Cryptographic techniques for privacy and access control in cloud-based applications

Abstract

Digitization is one of the key challenges for today’s industries and society. It affects more and more business areas and also user data and, in particular, sensitive information. Due to its sensitivity, it is important to treat personal information as secure and private as possible yet enabling cloud-based software to use that information when requested by the user. In this thesis, we focus on the privacy-preserving outsourcing and sharing of data, the querying of outsourced protected data, and the usage of personal information as an access control mechanism for rating platforms, which should be protected from coercion attacks. In those three categories, we present cryptographic techniques and protocols that push the state of the art. In particular, we first present multi-client oblivious RAM (ORAM), which augments standard ORAM with selective data sharing through access control, confidentiality, and integrity. Second, we investigate on recent work in frequency-hiding order-preserving encryption and show that the state of the art misses rigorous treatment, allowing for simple attacks against the security of the existing scheme. As a remedy, we show how to fix the security definition and that the existing scheme, slightly adapted, fulfills it. Finally, we design and develop a coercion-resistant rating platform. Coercion-resistance has been dealt with mainly in the context of electronic voting yet also affects other areas of digital life such as rating platforms.

Die Digitalisierung ist eine der größten Herausforderungen für Industrie und Gesellschaft. Neben vielen Geschäftsbereichen betrifft diese auch, insbesondere sensible, Nutzerdaten. Daher sollten persönliche Informationen so gut wie möglich gesichert werden. Zugleich brauchen Cloud-basierte Software-Anwendungen, die der Nutzer verwenden möchte, Zugang zu diesen Daten. Diese Dissertation fokussiert sich auf das sichere Auslagern und Teilen von Daten unter Wahrung der Privatsphäre, auf das Abfragen von geschützten, ausgelagerten Daten und auf die Nutzung persönlicher Informationen als Zugangsberechtigung für erpressungsresistente Bewertungsplattformen. Zu diesen drei Themen präsentieren wir kryptographische Techniken und Protokolle, die den Stand der Technik voran treiben. Der erste Teil stellt Multi-Client Oblivious RAM (ORAM) vor, das ORAM durch die Möglichkeit, Daten unter Wahrung von Vertraulichkeit und Integrität mit anderen Nutzern zu teilen, erweitert. Der zweite Teil befasst sich mit Freuquency-hiding Order-preserving Encryption. Wir zeigen, dass dem Stand der Technik eine formale Betrachtung fehlt, was zu Angriffen führt. Um Abhilfe zu schaffen, verbessern wir die Sicherheitsdefinition und beweisen, dass das existierende Verschlüsselungsschema diese durch minimale Änderung erfüllt. Abschließend entwickeln wir ein erpressungsresistentes Bewertungsportal. Erpressungsresistenz wurde bisher hauptsächlich im Kontext von elektronischen Wahlen betrachtet.