El objetivo de este trabajo es mostrar la aceleración en el tiempo de cómputo del algoritmo criptográfico Advanced Encryption Standard (AES) con clave de tamaño 128bits, que se obtiene al aprovechar el paralelismo que proveen las arquitecturas multicores actuales utilizando herramientas de programación paralela. AES es uno de los algoritmos de criptografía más usados en la actualidad, con el crecimiento de las redes y la información que se maneja hoy en día puede ser necesario cifrar un volumen muy grande de información para lo que se requiere mayor velocidad en los procesadores, pero esto actualmente no es posible debido a que los procesadores han llegado al límite de velocidad por problemas térmicos y de consumo, por esta razón se está incrementando la cantidad de procesadores en los equipos. Como aporte de la concreción de este trabajo se pretende presentar un análisis de rendimiento que muestre cómo a pesar de las limitaciones de velocidad de los procesadores, es posible, mediante herramientas de programación paralela, aprovechar las arquitecturas multicore para acelerar el cómputo del algoritmo AES y así reducir el tiempo de cifrar información ya sea para almacenarla o enviarla por la red.

El objetivo general del trabajo realizado fue desarrollar un sistema genérico de seguridad y privacidad de datos, que pudiera ser aplicable a un amplio espectro de aplicaciones colaborativas móviles. Se logró desarrollar un sistema de control de acceso a archivos basado en roles, usando herramientas de criptografía, tomando en cuenta los objetivos de seguridad, así como las características y restricciones propias de los sistemas colaborativos móviles. El sistema es capaz de mantener la privacidad, integridad y autenticación de los documentos (en realidad de cualquier archivo) usando un sistema de permisos de escritura y lectura. La privacidad de los documentos se asegura haciendo uso de la criptografía simétrica; la integridad y autenticación se obtiene mediante el uso de códigos de autenticación de mensajes basados en hash. Como resultado final se obtuvo una interfaz de servicios que puede ser reutilizada por distintas aplicaciones móviles, así como una aplicación gráfica que permite que los usuarios de un sistema colaborativo protejan y compartan sus archivos. El sistema funciona sobre PDA’s y Notebooks, con un desempeño adecuado para los usuarios y acorde a la capacidad de los dispositivos empleados.

El objetivo general del presente trabajo de título es la implementación de un sistema de votación electrónica apropiado para una votación local a pequeña escala. Además, este trabajo analiza las condiciones y supuestos razonables bajo los cuales tal elección puede ser llevada a cabo exitosamente. En este trabajo se estudian los mecanismos criptográficos adecuados para implementar un sistema de votación correcto, verificable y cuyos votos sean privados. El sistema implementado cumple con las características de seguridad de un sistema de votación electrónica, es práctico y puede ser usado en votaciones de pequeña escala. Este sistema considera la existencia de varias autoridades electorales, las cuales necesitan cooperar para que la elección sea exitosa, y solamente la colusión de la mayoría de ellas puede poner en riesgo la privacidad de los votantes. Se realizaron diversas votaciones de prueba, las que ilustran como el sistema implementado es capaz de detectar tanto alteraciones de los votos, como autoridades que traten de alterar el proceso eleccionario. El sistema es eficiente y transparente y entrega resultados precisos en forma rápida y oportuna. El proceso completo es universalmente verificable, desde la generación de las claves de encriptación que se usaran durante la elección, hasta el cómputo final, pasando por la verificación de la correctitud de los votos emitidos. Se concluye que es factible implementar un sistema de votación electrónica práctico, seguro y eficiente con requisitos simples: conectividad de red entre los participantes, mecanismos de comunicación consistente de mensajes (broadcast) entre las autoridades y observadores externos, e infraestructura para manejar claves públicas y privadas de los votantes. Finalmente se entregan recomendaciones para extender el sistema a elecciones de gran escala.

