Optimistic fair exchange

Abstract

A fair exchange guarantees that a participant only reveals its items (such as signatures, payments, or data) if it receives the expected items in exchange. Efficient fair exchange requires a so-called third party, which is assumed to be correct. Optimistic fair exchange involves this third party only if needed, i.e., if the participants cheat or disagree. In Part I, we prove lower bounds on the message and time complexity of two particular instances of fair exchange in varying models, namely contract signing (fair exchange of two signatures under a contract) and certified mail (fair exchange of data for a receipt). We show that all given bounds are tight by describing provably time- and message-optimal protocols for all considered models and instances. In Part II, we have a closer look at formalizing the security of fair exchange. We introduce a new formal notion of security (including secrecy) for reactive distributed systems. We illustrate this new formalism by a specification of certified mail as an alternative to the traditional specification given in Part I. In Part III, we describe protocols for generic and optimistic fair exchange of arbitrary items. These protocols are embedded into the SEMPER Fair Exchange Layer, which is a central part of the SEMPER Framework for Secure Electronic Commerce.

Ein Austausch ist fair, wenn eine Partei die angebotenen Güter, wie zum Beispiel digitale Signaturen, Zahlungen oder Daten, nur abgibt, wenn sie die erwarteten Güter im Tausch erhält. Ohne eine als korrekt angenommene dritte Partei, welche eine mit einem Notar vergleichbare Rolle übernimmt, ist fairer Austausch nicht effizient möglich. Ein fairer Austausch heißt optimistisch, falls diese dritte Partei nur in Problemfällen am Protokoll teilnimmt. In Teil I werden beweisbar zeit- und nachrichtenoptimale Protokolle für die Spezialfälle ';elektronische Vertragsunterzeichnung" (fairer Austausch zweier Signaturen; engl. contract signing) und ';elektronisches Einschreiben" (fairer Austausch von Daten gegen eine Quittung; engl. certified mail) von fairem Austausch vorgestellt. Teil II beschreibt einen neuen Integritäts- und Geheimhaltungsbegriff für reaktive Systeme. Dieser basiert auf einer Vergleichsrelation ';so sicher wie", welche die Sicherheit zweier Systeme vergleicht. Ein verteiltes, reaktives System wird dann als sicher bezeichnet, wenn es so sicher wie ein idealisiertes System (engl. trusted host) für diesen Dienst ist. Mit diesem Formalismus geben wir eine alternative Sicherheitsdefinition von ';elektronischem Einschreiben" an, deren Semantik im Gegensatz zu der in Teil I beschriebenen Definition nun unabhängig vom erbrachten Dienst ist. Teil III beschreibt ein Design und optimistische Protokolle für generischen fairen Austausch von zwei beliebigen Gütern und den darauf aufbauenden SEMPER Fair Exchange Layer. Dieser ist ein wesentlicher Baustein des SEMPER Framework for Secure Electronic Commerce.