The Random Oracle Methodology, Revisited

We take a critical look at the relationship between the security of cryptographic schemes in the Random Oracle Model, and the security of the schemes that result from implementing the random oracle by so called "cryptographic hash functions". The main result of this paper is a negative one: There exist signature and encryption schemes that are secure in the Random Oracle Model, but for which any implementation of the random oracle results in insecure schemes. In the process of devising the above schemes, we consider possible definitions for the notion of a "good implementation" of a random oracle, pointing out limitations and challenges.Comment: 31 page

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

Making Existential-Unforgeable Signatures Strongly Unforgeable in the Quantum Random-Oracle Model

Strongly unforgeable signature schemes provide a more stringent security guarantee than the standard existential unforgeability. It requires that not only forging a signature on a new message is hard, it is infeasible as well to produce a new signature on a message for which the adversary has seen valid signatures before. Strongly unforgeable signatures are useful both in practice and as a building block in many cryptographic constructions. This work investigates a generic transformation that compiles any existential-unforgeable scheme into a strongly unforgeable one, which was proposed by Teranishi et al. and was proven in the classical random-oracle model. Our main contribution is showing that the transformation also works against quantum adversaries in the quantum random-oracle model. We develop proof techniques such as adaptively programming a quantum random-oracle in a new setting, which could be of independent interest. Applying the transformation to an existential-unforgeable signature scheme due to Cash et al., which can be shown to be quantum-secure assuming certain lattice problems are hard for quantum computers, we get an efficient quantum-secure strongly unforgeable signature scheme in the quantum random-oracle model.Comment: 15 pages, to appear in Proceedings TQC 201

The random oracle methodology, revisited

We take a critical look at the relationship between the security of cryptographic schemes in the Random Oracle Model, and the security of the schemes that result from implementing the random oracle by so called “cryptographic hash functions”. The main result of this paper is a negative one: There exist signature and encryption schemes that are secure in the Random Oracle Model, but for which any implementation of the random oracle results in insecure schemes. In the process of devising the above schemes, we consider possible definitions for the notion of a “good implementation” of a random oracle, pointing out limitations and challengesAccepted manuscrip

A Machine-Checked Formalization of the Generic Model and the Random Oracle Model

Most approaches to the formal analyses of cryptographic protocols make the perfect cryptography assumption, i.e. the hypothese that there is no way to obtain knowledge about the plaintext pertaining to a ciphertext without knowing the key. Ideally, one would prefer to rely on a weaker hypothesis on the computational cost of gaining information about the plaintext pertaining to a ciphertext without knowing the key. Such a view is permitted by the Generic Model and the Random Oracle Model which provide non-standard computational models in which one may reason about the computational cost of breaking a cryptographic scheme. Using the proof assistant Coq, we provide a machine-checked account of the Generic Model and the Random Oracle Mode

Delegating Quantum Computation in the Quantum Random Oracle Model

A delegation scheme allows a computationally weak client to use a server's resources to help it evaluate a complex circuit without leaking any information about the input (other than its length) to the server. In this paper, we consider delegation schemes for quantum circuits, where we try to minimize the quantum operations needed by the client. We construct a new scheme for delegating a large circuit family, which we call "C+P circuits". "C+P" circuits are the circuits composed of Toffoli gates and diagonal gates. Our scheme is non-interactive, requires very little quantum computation from the client (proportional to input length but independent of the circuit size), and can be proved secure in the quantum random oracle model, without relying on additional assumptions, such as the existence of fully homomorphic encryption. In practice the random oracle can be replaced by an appropriate hash function or block cipher, for example, SHA-3, AES. This protocol allows a client to delegate the most expensive part of some quantum algorithms, for example, Shor's algorithm. The previous protocols that are powerful enough to delegate Shor's algorithm require either many rounds of interactions or the existence of FHE. The protocol requires asymptotically fewer quantum gates on the client side compared to running Shor's algorithm locally. To hide the inputs, our scheme uses an encoding that maps one input qubit to multiple qubits. We then provide a novel generalization of classical garbled circuits ("reversible garbled circuits") to allow the computation of Toffoli circuits on this encoding. We also give a technique that can support the computation of phase gates on this encoding. To prove the security of this protocol, we study key dependent message(KDM) security in the quantum random oracle model. KDM security was not previously studied in quantum settings.Comment: 41 pages, 1 figures. Update to be consistent with the proceeding versio