Doctor en Ciencias, Mención Computación / Non-Interactive Zero-Knowledge (NIZK) proofs, are proofs that yield nothing beyond their validity. As opposed to the interactive variant, NIZK proofs consist of only one message and are more suited for high-latency scenarios and for building inherently non- interactive schemes, like signatures or encryption. With the advent of pairing-based cryptography many cryptosystems have been built using bilinear groups, that is, three abelian groups G1,G2,GT oforderqtogetherwithabilinear function e : G1 × G2 → GT . Statements related to pairing-based cryptographic schemes are naturally expressed as the satisfiability of equations over these groups and Zq. The Groth-Sahai proof system, introduced by Groth and Sahai at Eurocrypt 2008, provides NIZK proofs for the satisfiability of equations over bilinear groups and over the integers modulo a prime q. Although Groth-Sahai proofs are quite efficient, they easily get expensive unless the statement is very simple. Specifically, proving satisfiability of m equations in n variables requires sending as commitments to the solutions Θ(n) elements of a bilinear group, and a proof that they satisfy the equations, which we simply call the proof, requiring additional Θ(m) group elements. In this thesis we study how to construct aggregated proofs i.e. proofs of size independent of the number of equations for different types of equations and how to use them to build more efficient cryptographic schemes. We show that linear equations admit aggregated proofs of size Θ(1). We then study the case of quadratic integer equations, more concretely the equation b(b − 1) = 0 which is the most useful type of quadratic integer equation, and construct an aggregated proof of size Θ(1). We use these results to build more efficient threshold Groth-Sahai proofs and more efficient ring signatures. We also study a natural generalization of quadratic equations which we call set-membership proofs i.e. show that a variable belongs to some set. We first construct an aggregated proof of size Θ(t), where t is the set size, and of size Θ(logt) if the set is of the form [0,t − 1] ⊂ Zq. Then, we further improve the size of our set-membership proofs and construct aggregated proofs of size Θ(log t). We note that some cryptographic schemes can be naturally constructed as set-membership proofs, specifically we study the case of proofs of correctness of a shuffle and range proofs. Starting from set-membership proofs as a common building block, we build the shortest proofs for both proof systems. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT, CONICYT-PCHA/Doctorado Nacional/2013-21130937

El trabajo consiste en la implementación y análisis de seguridad de un sistema distribuido de respaldo de datos, usando redes punto a punto, resistente ante fallas producto de ataques masivos de virus o gusanos. En la fase inicial del trabajo se estudian dos protocolos de comunicación para el sistema: el protocolo simple (o básico) y el protocolo avanzado. En el protocolo simple, cada usuario, a través de un password, genera claves para cifrar los respaldos y para firmar los mensajes que se envían a los demás participantes. Ambos sistemas permiten garantizar la autenticidad, integridad y confidencialidad de los datos respaldados ante fallas masivas ocasionadas por ataques de virus y gusanos. Sin embargo, este protocolo no es seguro en escenarios donde los virus o gusanos pudieran activamente atacar el sistema de respaldo - por ejemplo, un virus que obtiene las claves y, con ello, realiza falsos respaldos o borra respaldos antiguos. Además, el protocolo alcanza algunas propiedades interesantes de seguridad sólo bajo el supuesto que ciertas condiciones - más bien exigentes - se cumplen, algo difícil de garantizar en todos los escenarios. Es por esto que se propone y analiza un protocolo avanzado, el cual logra evitar las limitaciones del protocolo básico ocupando técnicas criptográficas más sofisticadas aunque potencialmente de mayor costo. Desde un punto de vista formal, la seguridad de ambos protocolos es analizada utilizando el paradigma de composición universal (o Universal Composability en Inglés). El objetivo es realizar una demostración matemática y rigurosa de la seguridad de los protocolos distribuidos propuestos. En este trabajo también se documenta el diseño y desarrollo de una implementación del protocolo básico. La aplicación se implementó usando componentes de manera que sea extensible a incorporar nuevas herramientas y mejoras. Finalmente, se analiza la incorporación de un sistema de reputación al sistema de respaldo propuesto. Con esto se pretende evitar que algunos usuarios hagan mal uso del sistema.

