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Distributed Computation Meets Blockchain: Advanced Cryptographic Services from Blockchain Features

Kretzler, David (2024)
Distributed Computation Meets Blockchain: Advanced Cryptographic Services from Blockchain Features.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028661
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Distributed Computation Meets Blockchain: Advanced Cryptographic Services from Blockchain Features
Language: English
Referees: Faust, Prof. Dr. Sebastian ; Hazay, Prof. Dr. Carmit
Date: 19 November 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 274 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 27 September 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028661
Abstract:

Today's blockchain systems are no longer just about financial transactions within decentralized networks. Instead, they offer a wide range of additional features. A recent trend in cryptography leverages the rich functionality provided by blockchains to implement new cryptographic services and enhance existing ones. However, the potential of blockchain systems is far from exhausted and there is still significant room for improvement in existing blockchain-based cryptographic solutions. This thesis, therefore, aims to identify and unlock further potential for providing more advanced cryptographic services by identifying and closing gaps in prior work on blockchain-based cryptography. Covert security, introduced by Aumann and Lindell (TCC'07), is a security notion for cryptographic protocols that allows an adversary to successfully cheat and break the protocol's security with a fixed probability 1-e, while honest parties are guaranteed to detect the cheating attempt with probability e. Zhu et al. (CCS'19) proposed strengthening this notion by financially punishing detected cheaters via a smart contract. However, their work focuses on a specific two-party protocol. This thesis advances their ideas by demonstrating how to transform an arbitrary semi-honest secure protocol into a financially-backed covert secure protocol combining cheating detection with immediate financial punishment. Witness encryption, a primitive introduced by Garg et al. (STOC'13), allows a party to encrypt a message under a statement x from an NP-language L with relation R, such that the ciphertext can only be decrypted by a party knowing the corresponding witness w for which R(x,w) holds. Unfortunately, known instantiations of general-purpose witness encryption are based on strong assumptions and lack efficiency. Moreover, the standard notion of witness encryption does not consider the need to keep the statement used for encryption private. Goyal et al. (PKC'22) addressed the former shortcoming by demonstrating how a committee elected by a blockchain can provide a service equivalent to witness encryption but with significant higher efficiency and without the need of strong cryptographic assumptions. We advance on this idea by showing how such a committee-based approach to witness encryption can be adopted without disclosing the statement used for encryption, thereby addressing the latter shortcoming. We envision a virtual trusted third party (V-TTP) as a service that is continuously available, strictly adheres to expected behavior, keeps its state and communication secret, and is capable of performing complex computations. A promising approach to implementing a V-TTP is through a smart contract deployed on a blockchain. Smart contracts inherit excellent liveness guarantees from the underlying blockchain and ensure the correct execution of their code. However, traditional smart contracts are inherently public and limited in their complexity. While numerous proposals address these limitations, they often focus on only one aspect or introduce new shortcomings, such as requiring locked collateral. In this thesis, we propose a new smart contract platform that addresses the limitations of previous smart contract systems in one holistic solution. Naturally, utilization and improvement of blockchain features go hand in hand. During our work with smart contracts, we identified several shortcomings in the prevalent approach to smart contract development. We address these shortcomings by proposing a new programming language for smart contracts, which reduces the risk of security critical programming errors and increases the usability of smart contracts.