Threshold Cryptography on Secure Hardware Devices

Mgr. Antonín Dufka

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Ochrana tajných klíčů používaných při kryptografických výpočtech je dlouhodobým problémem, který se obvykle řeší zabezpečenými hardwarovými zařízeními navrženými pro bezpečné uchování klíčů a manipulaci s nimi. Nicméně, i taková zařízení mohou být kompromitována dostatečně silným útočníkem a mohou se tak stát jediným bodem selhání (single point of failure). Prahová kryptografie umožňuje zmírnit dopad kompromitace zařízení rozdělením klíče mezi více různých zařízení takovým způsobem, že k jeho rekonstrukci je potřeba alespoň určitý počet (tzv. práh) částí klíče. Jednotlivá zařízení mohou operovat s částmi klíče přímo, bez jeho rekonstrukce, což eliminuje jediný bod selhání a pokud není kompromitováno více zařízení než zvolený práh, klíč zůstane utajen. Mnoho běžně používaných zabezpečených hardwarových zařízení prahové protokoly nepodporuje a ukládání částí klíče na nechráněných zařízeních zvyšuje riziko jejich kompromitace. V disertační práci plánujeme prozkoumat podporované operace a výkonnostní charakteristiky vybraných ekosystémů zabezpečených hardwarových zařízení s cílem navrhnout, které prahové protokoly na nich lze efektivně provozovat. Dále plánujeme optimalizovat zvolené prahové protokoly na základě specifických výkonnostních charakteristik jednotlivých zařízení. Výsledky tohoto výzkumu pak využijeme v návrhu nového scénáře použití pro zabezpečení klíčů kryptoměn, který minimalizuje důvěru vloženou v jejich operátory.

Abstract:

Protecting secret keys used in computations has been a long-standing problem in cryptography. The problem is typically addressed with secure hardware devices, designed to handle the keys securely. However, even such devices can be compromised by a sufficiently powerful attacker and thus may become a single point of failure. Threshold cryptography can mitigate the impact of a device compromise by splitting a key among multiple different devices in a way that at least a certain threshold of shares is needed to reconstruct it. The devices can operate with the shares directly, so the single point of failure is eliminated, and unless more than the threshold of devices is compromised, the key remains secret. Many commonly used secure hardware devices do not support threshold protocols, and storing the shares on unprotected devices exposes them to more risk. In the thesis, we plan to investigate the capabilities of selected secure hardware ecosystems and suggest which threshold protocols can be efficiently run on such devices. We intend to optimize the protocols based on specific trade-offs faced by particular devices and use the research results in a novel trust-minimizing usage scenario for securing cryptocurrency keys in the presence of untrusted operators.

Keywords

secure hardware devices, threshold cryptography, smartcards, trusted platform modules, cryptocurrency hardware wallets

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 9. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 19. 1. 2023
• Reader: doc. Ing. Lukáš Malina, Ph.D., Dr. Vasilios Mavroudis

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Computer systems, communication and security / Computer systems, communication and security