, and the healthcare monitoring application in the single-user domain. The main contributions are, i) considering the human comparison behavior and privacy requirements, we first propose a novel family of comparison-based privacy-preserving profile matching (PPM) protocols. The proposed protocols enable two users to obtain comparison results of attribute values in their profiles, while the attribute values are not disclosed. Taking user anonymity requirement as an evaluation metric, we analyze the anonymity protection of the proposed protocols. From the analysis, we found that the more comparison results are disclosed, the less anonymity protection is achieved by the protocol. Further, we explore the pseudonym strategy and an anonymity enhancing technique where users could be self-aware of the anonymity risk level and take appropriate actions when needed; ii) considering the inherent MSN nature --- opportunistic networking, we propose a cooperative privacy-preserving data forwarding (PDF) protocol to help users forward data to other users. We indicate that privacy and effective data forwarding are two conflicting goals: the cooperative data forwarding could be severely interrupted or even disabled when the privacy preservation of users is applied, because without sharing personal information users become unrecognizable to each other and the social interactions are no longer traceable. We explore the morality model of users from classic social theory, and use game-theoretic approach to obtain the optimal data forwarding strategy. Through simulation results, we show that the proposed cooperative data strategy can achieve both the privacy preservation and the forwarding efficiency; iii) to establish the trust relationship in a distributed MSN is a challenging task. We propose a trustworthy service evaluation (TSE) system, to help users exchange their service reviews toward local vendors. However, vendors and users could be the potential attackers aiming to disrupt the TSE system. We then consider the review attacks, i.e., vendors rejecting and modifying the authentic reviews of users, and the Sybil attacks, i.e., users abusing their pseudonyms to generate fake reviews. To prevent these attacks, we explore the token technique, the aggregate signature, and the secret sharing techniques. Simulation results show the security and the effectiveness of the TSE system can be guaranteed; iv) to improve the efficiency and reliability of communications in the single-user domain, we propose a prediction-based secure and reliable routing framework (PSR). It can be integrated with any specific routing protocol to improve the latter's reliability and prevent data injection attacks during data communication. We show that the regularity of body gesture can be learned and applied by body sensors such that the route with the highest predicted link quality can always be chose for data forwarding. The security analysis and simulation results show that the PSR significantly increases routing efficiency and reliability with or without the data injection attacks