Universally Composable Verifiable Random Oracles

Random Oracles werden häufig in der Kryptographie eingesetzt um sehr effiziente Instanziierungen mächtiger kryptographischer Primitive zu konstruieren. Jedoch ist diese Praxis im Allgemeinen nicht zulässig wie verschiedene Nicht-Instanziierungs-Ergebnisse für Random Oracles mittels lokal berechenbarer Familien von Funktionen durch Halevi et al. (JACM ’04) zeigt. Die Random Oracle Modell kann sicher eingesetzt werden, indem Random Oracles nicht mit einer lokal berechenbaren Hashfunktion, sondern stattdessen mit einem interaktiven Protokoll instanziiert werden. In der realen Welt könnte solch ein interaktives Protokoll beispielsweise aus einem vertrauenswürdigen Server, welcher über das Internet erreichbar ist, bestehen. Dieser Server würde sodann eine der bekannten Techniken wie lazy sampling oder das Auswerten einer Pseudo-Zufälligen Funktion verwenden, um die Funktionalität eines Random Oracle bereitzustellen. Ein klarer Nachteil dieses Ansatzes ist die große Menge an Interaktion, die bei jeder Berechnung, die eine Auswertung des Random Oracle beinhaltet, nötig ist. Wir wollen diese Interaktion auf ein Minimum reduzieren. Um obiges Unmöglichkeitsresultat zu umgehen, muss die Auswertung des Random Oracle auf einer frischen Eingabe Interaktion der auswertenden Partei mit einer anderen Partei beinhalten. Dies ist jedoch nicht der einzige Verwendungszweck von Random Oracles, der häufig in kryptographischen Protokollen auftritt. Bei einem weiteren solchen Zweck wertet zunächst eine Partei A das Orakel auf einer Eingabe aus und erhält einen Hashwert. Im Anschluss sendet A Eingabe und Ausgabe (im Kontext eines Protokolls) an eine zweite Partei B und möchte B davon überzeugen, dass das Random Oracle korrekt ausgewertet wurde. Eine einfache Möglichkeit dies zu prüfen besteht darin, dass B selbst eine Auswertung des Random Oracle auf der erhaltenen Eingabe tätigt und die beiden Ausgaben vergleicht. In unserem Kontext benötigt dies jedoch erneut Interaktion. Der Wunsch diesen zweiten Verwendungszweck nicht-interaktiv zu machen führt uns zum Begriff eines Verifiable Random Oracle (VRO) als Erweiterung eines Random Oracle. Abstrakt besteht ein VRO aus zwei Orakeln. Das erste Orakel verhält sich wie ein Random Oracle dessen Ausgabe um einen Korrektheitsbeweis erweitert wurde. Mit Hilfe dieses Beweises kann das zweite Orakel dazu verwendet werden öffentlich die korrekte Auswertung des Random Oracle zu verifizieren. Obwohl diese Orakel-basierte Formulierung nicht notwendigerweise nicht-interaktive Verifikation besitzt, so erlaubt jedoch die Einführung expliziter Korrektheitsbeweise dies. In dieser Masterarbeit formalisieren wir zunächst den Begriff eines VRO im Universal Composability Framework von Canetti (FOCS ’01). Danach wenden wir VROs auf zwei kryptographische Anwendungen an, die in ihrer ursprünglichen Formulierung das Random Oracle Modell verwenden, und zeigen, das deren Sicherheitseigenschaften erhalten bleiben. Um zu zeigen, dass unsere Definition realisierbar ist, konstruieren wir mehrere Protokolle, die die ideale VRO Funktionalität realisieren. Diese reichen von Protokollen für eine einzelne vertrauenswürdige Partei bis hin zu verteilten Protokollen, die eine gewisse Menge an böswilliger Korruption erlauben. Wir vergleichen weiterhin VROs mit ähnlichen existierenden Primitiven

Verifiable Random Oracles

Ziel dieser Arbeit ist es, Random Oracle zu instanziieren, ohne dabei Sicherheit zu verlieren, die im Random Oracle Modell bewiesen wurde. Das dies mit Funktionsfamilien nicht geht ist eine wohl bekannte Aussage, die zuerst von Halevi et al. (IACR’1998) gezeigt wurde. Wir werden aus diesem Grund auf Interaktion zurückgreifen, aber versuchen, den erzeugten Overhead möglichst zu reduzieren. Um möglichst wenig zu Interagieren führen wir ein neues ideales Modell mit Namen Verifiable Random Oracle ein. Dieses Modell bietet zusätzlich zum Random Oracle ein Verifikations-Orakel, welches bei Eingabe (x, h) 1 ausgibt, falls RO(x) = h und anderenfalls 0. Wir stellen danach zwei konkrete Instanziierungen für Verifiable Random Oracle vor, von denen eine keine vertrauenswürdige Party benötigt. Zusätzlich reduzieren wir den Netzwerk-Overhead (also die Gesamtgröße der verwendeten Nachrichten). Wenn wir unsere Instanziierungen zusammen mit der Fiat-Shamir Transformation verwen- den, bleibt die Simulation-Soundness Extractability Eigenschaft erhalten. Der Beweiser der Fiat-Shamir Transformation verliert leider seine nicht-Interaktivität. Der Verifizierer bleibt jedoch Nicht-interaktiv, da die Instanziierungen des Verifikations-Orakels nicht-interaktiv sind. Die Beweise für diese Behauptungen bilden einen signifikanten Teil dieser Arbeit