In this thesis we propose a complete solution of authentication and key exchange for digital home environments such that mobile devices can securely access the home devices. Some digital home authentication and key exchange protocols performed between mobile devices and home gateways are assisted by the AAA servers, which are provided by telecommunication companies, but they have some security flaws. In our proposed protocol, the necessary security requirements for digital home secu-rity mechanisms are satisfied, such as mutual authentication, authenticated key ex-change, and forward secrecy. In our digital home security scheme, a mobile device can authenticate his home gateway and exchange a session key with each home de-vice without pre-sharing keys with the home gateway and with the home device. The proposed authentication and key exchange protocol can also cooperate with the AAA server. Furthermore, we propose another authentication and key exchange protocol with forward secrecy between mobile devices and home devices. The computation capabilities of the mobile devices also are considered in our proposed protocols, where we only employ symmetric encryption/decryption and low-cost op-erations in order to reach the aim of light-weight computation cost.

In recent years, digital watermarking technique has become the most useful method for protecting the ownership of a user's digital content, and it can be used to verify ownership by embedding a user's digital watermark into that digital content. By showing the watermark, someone can prove legal ownership of the intelligent property on the digital content. Because of the maturity of e-commerce on the Internet, users can purchase digital content through buyer-seller watermarking protocols, and these protocols can help users to embed their watermarks into their digital content. After the transaction is terminated, users can also obtain their own digital content with the desired watermark embedded. However, when users attempt to exchange their digital content with each other over a network, it is important that a secure and efficient method be used. If users directly execute one of the above buyer-seller watermarking protocols, they will find that it cannot achieve significant transfers of digital content. On the other hand, they cannot be guaranteed that the transaction will be fair and efficient. Besides, when users are located on different networks, it is important to understand how they can obtain a protocol that is fair and efficient. To address these problems, we propose efficient and fair digital content exchange protocols for different networks such as Ethernets, P2P networks and cloud networks. Our proposed protocols can achieve identity authentication before performing the digital content exchange protocol, and can also maintain fair transactions between users. Finally, we also provide the formal security proofs for the proposed protocols and properties comparisons with other related schemes. Moreover, our protocols also offer solutions that are suitable for users who are located on different networks, and guarantee that digital content exchange transactions will be performed fairly and efficiently.

Tato dizertační práce se zabývá kryptografickými prostředky pro autentizaci. Hlavním tématem však nejsou klasické autentizační protokoly, které nabízejí pouze ověření identity, ale tzv. atributové autentizační systémy, pomocí kterých mohou uživatelé prokazovat svoje osobní atributy. Tyto atributy pak mohou představovat jakékoliv osobní informace, např. věk, národnost či místo narození. Atributy mohou být prokazovány anonymně a s podporou mnoha funkcí na ochranu digitální identity. Mezi takové funkce patří např. nespojitelnost autentizačních relací, nesledovatelnost, možnost výběru prokazovaných atributů či efektivní revokace. Atributové autentizační systémy jsou již nyní považovány za nástupce současných systémů v oficiálních strategických plánech USA (NSTIC) či EU (ENISA). Část požadovaných funkcí je již podporována existujícími kryptografickými koncepty jako jsou U-Prove či idemix. V současné době však není známý systém, který by poskytoval všechny potřebné funkce na ochranu digitální identity a zároveň byl prakticky implementovatelný na zařízeních, jako jsou čipové karty. Mezi klíčové slabiny současných systémů patří především chybějící nespojitelnost relací a absence revokace. Není tak možné efektivně zneplatnit zaniklé uživatele, ztracené či ukradené autentizační karty či karty škodlivých uživatelů. Z těchto důvodů je v této práci navrženo kryptografické schéma, které řeší slabiny nalezené při analýze existujících řešení. Výsledné schéma, jehož návrh je založen na ověřených primitivech, jako jsou $\Sigma$-protokoly pro důkazy znalostí, kryptografické závazky či ověřitelné šifrování, pak podporuje všechny požadované vlastnosti pro ochranu soukromí a digitální identity. Zároveň je však návrh snadno implementovatelný v prostředí smart-karet. Tato práce obsahuje plný kryptografický návrh systému, formální ověření klíčových vlastností, matematický model schématu v programu Mathematica pro ověření funkčnosti a výsledky experimentální implementace v prostředí .NET smart-karet. I přesto, že navrhovaný systém obsahuje podporu všech funkcí na ochranu soukromí, včetně těch, které chybí u existujících systémů, jeho výpočetní složitost zůstává stejná či nižší, doba ověření uživatele je tedy kratší než u existujících systémů. Výsledkem je schéma, které může velmi znatelně zvýšit ochranu soukromí uživatelů při jejich ověřování, především při využití v elektronických dokladech, přístupových systémech či Internetových službách.