FortifiedIPS: Increasing the Security of Multi-Party Computation by Diverse Redundancy

In dieser Arbeit präsentieren wir einen Ansatz, mit dem die Sicherheit von Protokollen für
multi-party-computations (MPC) verbessert werden kann. Dafür gehen wir davon aus, dass
Protokollteilnehmer aus mehreren Geräten mit unterschiedlicher Zusammensetzung von Hardware, Software und Betriebssystemen bestehen. Dies wird als diverse Redundanz bezeichnet.
Dazu wird die Annahme getroffen, dass redundante Geräte aufgrund ihres unterschiedlichen
Aufbaus nicht alle gleichzeitig korrumpiert werden können. Auf dieser Basis konstruieren wir
ein MPC Protokoll, das sicher bleibt, selbst wenn die letzte ehrlich Partei teilweise korrumpiert
... mehr
wird.
Um die Annahme formal zu beschreiben, schlagen wir ein Korruptionsmodell vor, das zwei
unterschiedliche Typen von Korruptionen vorsieht. Um Angriffe über physikalischen Zugriff
auf Geräte zu beschreiben, wird der übliche aktive Angriff benutzt. Angriffe über das Netzwerk werden jedoch eingeschränkt, um zu modellieren, dass solche Angriffe auf vorhandene
Sicherheitslücken angewiesen sind. Wenn Systeme in diverser Redundanz vorliegen, ist es
unwahrscheinlich, dass sie alle zur selben Zeit Sicherheitslücken aufweisen. Dieser Ansatz
wird in der praktischen IT-Sicherheit bereits eingesetzt, wurde, so weit wir wissen, aber noch
nicht verwendet, um formale Sicherheitsgarantien zu geben.
Viele kryptographische Protokolle machen (implizit) die Annahme, dass jede Partei aus
nur einem physikalischen Gerät besteht. Deshalb wird eine Partei dann entweder vollständig
korrumpiert oder bleibt komplett ehrlich. Deshalb ist es für unsere Zwecke notwendig, Parteien
in mehrere Geräte aufzuteilen. Diese Geräte führen dann ein Protokoll aus, mit dem eine
ganze Partei realisiert wird. Um wichtige Stellen zu schützen, an denen die ganze Partei auf
einmal korrumpiert werden könnte, setzen wir das MPC Protokoll SPDZ [Dam+13] ein. Hier
nutzen wir aus, dass SPDZ nur innerhalb einer Partei eingesetzt wird. Hier vertrauen sich die
Geräte, zumindest zu Beginn, bevor Korruptionen stattfinden können. Dieses initiale Vertrauen
erlaubt es, den aufwändigsten Teil von SPDZ, die Vorverarbeitungsphase, zu überspringen.
Dieser Ansatz verursacht linearen zusätzlichen Aufwand im Vergleich zu herkömmlichen
Protokollen. Dafür wird sichergestellt, dass Parteien, die bis zu einem Viertel ihrer Geräte
aufgrund von Korruptionen verlieren, weiter als ehrliche Parteien am Protokoll teilnehmen
können. Außerdem bleibt ihre Ein- und Ausgabe geheim.

In this work we propose an approach to increase security of multi-party-computation (MPC)
protocols. We consider a setting in which each party consists of several devices with different
hardware, operating system and software (diverse redundancy). Under the assumption that
the devices cannot all be hacked remotely due to their different setup, we construct a protocol
that is secure even if the only remaining honest party is partially corrupted. To capture that
assumption, we propose a corruption model that includes both attacks via physical access and
more limited remote hacks that rely on exploits that are specific to hard- or software. ... mehrWhile
there is already work on the use of diverse redundancy for security, as far as we know this has
not been done before with a formal security guarantee.
Many kryptographic protocols (implicitly) assume that each party consists of a single device,
which is either entirely corrupted or completely honest. So necessarily we divide single parties
that take part in a protocol up into several devices that collaboratively fulfill the role of one
party in the protocol. To secure single points of failure within parties, we use another, already
existing, MPC protocol called SPDZ [Dam+13]. We use this protocol in a very efficient way,
that relies on the trust that devices within a party have initially, before any corruptions can
take place. This initial trust allows us to skip the most expensive part of SPDZ, the setup phase.
This approach incurs linear overhead compared to protocols that do not split up their parties.
The resulting protocol can guarantee that parties that loose up to one fourth of their devices
to an adversary can still keep their input and output secret and can continue to participate in
the protocol as an honest party.