Eine der größten technischen Entwicklungen in den letzten 15 Jahren ist der Fortschritt des Smartphones, die ständige Verfügbarkeit von Informationen und Konnektivität, sowie die damit verbundene Nutzung von mächtigen Onlinediensten. Leider birgt dieser Digitalisierungstrend auch große Risiken für die Privatsphäre der Nutzer, denn diese werden immer transparenter für den teilweise unbekannten Dienstanbieter. Es ist jedoch bereits seit Mitte der 1980er-Jahre bekannt, dass jegliche Art von Berechnung oder Interaktion zwischen zwei oder mehreren Parteien auch privatsphärefreundlich durchgeführt werden kann, so dass die teilnehmenden Parteien nicht mehr über die Eingaben der anderen Parteien lernen können, als das was sie sich von der gemeinsame Ausgabe ableiten können. Lange war diese Idee der sicheren Mehrparteienberechnung (MPC) nur ein theoretisches Konzept, jedoch hat es sich in den letzten 15 Jahren in ein sehr praktisches kryptographisches Werkzeug entwickelt, um privatsphäreschützende Anwendungen zu realisieren. Als solches könnte MPC helfen die Massenüberwachung der Onlinedienste zu unterbinden, ohne deren Geschäftsmodelle komplett außer Kraft zu setzen. MPC ermöglicht auch neuartige Geschäftsmodelle, so dass beispielsweise zwei sich nicht vertrauende Unternehmen kooperieren und Daten teilen, ohne dabei die Kontrolle über diese Daten an den Geschäftspartner zu verlieren. Trotz des immensen Potentials von MPC findet es kaum Anwendung in der Praxis. Dies liegt vor allem an der Komplexität und dem Aufwand, um Anwendungen für existierende MPC Protokolle zu entwickeln. Die Erstellung dieser Anwendungen benötigt nämlich umfangreiche Kenntnisse der Kryptographie und des Logikdesigns (Schaltungsbau). Letzteres wird benötigt, da Funktionen in MPC üblicherweise in Form von logischen oder arithmetischen Schaltungen dargestellt werden, deren händische Erzeugung sehr fehleranfällig und zeitaufwendig ist.

Um MPC auch Nicht-Experten zugängliche zu machen, haben wir im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Übersetzungstechniken (Compiler) entwickelt, implementiert und evaluiert, die es ermöglichen standard ANSI C Programmcode automatisiert in Schaltungen für verschiedene Klassen von MPC Protokollen zu übersetzen. Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen, wobei sich der erste Teil mit der Erzeugung von logischen Schaltkreisen beschäftigt. Wir beginnen mit einer Betrachtung der Konstruktion von Schaltungen mit minimaler Größe. Diese werden üblicherweise in MPC Protokollen mit konstanter Rundenanzahl eingesetzt, wie beispielsweise Yao's Garbled Circuits Protokoll. Zu diesem Zweck analysieren und adaptieren wir klassische Logikminimierungstechniken für MPC. Anschließend zeigen wir, wie Yao's Protokoll mit Hilfe eines Compilers effektiv parallelisiert werden kann, um die Protokollausführung auf Mehrprozessorsystemen zu beschleunigen. Weiterhin präsentieren wir eine Protokollerweiterung, die selbst auf einem einzigen Rechenkern die Berechnungszeit durch Parallelisierung reduzieren kann. Neben der Minimierung der Schaltungsgröße, ist die Minimierung der Schaltungstiefe von besondere Relevanz für MPC Protokolle mit variabler Rundenanzahl, wie beispielsweise dem GMW Protokoll. Für diese Art von Protokollen präsentieren wir einen Übersetzungsansatz, bestehend aus neuen handminimierten Schaltungsbausteinen und Schaltungsminimierungstechniken. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Compiler, die die vorgestellten Techniken implementieren, erzeugen Schaltungen aus einer Hochsprache, die meist schneller evaluiert werden können als die zuvor vorgestellten und oft händisch optimierten Schaltungen.

Im zweiten Teil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit der Schaltungserzeugung für hybride MPC Protokolle. Hier zeigen wir zum einen die automatisierte Konstruktion von Anwendungen, die verschiedene MPC Protokolle in einer Anwendung kombinieren. Durch die Kombination von Protokollen mit verschiedenen Designprinzipien, beispielsweise logische und arithmetische Schaltungen, können Anwendungen weiter beschleunigt werden. Zur Erzeugung dieser hybriden Anwendungen präsentieren wir neue Codezerlegungs- und Optimierungstechniken. Weiterhin stellen wir Lösungen vor, welche die effizienteste Kombination von Protokollen für eine gegebene Anwendungszerlegung identifizieren kann. Mit diesem Beitrag können wir den ersten Compiler präsentieren, der eine vollständige Automatisierung von Programmcode zu hybriden Anwendungen erzielt. Als zweite hybride Protokollklasse betrachten wir die Compilierung von RAM basierten Protokollen. Diese so genannten RAM-SC Protokolle kombinieren klassische MPC Protokolle mit Oblivious RAM (ORAM) Techniken und werden für datenintensive Anwendungen benötigt. Da existierende ORAMs verschiedenste Designprinzipien verwenden, präsentieren wir eine umfangreiche ORAM Kostenanalyse mit der die Laufzeit von RAM-SC in beliebigen Einsatzszenarien abgeschätzt werden kann. Diese Abschätzung ermöglicht es uns, den ersten voll automatisierten Compiler für RAM-SC vorzustellen, der sämtliche Speicherzugriffe in einem gegebenen Programmcode erfasst und die effizientesten ORAMs ermitteln kann.

Zusammenfassend trägt diese Arbeit dazu bei, MPC praxistauglicher und zugänglicher für Nicht-Experten zu machen, indem die Entwicklungsprozesse automatisiert und die Effizienz von MPC Anwendungen gesteigert wird.