Distributed Cryptographic Protocols

Abstract

[ES] La confianza es la base de las sociedades modernas. Sin embargo, las relaciones basadas en confianza son difíciles de establecer y pueden ser explotadas fácilmente con resultados devastadores. En esta tesis exploramos el uso de protocolos criptográficos distribuidos para construir sistemas confiables donde la confianza se vea reemplazada por garantías matemáticas y criptográficas. En estos nuevos sistemas dinámicos, incluso si una de las partes se comporta de manera deshonesta, la integridad y resiliencia del sistema están garantizadas, ya que existen mecanismos para superar este tipo de situaciones. Por lo tanto, hay una transición de sistemas basados en la confianza, a esquemas donde esta misma confianza es descentralizada entre un conjunto de individuos o entidades. Cada miembro de este conjunto puede ser auditado, y la verificación universal asegura que todos los usuarios puedan calcular el estado final en cada uno de estos métodos, sin comprometer la privacidad individual de los usuarios. La mayoría de los problemas de colaboración a los que nos enfrentamos como sociedad, pueden reducirse a dos grandes dilemas: el votar una propuesta, o un representante político, ó identificarnos a nosotros mismos como miembros de un colectivo con derecho de acceso a un recurso o servicio. Por ello, esta tesis doctoral se centra en los protocolos criptográficos distribuidos aplicados al voto electrónico y la identificación anónima. Hemos desarrollado tres protocolos para el voto electrónico que complementan y mejoran a los métodos más tradicionales, y además protegen la privacidad de los votantes al mismo tiempo que aseguran la integridad del proceso de voto. En estos sistemas, hemos empleado diferentes mecanismos criptográficos que proveen, bajo diferentes asunciones, de las propiedades de seguridad que todo sistema de voto debe tener. Algunos de estos sistemas son seguros incluso en escenarios pos-cuánticos. También hemos calculado minuciosamente la complejidad temporal de los métodos para demostrar que son eficientes y factibles de ser implementados. Además, hemos implementado algunos de estos sistemas, o partes de ellos, y llevado a cabo una detallada experimentación para demostrar el potencial de nuestras contribuciones. Finalmente, estudiamos en detalle el problema de la identificación y proponemos tres métodos no interactivos y distribuidos que permiten el registro y acceso anónimo. Estos protocolos son especialmente ligeros y agnósticos en su implementación, lo que permite que puedan ser integrados con múltiples propósitos. Hemos formalizado y demostrado la seguridad de nuestros protocolos de identificación, y hemos realizado una implementación completa de ellos para, una vez más, demostrar la factibilidad y eficiencia de las soluciones propuestas. Bajo este marco teórico de identificación, somos capaces de asegurar el recurso custodiado, sin que ello suponga una violación para el anonimato de los usuarios.

[CA] La confiança és la base de les societats modernes. No obstant això, les relacions basades en confiança són difícils d’establir i poden ser explotades fàcilment amb resultats devastadors. En aquesta tesi explorem l’ús de protocols criptogràfics distribuïts per a construir sistemes de confiança on la confiança es veja reemplaçada per garanties matemàtiques i criptogràfiques. En aquests nous sistemes dinàmics, fins i tot si una de les parts es comporta de manera deshonesta, la integritat i resiliència del sistema estan garantides, ja que existeixen mecanismes per a superar aquest tipus de situacions. Per tant, hi ha una transició de sistemes basats en la confiança, a esquemes on aquesta acarona confiança és descentralitzada entre un conjunt d’individus o entitats. Cada membre d’aquest conjunt pot ser auditat, i la verificació universal assegura que tots els usuaris puguen calcular l’estat final en cadascun d’aquests mètodes, sense comprometre la privacitat individual dels usuaris. La majoria dels problemes de colůlaboració als quals ens enfrontem com a societat, poden reduir-se a dos grans dilemes: el votar una proposta, o un representant polític, o identificar-nos a nosaltres mateixos com a membres d’un colůlectiu amb dret d’accés a un recurs o servei. Per això, aquesta tesi doctoral se centra en els protocols criptogràfics distribuïts aplicats al vot electrònic i la identificació anònima. Hem desenvolupat tres protocols per al vot electrònic que complementen i milloren als mètodes més tradicionals, i a més protegeixen la privacitat dels votants al mateix temps que asseguren la integritat del procés de vot. En aquests sistemes, hem emprat diferents mecanismes criptogràfics que proveeixen, baix diferents assumpcions, de les propietats de seguretat que tot sistema de vot ha de tindre. Alguns d’aquests sistemes són segurs fins i tot en escenaris post-quàntics. També hem calculat minuciosament la complexitat temporal dels mètodes per a demostrar que són eficients i factibles de ser implementats. A més, hem implementats alguns d’aquests sistemes, o parts d’ells, i dut a terme una detallada experimentació per a demostrar la potencial de les nostres contribucions. Finalment, estudiem detalladament el problema de la identificació i proposem tres mètodes no interactius i distribuïts que permeten el registre i accés anònim. Aquests protocols són especialment lleugers i agnòstics en la seua implementació, la qual cosa permet que puguen ser integrats amb múltiples propòsits. Hem formalitzat i demostrat la seguretat dels nostres protocols d’identificació, i hem realitzat una implementació completa d’ells per a, una vegada més, demostrar la factibilitat i eficiència de les solucions proposades. Sota aquest marc teòric d’identificació, som capaces d’assegurar el recurs custodiat, sense que això supose una violació per a l’anonimat dels usuaris.

[EN] Trust is the base of modern societies. However, trust is difficult to achieve and can be exploited easily with devastating results. In this thesis, we explore the use of distributed cryptographic protocols to build reliable systems where trust can be replaced by cryptographic and mathematical guarantees. In these adaptive systems, even if one involved party acts dishonestly, the integrity and robustness of the system can be ensured as there exist mechanisms to overcome these scenarios. Therefore, there is a transition from systems based in trust, to schemes where trust is distributed between decentralized parties. Individual parties can be audited, and universal verifiability ensures that any user can compute the final state of these methods, without compromising individual users’ privacy. Most collaboration problems we face as societies can be reduced to two main dilemmas: voting on a proposal or electing political representatives, or identifying ourselves as valid members of a collective to access a service or resource. Hence, this doctoral thesis focuses on distributed cryptographic protocols for electronic voting and anonymous identification. We have developed three electronic voting schemes that enhance traditional methods, and protect the privacy of electors while ensuring the integrity of the whole election. In these systems, we have employed different cryptographic mechanisms, that fulfill all the desired security properties of an electronic voting scheme, under different assumptions. Some of them are secure even in post-quantum scenarios. We have provided a detailed time-complexity analysis to prove that our proposed methods are efficient and feasible to implement. We also implemented some voting protocols, or parts of them, and carried out meticulous experimentation to show the potential of our contributions. Finally, we study in detail the identification problem and propose three distributed and non-interactive methods for anonymous registration and access. These three protocols are especially lightweight and application agnostic, making them feasible to be integrated with many purposes. We formally analyze and demonstrate the security of our identification protocols, and provide a complete implementation of them to once again show the feasibility and effectiveness of the developed solutions. Using this identification framework, we can ensure the security of the guarded resource, while also preserving the anonymity of the users.