Verifiably Secure Devices

We put forward the notion of a verifiably secure device, in essence a stronger notion of secure computation, and achieve it in the ballot-box model. Verifiably secure devices1. Provide a perfect solution to the problem of achieving correlated equilibrium, an important and extensively investigated problem at the intersection of game theory, cryptography and efficient algorithms; and2. Enable the secure evaluation of multiple interdependent functions

Collusion Free Protocol for Correlated Element Selection Problem

A common problem in many markets is that competing firms cannot plan joint business strategies which are socially beneficial, as each firm has its own preferable business strategy which would yield higher profits for it and lower profits for the others. The solution to this problem becomes complex because each firm need not stick to its commitment to follow the pre-designated strategy. Game theory suggests to us a way to enforce this commitment, as when every player chooses his actions according to his observation of the value of a common public signal and, assuming that the others do not deviate, no player is willing to deviate from his recommended strategy. The players do not deviate from their recommended strategy as playing them would yield them a much higher expected pay-off than playing individually. The common public channel can be a trusted external mediator which may send each player his recommended strategy. This mediator can be simulated by a cryptographic protocol, which all the players agree to implement. This problem of suggesting the protocol is known as the \textit{Correlated Element Selection Problem}. The first two-player protocol was proposed by Dodis et. al\cite{dhr00} in Crypto 2000. The extension of the two-player protocol to an $n$-player protocol is highly prone to collusions, as two firms can collude and cheat the rest of the firms. The main contribution of the paper is the first $n$-player collusion free protocol for the \textit{correlated element selection problem} that does not use hardware primitives. We assume that players are honest but curious

Fair Computation with Rational Players

We consider the problem of fair multiparty computation, where fairness means (informally) that all parties should learn the correct output. A seminal result of Cleve (STOC 1986) shows that fairness is, in general, impossible to achieve if a majority of the parties is malicious. Here, we treat all parties as rational and seek to understand what can be done. Asharov et al. (Eurocrypt 2011) showed impossibility of rational fair computation in the two-party setting, for a particular function and a particular choice of utilities. We observe, however, that in their setting the parties have no strict incentive to compute the function even in an ideal world where fairness is guaranteed. Revisiting the problem, we show that rational fair computation is possible, for arbitrary functions, as long as the parties have a strict incentive to compute the function in an ideal world where fairness is guaranteed. Our results extend to more general utility functions that do not directly correspond to fairness, as well as to the multi-party setting. Our work thus shows a new setting in which game-theoretic considerations can be used to circumvent a cryptographic impossibility result

Collusion-Preserving Computation

In collusion-free protocols, subliminal communication is impossible and parties are thus unable to communicate ``any information beyond what the protocol allows\u27\u27. Collusion-free protocols are interesting for several reasons, but have specifically attracted attention because they can be used to reduce trust in game-theoretic mechanisms. Collusion-free protocols are impossible to achieve (in general) when all parties are connected by point-to-point channels, but exist under certain physical assumptions (Lepinksi et al., STOC~2005) or in specific network topologies (Alwen et al., Crypto~2008). We provide a ``clean-slate\u27\u27 definition of the stronger notion of collusion preservation. Our goals in revisiting the definition are: -- To give a definition with respect to arbitrary communication resources (that includes as special cases the communication models from prior work). We can then, in particular, better understand what types of resources enable collusion-preserving protocols. -- To construct protocols that allow no additional subliminal communication in the case when parties can communicate (a bounded amount of information) via other means. (This property is not implied by collusion-freeness.) -- To provide a definition supporting \emph{composition}, so that protocols can be designed in a modular fashion using sub-protocols run among subsets of the parties. In addition to proposing the definition, we explore implications of our model and show a general feasibility result for collusion-preserving computation of arbitrary functionalities

Information-Theoretic Secure Outsourced Computation in Distributed Systems

Secure multi-party computation (secure MPC) has been established as the de facto paradigm for protecting privacy in distributed computation. One of the earliest secure MPC primitives is the Shamir\u27s secret sharing (SSS) scheme. SSS has many advantages over other popular secure MPC primitives like garbled circuits (GC) -- it provides information-theoretic security guarantee, requires no complex long-integer operations, and often leads to more efficient protocols. Nonetheless, SSS receives less attention in the signal processing community because SSS requires a larger number of honest participants, making it prone to collusion attacks. In this dissertation, I propose an agent-based computing framework using SSS to protect privacy in distributed signal processing. There are three main contributions to this dissertation. First, the proposed computing framework is shown to be significantly more efficient than GC. Second, a novel game-theoretical framework is proposed to analyze different types of collusion attacks. Third, using the proposed game-theoretical framework, specific mechanism designs are developed to deter collusion attacks in a fully distributed manner. Specifically, for a collusion attack with known detectors, I analyze it as games between secret owners and show that the attack can be effectively deterred by an explicit retaliation mechanism. For a general attack without detectors, I expand the scope of the game to include the computing agents and provide deterrence through deceptive collusion requests. The correctness and privacy of the protocols are proved under a covert adversarial model. Our experimental results demonstrate the efficiency of SSS-based protocols and the validity of our mechanism design

Rational Protocol Design: Cryptography Against Incentive-driven Adversaries

Existing work on “rational cryptographic protocols” treats each party (or coalition of parties) running the protocol as a selfish agent trying to maximize its utility. In this work we propose a fundamentally different approach that is better suited to modeling a protocol under attack from an external entity. Specifically, we consider a two-party game between an protocol designer and an external attacker. The goal of the attacker is to break security properties such as correctness or privacy, possibly by corrupting protocol participants; the goal of the protocol designer is to prevent the attacker from succeeding. We lay the theoretical groundwork for a study of cryptographic protocol design in this setting by providing a methodology for defining the problem within the traditional simulation paradigm. Our framework provides ways of reasoning about important cryptographic concepts (e.g., adaptive corruptions or attacks on communication resources) not handled by previous game-theoretic treatments of cryptography. We also prove composition theorems that—for the first time—provide a sound way to design rational protocols assuming “ideal communication resources” (such as broadcast or authenticated channels) and then instantiate these resources using standard cryptographic tools. Finally, we investigate the problem of secure function evaluation in our framework, where the attacker has to pay for each party it corrupts. Our results demonstrate how knowledge of the attacker’s incentives can be used t

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