Proposal of semiformal model of anonymity based cryptographic tasks and protocols and their analysis

RNDr. Josef Šprojcar, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tématem této disertační práce je široká oblast kryptografie zabývající se anonymitou. Navrhli jsme semiformální model anonymních kanálů (protokolů pro anonymní komunikaci). Náš model zahrnuje velké množství typů anonymni komunikace, ačkoliv se soustřeďujeme na anonymitu odesílatele, přijemce a na tzv. relationship anonymitu. Tyto jsou základní typy anonymity a mnoho ostatních typů z nich lze odvodit přímo nebo je lze odvodit s minimálním usilím. Náš model je založen na protokol grafech (grafy popisující komunikační vzory). Bezpečnostní vlastnosti jsou založeny na porovnávání těchto protokol grafů. Pokud jisté vlastnosti platí můžeme mluvit o anonymitě zajištěné protokolem. Náš model také zahrnuje novou myšlenku "přátel" - účastníků jimž je dovoleno znát identitu anonymního účastníka. Několik anonymních kanálů společně s jejich protokoly založených na problémů večěřících kryptografů je také prezentováno v práci. Tyto zahrnují protokoly pro nejzákladnější anonymní kanály (jsou to privatní bipartitní kanály) tak i několik komplexních kanálů. Prezentujeme také absolutně bezpečný protokol, který používá kvantové zdroje. Podařilo se nám postavit protokol, který používá kvantové zdroje pro anonymní kanál pro nějž žádný klasický protokol není znám (za stejných podmínek). Na základě těchto anonymních kanálů a protokolů pro ně jsme také navrhli základní myšlenky pro redukci mezi kryptografickými protokoly založenou na zdrojích jež tyto protokoly používají. Kvůli komplexnosti všech oblastí našeho výzkumu je práce napsána semiformálním jazykem. Hlavní důvod je pružnost našeho modelu a schopnost s ním pracovat. Jazyk, který používáme, je dobře známý z oblasti bezpečnosti IT.

Abstract:

The thesis investigates a broad area of cryptography dealing with anonymity. We proposed a semi-formal model of anonymous channels (protocols for anonymous communication). Our model is able to capture many aspects of wide range of types of anonymous communication, however, we concentrate mostly on sender anonymity, receiver anonymity and relationship anonymity. These are the most basic types of anonymity and many others can be either derived from them or only slight modifications are required to include them into our model. Our model is based on protocol graphs (graphs describing communication patterns). Security properties are based on comparing these protocol graphs. If certain properties hold we can speak about anonymity achieved by a protocol. Our model also includes a novel idea of "friends" - participants who are allowed to know identity of some anonymous participant. Several anonymous channels together with their dining cryptographers based protocols are also presented in the thesis. These include protocols for the most basic anonymous channels (these are private bipartite channels) as well as for several complex channels. We also present information-theoretically secure protocols that make use of quantum resources. We were able to build a quantum protocol for an anonymous channel for which no classical protocol is known to exist (in the same cryptographic settings). Based on these anonymous channels and their protocols we also scratched surface of resource based reduction between cryptographic protocols. Because of complexity of all the areas of our research the thesis is written in semi-formal language. The main reason is flexibility and feasibility of working with the model. We use the well known language that is often used in IT security.

Keywords

Cryptographic protocols, semi-formal modelling, anonymity, quantum resources

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 11. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 28. 11. 2008
• Supervisor: prof. RNDr. Jozef Gruska, DrSc.
• Reader: doc. RNDr. Jan Bouda, Ph.D., prof. Gilles Brassard, dr. Jörn Müller-Quade

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Informatics