Decentralizing Software Identity Management

Software ist in unterschiedlichsten Bereichen von größter Wichtigkeit: Wirtschaft, Handel, Industrielle Steueranlagen, Transport, Logistik, Kommunikation, sowie im privaten Gebrauch um nur einige Beispiele zu nennen. Es ist entsprechend unverzichtbar, Software mit Integrität und einer expliziten Befürwortung durch den jeweiligen Entwickler oder Herausgeber zu beziehen. In dieser Arbeit verfolgen wir das Ziel, die Interaktion zwischen Erstellern und Nutzern von Software durch die Etablierung und Nutzung von expliziten Identitäten für Software weiter abzusichern. Eine Softwareidentität etabliert in erster Linie einen eindeutigen und persistenten Bezugspunkt an den Softwareersteller Informationen zu Binärdateien ihrer Software anhängen und entfernen können. Die Möglichkeit zuvor veröffentlichte Binärdateien aus einer Softwareidentität zu entfernen erlaubt Entwicklern auf sicherheitskritische Fehler oder Kompromittierungen zu reagieren, indem sie klar kommunizieren, dass bestimmte Binärdateien nicht länger verwendet werden sollten. Nutzer einer Software können über solche Widerrufe oder neue Versionen informiert werden, indem sie die entsprechende Softwareidentität beobachten über die sie dann auch die Integrität und Befürwortung von heruntergeladenen Binärdateien überprüfen können. Distributed Ledger Technologien wie Ethereum oder zuvor Bitcoin scheinen taugliche Plattformen für die Umsetzung von Softwareidentitäten zu sein, ohne dabei auf zentrale Anbieter vertrauen zu müssen. Ein offenes Peer-to-Peer Netzwerk etabliert einen Konsens über einen manipulationsgeschützten Zustandsverlauf, der namensgebende Ledger, und ermöglicht Zugriff auf selbigen. Ethereum ist einer der ersten Distributed Ledger, der sogenannte Smart Contracts ermöglicht. Dabei handelt es sich um Programme, die auf einem Distributed Ledger installiert und ausgeführt werden und damit einen eindeutig referenzierbaren Teil des Ledgerzustandes etablieren und verwalten. Einzig und allein die Programmierung eines Smart Contracts bestimmt darüber, wer den Teilzustand wann und wie verändern kann. Die erste Forschungsfrage dieser Dissertation zielt auf die Tauglichkeit von Distributed Ledger Technologien hinsichtlich der Etablierung, Verwaltung, und Nutzung von Softwareidentitäten ab. Insbesondere untersuchen wir, wie nützliche Eigenschaften für Softwareidentitätsmanagement und -nutzung von den Sicherheitseigenschaften des zugrundeliegenden Distributed Ledgers und weiteren Annahmen abgeleitet werden können. Neben der Verwendung von Softwareidentitäten zur weiteren Absicherung der Softwaredistribution untersuchen wir außerdem ihre Nutzbarkeit als Grundlage für unabhängige Begutachtungen von Softwareversionen. Die Durchführung solcher unabhängigen Begutachtungen mittels Distributed Ledgern führt unweigerlich zu einer Herausforderung hinsichtlich der koordinierten Offenlegung der Ergebnisse. Zum Zeitpunkt der Abfassung dieser Arbeit bietet kein Distributed Ledger eine entsprechende Funktionalität, um die Erstellung einer Menge unabhängig erstellter Aussagen zu unterstützen oder zu dokumentieren. Die zweite Forschungsfrage dieser Arbeit befasst sich deshalb mit der Umsetzung eines Offenlegungsmechanismus für Distributed Ledger basierend auf bestehenden kryptografischen Primitiven. Wir behandeln beide Forschungsfragen, indem wir entsprechende dezentrale Anwendungen konzipieren, implementieren, und evaluieren. Wir nutzen dabei Ethereum als prominentestes Exemplar eines Smart-Contract-fähigen Distributed Ledgers. Genauer gesagt messen wir die Installations- und Ausführungskosten jener Smart Contracts, die für unsere dezentralen Anwendungen nötig sind, um ihre praktische Tauglichkeit zu bestimmen. In zwei Fällen ermitteln wir außerdem den Rechenaufwand, der abseits des Ledgers anfällt. Wir zeigen zudem semi-formal, wie die Sicherheitseigenschaften unserer Proof of Concept Implementierung von dem zugrundeliegenden Distributed Ledger und weiteren Annahmen abgeleitet werden können. Wir kommen zu dem Ergebnis, dass Ethereum stellvertretend für Smart-Contract-fähige Distributed Ledger eine taugliche Plattform für die Umsetzung von Softwareidentitäten ist, inklusive der zuvor angemerkten unabhängigen Begutachtungen. Da unser Konzept des Softwareidentitätsmanagements auf eher grundlegenden Eigenschaften von Distributed Ledgern fußt sollte es sich gut auf andere Systeme übertragen lassen. Im Gegensatz dazu erfordert unser Konzept für einen Offenlegungsmechanismus die Unterstützung von bestimmten kryptografischen Operationen auf dem verwendeten Ledger, was die Übertragbarkeit entsprechend einschränkt. Die Kosten für die Installation der nötigen Smart Contracts sind signifikant größer als die Ausführungskosten im typischen Gebrauch, weshalb wir für zukünftige Arbeit empfehlen, die Wiederverwendbarkeit von installierten Smart Contract Instanzen zu verbessern. Bei der koordinierten Offenlegung von unabhängig erstellten Aussagen auf einem Distributed Ledger erzielen wir eine Reduktion der Gesamtkosten von 20–40 % im Vergleich zu verwandter Arbeit, indem wir unterschiedliche kryptografische Anforderungen ausnutzen. Unser Ansatz um eine koordinierte Offenlegung auf Ethereum zu erzielen stützt sich auf Elliptische-Kurven-Operationen die, obwohl ausreichend, zum aktuellen Zeitpunkt sehr eingeschränkt sind. Entsprechend trägt unsere Arbeit einen weiteren Grund für die Erweiterung der unterstützten elliptischen Kurven im Zuge der Weiterentwicklung von Ethereum bei

Security in Distributed, Grid, Mobile, and Pervasive Computing

This book addresses the increasing demand to guarantee privacy, integrity, and availability of resources in networks and distributed systems. It first reviews security issues and challenges in content distribution networks, describes key agreement protocols based on the Diffie-Hellman key exchange and key management protocols for complex distributed systems like the Internet, and discusses securing design patterns for distributed systems. The next section focuses on security in mobile computing and wireless networks. After a section on grid computing security, the book presents an overview of security solutions for pervasive healthcare systems and surveys wireless sensor network security