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Secure Infrastructures in the Realm of Decentralization

Das, Poulami (2023)
Secure Infrastructures in the Realm of Decentralization.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024422
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Most of today's online services such as e-commerce and online banking are based on centralized service providers, hence easily prone to single points of failure, cyber-attacks and censorship. An alternative approach to mitigate this issue, is to design decentralized systems, where the control is distributed among several entities, instead of a single centralized authority. A decentralized system often consists of a complex distribution of trust among different parties, or even organizations. Henceforth, it is often challenging to build a decentralized system. It is not surprising that security guarantees of such complex decentralized systems depend on several factors: not only conventional properties of data integrity, confidentiality and authentication, but also other relevant factors such as availability, accountability and authorization. In this thesis, we aim to build provably secure infrastructures that serves a decentralized system in one way or another. Our contribution is in three different settings of blockchain, byzantine agreement and cloud.

Firstly, we consider the decentralized payment platform offered by blockchains. Although the core blockchain protocol has been thoroughly analyzed, the underling infrastructure of blockchain wallets is rather ad-hoc. Cryptocurrency wallets constitute an indispensable key management mechanism for every user that wants to send or receive blockchain payments. However, it lacks formal security analysis. We close this gap by designing provably secure wallets in presence of a classical as well as a quantum adversary. Through our security analysis, we provide concrete bit security achieved by BIP32 wallets, which is a wallet standardization deployed in many practical wallets. Interestingly, we observe that slightly modified yet equally efficient version of BIP32 achieves higher level of bit security than the original version.

Secondly, we consider the problem of byzantine agreement (BA) – a fundamental problem in distributed computing as well as an important building block in the design of decentralized systems. Classically, byzantine agreement is known to be impossible without a public key infrastructure (PKI), in presence of a corruption threshold of <n/2 parties. Interestingly, a class of BA protocols has emerged that overcomes this well-known impossibility by taking inspiration from the decentralized model of blockchains. This setting allows a group of pseudonymous parties to achieve consensus, via some proof of computation, for instance, proof of work (PoW). Taking inspiration from the above mentioned computational model, prior works were able to achieve BA protocols with time complexity of O(nk^2), O(k) or O(n). We show for the first time, a BA protocol, in the computational model of verifiable delay function (VDF) that runs in expected constant time. On the negative side, we are able to show a lower bound on the communication complexity of such protocols. Precisely, we prove that no protocol can achieve BA in the VDF model without any PKI assumption, in less than O(sqrt(n)) send-to-all steps.

Thirdly, we consider the setting of cloud storage for end-users, where we aim to design an usable yet secure encryption service that overcomes the dependence on centralized service providers. To this end, we build our primitive: Distributed Password-authenticated Symmetric-key Encryption (DPaSE) that enables users to generate strong encryption keys from a single password with the assistance of a set of n servers. We use a new variant of an oblivious PRF (OPRF) as the main building block to build DPaSE.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Das, Poulami
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Secure Infrastructures in the Realm of Decentralization
Sprache: Englisch
Referenten: Faust, Prof. Dr. Sebastian ; Kiayias, Prof. Dr. Aggelos
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: 259 Seiten in verschiedenen Zählungen
Datum der mündlichen Prüfung: 24 Oktober 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00024422
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24422
Kurzbeschreibung (Abstract):

Most of today's online services such as e-commerce and online banking are based on centralized service providers, hence easily prone to single points of failure, cyber-attacks and censorship. An alternative approach to mitigate this issue, is to design decentralized systems, where the control is distributed among several entities, instead of a single centralized authority. A decentralized system often consists of a complex distribution of trust among different parties, or even organizations. Henceforth, it is often challenging to build a decentralized system. It is not surprising that security guarantees of such complex decentralized systems depend on several factors: not only conventional properties of data integrity, confidentiality and authentication, but also other relevant factors such as availability, accountability and authorization. In this thesis, we aim to build provably secure infrastructures that serves a decentralized system in one way or another. Our contribution is in three different settings of blockchain, byzantine agreement and cloud.

Firstly, we consider the decentralized payment platform offered by blockchains. Although the core blockchain protocol has been thoroughly analyzed, the underling infrastructure of blockchain wallets is rather ad-hoc. Cryptocurrency wallets constitute an indispensable key management mechanism for every user that wants to send or receive blockchain payments. However, it lacks formal security analysis. We close this gap by designing provably secure wallets in presence of a classical as well as a quantum adversary. Through our security analysis, we provide concrete bit security achieved by BIP32 wallets, which is a wallet standardization deployed in many practical wallets. Interestingly, we observe that slightly modified yet equally efficient version of BIP32 achieves higher level of bit security than the original version.

Secondly, we consider the problem of byzantine agreement (BA) – a fundamental problem in distributed computing as well as an important building block in the design of decentralized systems. Classically, byzantine agreement is known to be impossible without a public key infrastructure (PKI), in presence of a corruption threshold of <n/2 parties. Interestingly, a class of BA protocols has emerged that overcomes this well-known impossibility by taking inspiration from the decentralized model of blockchains. This setting allows a group of pseudonymous parties to achieve consensus, via some proof of computation, for instance, proof of work (PoW). Taking inspiration from the above mentioned computational model, prior works were able to achieve BA protocols with time complexity of O(nk^2), O(k) or O(n). We show for the first time, a BA protocol, in the computational model of verifiable delay function (VDF) that runs in expected constant time. On the negative side, we are able to show a lower bound on the communication complexity of such protocols. Precisely, we prove that no protocol can achieve BA in the VDF model without any PKI assumption, in less than O(sqrt(n)) send-to-all steps.