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Heutige Blockchain-Systeme beschränken sich nicht mehr nur auf finanzielle Transaktionen innerhalb dezentraler Netzwerke. Stattdessen bieten sie eine Vielzahl zusätzlicher Funktionen. Ein aktueller Trend in der Kryptographie nutzt daher die umfangreiche Funktionalität von Blockchains, um neue kryptographische Dienste zu implementieren und bestehende zu verbessern. Das Potenzial von Blockchain-Systemen ist jedoch längst nicht ausgeschöpft, und es gibt noch erhebliches Verbesserungspotenzial bei bestehenden Blockchain-basierten kryptographischen Lösungen. In dieser Arbeit zielen wir daher darauf ab, weiteres Potenzial für die Bereitstellung fortschrittlicherer kryptographischer Dienste zu erschließen, indem wir Lücken in früheren Arbeiten zu Blockchain-basierter Kryptographie identifizieren und adressieren. Das von Aumann und Lindell (TCC'07) eingeführte Modell der Covert Security ist ein Sicherheitsmodell für kryptographische Protokolle, das es einem Angreifer erlaubt, einen Protokollangriff zu starten und mit einer festen Wahrscheinlichkeit von 1 - e die Sicherheitseigenschaften des Protokolls zu brechen, während ehrliche Parteien mit einer Wahrscheinlichkeit von e den Angriffsversuch erkennen. Zhu et al. (CCS'19) verstärken dieses Modell, indem sie entdeckte Angreifer über einen Smart Contract finanziell bestrafen. Ihre Arbeit konzentriert sich jedoch auf ein spezifisches Zwei-Parteien-Protokoll. In dieser Thesis generalisieren wir den Ansatz von Zhu et al., indem wir zeigen, wie beliebige passiv sichere Protokolle in finanziell gedeckte Covert sichere Protokolle transformiert werden können, welche einen entdeckten Angreifer finanziell bestrafen. Die von Garg et al. (STOC'13) eingeführte Primitive Witness Encryption erlaubt es einer Partei eine Nachricht unter einem Problem x aus einer NP-Sprache L mit einer Relation R zu verschlüsseln, sodass der Ciphertext nur von einer Partei entschlüsselt werden kann, die den entsprechenden Zeugen w kennt, für den R(x,w) gilt. Leider basieren bekannte Instanziierungen von Witness Encryption auf starken Annahmen und sind ineffizient. Zudem berücksichtigt die Standarddefinition von Witness Encryption nicht die Notwendigkeit, das für die Verschlüsselung verwendete Problem x privat zu halten. Goyal et al. (PKC'22) adressieren das erst genannte Problem, indem sie ein von einer Blockchain gewähltes Komitee nutzen um einen Dienst anzubieten, der äquivalent zu Witness Encryption ist, aber weitaus höhere Effizienz mit sich bringt und ohne starke kryptographische Annahmen auskommt. In dieser Thesis adressieren wir das zweite Problem, indem wir zeigen, wie der von Goyal et al. eingeführte komiteebasierte Ansatz so erweitert werden kann, dass das für die Verschlüsselung verwendete Problem x geheim bleibt. Wir verstehen eine virtuelle vertrauenswürdige Drittpartei (V-TTP) als einen Dienst, der kontinuierlich verfügbar ist, strikt dem erwarteten Verhalten folgt, seinen Zustand und seine Kommunikation geheim hält und in der Lage ist, komplexe Berechnungen durchzuführen. Ein vielversprechender Ansatz zur Implementierung einer V-TTP ist die Verwendung eines Smart Contracts, der auf einer Blockchain ausgeführt wird. Die zugrunde liegende Blockchain garantiert die Verfügbarkeit des Contracts und die korrekte Ausführung dessen Codes. Traditionelle Smart Contracts sind jedoch von Natur aus öffentlich und in ihrer Komplexität eingeschränkt. Zwar gibt es eine Vielzahl an Publikationen, die diese Einschränkungen adressieren, doch konzentrieren diese Arbeiten sich oft nur auf einen der genannten Aspekte oder leiden unter anderen Einschränkungen. In dieser Arbeit präsentieren wir daher eine neue Smart Contract-Plattform, die die Einschränkungen früherer Plattformen in einer ganzheitlichen Lösung adressiert. Offensichtlich gehen die Nutzung und die Verbesserung von Blockchain-Funktionen Hand in Hand. Während unserer Arbeit mit Smart Contracts haben wir mehrere Probleme im vorherrschenden Ansatz zur Entwicklung von Smart Contracts identifiziert. Wir adressieren diese Probleme, indem wir eine neue Programmiersprache für Smart Contracts präsentieren, die die Entwicklung von Smart Contract-basierten Anwendungen vereinfacht und das Risiko sicherheitskritischer Programmierfehler verringert.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-286614
Classification DDC: 000 Generalities, computers, information > 004 Computer science
Divisions: 20 Department of Computer Science > Angewandte Kryptographie
Date Deposited: 19 Nov 2024 12:09
Last Modified: 21 Nov 2024 10:18
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28661
PPN: 523671474
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