Ingeniero Civil en Computación / Una red de mezcla (o mixnet) es una construcción criptográfica que consiste de una serie de servidores de mezcla que reciben mensajes encriptados, los permutan y luego los reencriptan antes de enviarlos al próximo servidor (o a publicación si es el último servidor). Esto permite enviar mensajes de forma anónima, puesto que para trazar el recorrido de un mensaje en una mixnet hay que conocer la permutación que se realizó en cada uno de los servidores de mezcla. Esto abre la pregunta: ¿y si se interviniesen todos los servidores de mezcla para extraer las permutaciones? Actualmente ninguna construcción de mixnet ofrece garantías de anonimato ante un adversario pasivo con todos los servidores de mezcla. Esto es lógico pues si el adversario puede ver todo lo que los servidores intervenidos realizan, conoce la permutación que cada uno de ellos aplicó, negando la utilidad de la red de mezcla. Pero, ¿y si los propios servidores no conocieran la permutación que realizan? Entonces aunque los servidores estuvieran intervenidos, el adversario no podría hacer el rastreo. Pero ¿cómo se logra ocultar la permutación al propio servidor que la realiza? Es aquí donde entra el concepto de ofuscación criptográfica. A grandes rasgos, ofuscar es crear un nuevo programa a partir del programa original tal que la información secreta obtenida a partir del código fuente del programa no es mayor que la producida al simplemente ejecutar el programa como caja negra, teniendo acceso sólo a las entradas y salidas de éste. Así, si se esconde la permutación dentro de un programa ofuscado, ni el propio servidor sabría qué permutacion esta aplicando. En este trabajo se muestra que una ofuscación de esta naturaleza es posible de realizar, mostrando una construcción genérica de red de mezcla que utiliza ofuscación para esconder el proceso de permutación y re-encriptación dentro de cada servidor de mezcla. Además, a fin de mejorar la eficiencia de la construcción genérica, se propone como prueba de concepto implementable una construcción específica restringida a dos mensajes y un servidor de mezcla. Finalmente, para ambas construcciones se demuestra la seguridad de la ofuscación y la propiedad de anonimato en redes de mezcla.

Doctor en Ciencias, Mención Computación / Se estudian funciones de hash resistentes a colisiones (FHRC) que permiten validar eficientemente predicados sobre las entradas, usando solamente los valores de hash y certificados cortos. Para los predicados, consideramos conjuntos y cadenas de caracteres. La idea de computar el valor de hash de un conjunto con el fin de demostrar (no)pertenencia aparece en la literatura bajo el nombre de acumuladores criptográficos (Benaloh y De Mare, CRYPTO 1993). En esa tesis se propone primero un acumulador criptográfico que permite manipular conjuntos dinámicos (es decir donde es posible insertar y borrar elementos) y cuya seguridad no depende de ninguna autoridad de confianza. Luego mostramos que no existe ningún acumulador criptográfico que permite la actualización de todos los certificados en tiempo constante después de varias modificaciones. Este resultado resuelve un problema abierto propuesto por Nicolisi y Fazio en su estado del arte sobre acumuladores criptográficos (2002). La siguiente contribución de esa tesis es una FHRC que permite la comparación de cadenas largas según el orden lexicográfico. Usamos esa FHRC para construir un esquema de firma digital transitivo que permite autenticar árboles dirigidos. Esa construcción es la más eficiente a la fecha, y mejora de forma sustancial el resultado de Gregory Neven (Theoretical Computer Science 396). Finalmente usamos una FHRC similar para demostrar que una cadena corresponde a la expansión binaria de un cierto valor. Con la ayuda de técnicas de pruebas de nula divulgación usamos esa construcción para implementar un protocolo que permite revelar gradualmente un secreto. Luego este protocolo se usa para poder intercambiar de forma equitativa firmas cortas de Boneh-Boyen (EUROCRYPT 2004) sin la necesidad de recurrir a una autoridad de confianza. ----------- We study Collision-Resistant Hash Functions (CRHF) that allow to compute proofs related to some predicate on the values that are hashed. We explore this idea with predicates involving sets (membership) and strings (lexicographical order, binary decomposition). The concept of hashing a set in order to prove (non)membership first appears in the literature under the name of cryptographic accumulators (Benaloh and De Mare, CRYPTO 1993). In this thesis we start by introducing a cryptographic accumulator that handles dynamic sets (it is possible to insert and delete elements) and whose security does not involve a trusted third party. Then we show that no cryptographic accumulator can have the property of batch update (efficient refresh of all the proofs after several updates to the set via a single operation) and thus solve an open problem stated by Nicolisi and Fazio in their survey on cryptographic accumulators (2002). We then describe a CRHF that enables efficient comparison of large strings through their lexicographical order. We use this CRHF to build a practical transitive signature scheme to authenticate directed trees. To the best of our knowledge, this is the first practical construction for signing directed trees. In particular, signatures for paths in the tree are of constant size. This dramatically improves the previous better bound by Gregory Neven (Theoretical Computer Science 396). Finally we use a similar CRHF to prove that a binary string corresponds to the binary expansion of some other value. Using zero-knowledge techniques we build upon this construction to obtain a protocol for releasing a secret gradually. This tool is then used to fairly exchange Boneh-Boyen short signatures (EUROCRYPT 2004) without relying on a trusted third party.

[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. / Larriba Flor, AM. (2023). Distributed Cryptographic Protocols [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198106

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