Thirdly, we consider the setting of cloud storage for end-users, where we aim to design an usable yet secure encryption service that overcomes the dependence on centralized service providers. To this end, we build our primitive: Distributed Password-authenticated Symmetric-key Encryption (DPaSE) that enables users to generate strong encryption keys from a single password with the assistance of a set of n servers. We use a new variant of an oblivious PRF (OPRF) as the main building block to build DPaSE.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Die meisten der heutigen Online-Dienste wie E-Commerce und Online-Banking basieren auf zentralisierten Dienstanbieter und sind daher leicht anfällig für einzelne Single Points of Failure, Cyberangriffe und Zensur. Ein alternativer Ansatz zur Entschärfung dieses Problems ist die Entwicklung dezentraler Systeme, bei denen die Kontrolle auf mehrere Stellen verteilt ist, anstatt auf eine einzige zentrale Behörde. Ein dezentrales System besteht oft aus einer komplexen Verteilung des Vertrauens zwischen verschiedenen Parteien oder sogar Organisationen. Daher ist es oft eine Herausforderung, ein dezentrales System aufzubauen. Es ist nicht überraschend, dass die Sicherheitsgarantien solcher komplexen dezentralen Systeme von mehreren Faktoren abhängen: nicht nur von den konventionellen Eigenschaften der Datenintegrität, Vertraulichkeit und Authentifizierung, sondern auch von anderen relevanten Faktoren wie Verfügbarkeit, Verantwortlichkeit und Autorisierung. In dieser Arbeit geht es darum, beweisbar sichere Infrastrukturen aufzubauen, die einem dezentralen System auf die eine oder andere Weise dienen. Unser Beitrag bezieht sich auf drei verschiedene Szenarien: Blockchain, „Byzantine agreement“ und Cloud. Zunächst betrachten wir die dezentralisierte Zahlungsplattform, die bieten. Obwohl das Blockchain-Kernprotokoll gründlich analysiert wurde, ist die zugrunde liegende Infrastruktur von Blockchain-Wallets eher ad-hoc. Kryptowährungs-Wallets sind ein unverzichtbarer Schlüsselverwaltungsmechanismus für jeden Nutzer, der Blockchain-Zahlungen senden oder empfangen möchte. Es fehlt jedoch an einer formalen Sicherheitsanalyse. Wir schließen diese Lücke, indem wir beweisbar sichere Wallets in Gegenwart eines klassischen und eines Quantengegners entwerfen. Durch unsere Sicherheitsanalyse liefern wir konkrete Bitsicherheit, die von BIP32-Wallets erreicht wird, einer Wallet-Standardisierung, die in vielen praktischen Wallets eingesetzt wird. Interessanterweise beobachten wir, dass eine leicht modifizierte, aber ebenso effiziente Version von BIP32 ein höheres Maß an Bitsicherheit erreicht als die Originalversion.

Zweitens betrachten wir das Problem des „Byzantine Ageement“ (BA) – ein grundlegendes Problem im verteilten Rechnen sowie ein wichtiger Baustein beim Entwurf dezentraler Systeme. Klassischerweise ist bekannt, dass BA ohne eine Public-Key-Infrastruktur (PKI) nicht möglich ist, wenn eine Korruptionsschwelle von <n/2 Parteien vorhanden ist. Interessanterweise ist eine Klasse von BA-Protokollen aufgetaucht, die diese bekannte Unmöglichkeit überwindet, indem sie sich vom dezentralen Modell der Blockchains inspirieren lässt. In diesem Rahmen kann eine Gruppe pseudonymer Parteien über einen Berechnungsnachweis, z. B. einen Proof of Work (PoW), einen Konsens erzielen. In Anlehnung an das oben erwähnte Berechnungsmodell konnten frühere Arbeiten BA-Protokolle mit einer Zeitkomplexität von O(nk^2), O(k) oder O(n) realisieren. Wir zeigen zum ersten Mal ein BA-Protokoll im Berechnungsmodell der verifizierbaren Verzögerungsfunktion (VDF), das in erwarteter konstanter Zeit läuft. Auf der negativen Seite können wir eine Untergrenze für die Kommunikationskomplexität solcher Protokolle aufzeigen. Konkret beweisen wir, dass kein Protokoll BA im VDF-Modell ohne jegliche PKI-Annahme in weniger als O(sqrt(n)) send-to-all Schritten erreichen kann. Drittens betrachten wir die Situation des Cloud-Speichers für Endbenutzer, wo wir einen benutzerfreundlichen und dennoch sicheren Verschlüsselungsdienst entwickeln wollen, der die Abhängigkeit von zentralisierten Dienstanbietern überwindet. Zu diesem Zweck bauen wir unser Primitiv: Distributed Password-authenticated Symmetric-key Encryption (DPaSE), die es Benutzern ermöglicht, mit Hilfe einer Menge von n Servern starke Verschlüsselungsschlüssel aus einem einzigen Passwort zu generieren. Wir verwenden eine neue Variante einer oblivious PRF (OPRF) als Hauptbaustein, zum Aufbau von DPaSE.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-244228
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 20 Fachbereich Informatik
20 Fachbereich Informatik > Angewandte Kryptographie
Hinterlegungsdatum: 30 Aug 2023 14:07
Letzte Änderung: 31 Aug 2023 07:22
PPN:
Referenten: Faust, Prof. Dr. Sebastian ; Kiayias, Prof. Dr. Aggelos
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 Oktober 2022
Export:
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