Chekhov’s Guns and Damocles’ Swords in Real-World Information Security: Post-Quantum Cryptography, Internal Attacker and the Random Oracle

Diese Arbeit behandelt kritische Bedrohungen in realen kryptografischen Anwendungen,
diem¨oglicherweise nicht sofort offensichtlich sind, aber jederzeit
auftreten k¨onnen. Der Autor identifiziert und geht auf drei solche Bedrohungen
ein, die die Sicherheit moderner cyber-physischer Systemnetzwerke in
Frage stellen.
Zunächst wird die Bedrohung durch Quantencomputer untersucht und die
Notwendigkeit für kryptografische Annahmen hervorgehoben, die quantensicher
sind, d.h. sie bleiben sowohl gegenüber klassischen als auch gegenüber
Quantencomputern sicher. Die Arbeit des Autors geht auf diese Herausforderungen
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durch eine Reihe von Fortschritten ein, die womöglich quantensichere
Annahmen einbeziehen.
Zweitens wird in der Arbeit die Bedrohung durch interne Angreifer behandelt,
die oft in der industriellen Sicherheit zweitrangig behandelt wurde. Der Autor
argumentiert jedoch, dass das Vernachl¨assigen von Schutzmaßnahmen gegen
interne Angreifer die Gesamtsicherheit untergräbt, da interne Komponenten
kompromittiert werden k¨onnen. Dies wird durch die Entwicklung sicherer
Protokolle f¨ur Anwendungen wie Kontaktverfolgung verdeutlicht, bei denen
das Risiko einer landesweiten Überwachung durch interne Angreifer durch
ein ”honest-but-curious” Modell gemindert wird.
Dar¨uber hinaus präsentiert die Arbeit ein Protokoll f¨ur ausgelagerte Berechnungen,
das es erm¨oglicht, sensible Daten sicher zu verarbeiten, auch wenn
der Server mit Clients kolludieren kann. Dies geschieht durch eine formale
Neubetrachtung eines Paradigmas f¨ur ausgelagerte Berechnungen, das den
Schutz personenbezogener Daten vor internen Bedrohungen gewährleistet.
Schließlich wird die Bedrohung durch den Zufalls-Orakel-Ansatz (Random
Oracle) untersucht, der die Zuverl¨assigkeit des Einsatzes des Random Oracles
in kryptografischen Konstruktionen diskutiert. Obwohl die Random Oracle
Heuristik in der realen Kryptografie von unsch¨atzbarem Wert ist, ist auch Funktionen ersetzt wird. Als Reaktion darauf präsentiert die Arbeit ein sicheres
Kommunikationsprotokoll, das den Bedarf an Zufalls-Orakeln vermeidet
und einen formal fundierteren Ansatz für sichere Nachrichten¨ubertragungen
bietet. Obwohl dieses Protokoll weniger effizient ist als seine Pendants, die
auf dem Zufalls-Orakel basieren, erreicht es wesentliche Verbesserungen
gegen¨uber früheren nicht-Zufalls-Orakel-Konstruktionen.
Insgesamt trägt diese Arbeit zur Entwicklung kryptografischer Lösungen bei,
die unbehandelte Bedrohungen in realen Anwendungen angehen und darauf
abzielen, sowohl die Sicherheit als auch die praktische Anwendbarkeit kryptografischer
Systeme angesichts der sich entwickelnden Herausforderungen
zu verbessern.

This thesis addresses critical threats in real-world cryptographic applications
that may not be immediately apparent but can materialize at any time. The
author identifies and tackles three such threats that challenge the security of
modern cyber-physical system networks.
First, the Quantum Computer threat is examined, highlighting the necessity
for cryptographic assumptions that are quantum-safe, meaning they remain
secure against both classical and quantum computers. The author’s work
addresses these challenges through a series of advancements that incorporate
... mehr
quantum-safe assumptions where possible.
Second, the thesis addresses the internal attacker threat, which has often
been relegated to secondary importance in the industrial security. However,
the author argues that neglecting protections against internal attackers
undermines overall security, as internal components can and do fail. This
is exemplified through the design of secure protocols for applications like
contact tracing, where the risk of nationwide surveillance by internal attackers
is mitigated through an honest-but-curious model. Additionally, the thesis
presents an outsourced computation protocol that allows secure processing
of sensitive data, even when the server may collude with clients, formally
revisiting a paradigm for outsourced computation that protects personal data
from internal threats.
Lastly, the Random Oracle threat is explored, which questions the reliability
of using the random oracle model in cryptographic constructions. While
the random oracle methodology has been instrumental in real-world cryptography,
it is known to lose its security guarantees when replaced by hash
functions in theory. In response, the thesis presents a secure channel protocol
that avoids the need for random oracles, providing a more formally sound
approach to secure communication. Though this protocol is less efficient than
its random oracle-based counterparts, it achieves substantial improvements
over previous non-random oracle constructions.

Overall, this thesis contributes to the development of cryptographic solutions
that address unaddressed threats in real-world applications, aiming to enhance
both the security and practical applicability of cryptographic systems in the
face of evolving challenges.