Private Function Evaluation with Cards

Card-based protocols allow to evaluate an arbitrary fixed Boolean function on a hidden input to obtain a hidden output, without the executer learning anything about either of the two (e.g., [12]). We explore the case where implements a universal function, i.e., is given the encoding ⟨⟩ of a program and an input and computes (⟨⟩,)=(). More concretely, we consider universal circuits, Turing machines, RAM machines, and branching programs, giving secure and conceptually simple card-based protocols in each case. We argue that card-based cryptography can be performed in a setting that is only very weakly interactive, which we call the “surveillance” model. Here, when Alice executes a protocol on the cards, the only task of Bob is to watch that Alice does not illegitimately turn over cards and that she shuffles in a way that nobody knows anything about the total permutation applied to the cards. We believe that because of this very limited interaction, our results can be called program obfuscation. As a tool, we develop a useful sub-protocol $_{II}$↑ that couples the two equal-length sequences , and jointly and obliviously permutes them with the permutation ∈ that lexicographically minimizes (). We argue that this generalizes ideas present in many existing card-based protocols. In fact, AND, XOR, bit copy [37], coupled rotation shuffles [30] and the “permutation division” protocol of [22] can all be expressed as “coupled sort protocols”

Towards Applying Cryptographic Security Models to Real-World Systems

The cryptographic methodology of formal security analysis usually works in three steps: choosing a security model, describing a system and its intended security properties, and creating a formal proof of security. For basic cryptographic primitives and simple protocols this is a well understood process and is performed regularly. For more complex systems, as they are in use in real-world settings it is rarely applied, however. In practice, this often leads to missing or incomplete descriptions of the security properties and requirements of such systems, which in turn can lead to insecure implementations and consequent security breaches. One of the main reasons for the lack of application of formal models in practice is that they are particularly difficult to use and to adapt to new use cases. With this work, we therefore aim to investigate how cryptographic security models can be used to argue about the security of real-world systems. To this end, we perform case studies of three important types of real-world systems: data outsourcing, computer networks and electronic payment. First, we give a unified framework to express and analyze the security of data outsourcing schemes. Within this framework, we define three privacy objectives: \emph{data privacy}, \emph{query privacy}, and \emph{result privacy}. We show that data privacy and query privacy are independent concepts, while result privacy is consequential to them. We then extend our framework to allow the modeling of \emph{integrity} for the specific use case of file systems. To validate our model, we show that existing security notions can be expressed within our framework and we prove the security of CryFS---a cryptographic cloud file system. Second, we introduce a model, based on the Universal Composability (UC) framework, in which computer networks and their security properties can be described We extend it to incorporate time, which cannot be expressed in the basic UC framework, and give formal tools to facilitate its application. For validation, we use this model to argue about the security of architectures of multiple firewalls in the presence of an active adversary. We show that a parallel composition of firewalls exhibits strictly better security properties than other variants. Finally, we introduce a formal model for the security of electronic payment protocols within the UC framework. Using this model, we prove a set of necessary requirements for secure electronic payment. Based on these findings, we discuss the security of current payment protocols and find that most are insecure. We then give a simple payment protocol inspired by chipTAN and photoTAN and prove its security within our model. We conclude that cryptographic security models can indeed be used to describe the security of real-world systems. They are, however, difficult to apply and always need to be adapted to the specific use case

Private Function Evaluation with Cards

Card-based protocols allow to evaluate an arbitrary fixed Boolean function $f$ on a hidden input to obtain a hidden output, without the executer learning anything about either of the two (e.g. Crépeau and Kilian, CRYPTO 1993). We explore the case where $f$ implements a universal function, i.e. $f$ is given the encoding $\langle P\rangle$ of a program $P$ and an input $x$ and computes $f(\langle P\rangle, x) = P(x)$. More concretely, we consider universal circuits, Turing machines, RAM machines, and branching programs, giving secure and conceptually simple card-based protocols in each case. We argue that card-based cryptography can be performed in a setting that is only very weakly interactive, which we call the “surveillance” model. Here, when Alice executes a protocol on the cards, the only task of Bob is to watch that Alice does not illegitimately turn over cards and that she shuffles in a way that nobody knows anything about the total permutation applied to the cards. We believe that because of this very limited interaction, our results can be called program obfuscation. As a tool, we develop a useful sub-protocol $\mathsf{sort}_{\Pi}X\mathop{\uparrow}Y$ that couples the two equal-length sequences $X, Y$ and jointly and obliviously permutes them with the permutation $\pi\in\Pi$ that lexicographically minimizes $\pi(X)$. We argue that this generalizes ideas present in many existing card-based protocols. In fact, AND, XOR, bit copy (Mizuki and Sone, FAW 2009), coupled rotation shuffles (Koch and Walzer, ePrint 2017) and the “permutation division” protocol of (Hashimoto et al., ICITS 2017) can all be expressed as “coupled sort protocols”

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