Anonymous Credential Systems

272 Pages·2012·1.87 MB·English

by  Jorn Lapon

ArenbergDoctoralSchoolofScience,Engineering&Technology
FacultyofEngineering
DepartmentofComputerScience
Anonymous Credential Systems:
From Theory Towards Practice
Jorn LAPON
Dissertationpresentedinpartial
fulfillmentoftherequirementsfor
thedegreeofDoctor
inEngineering
July2012

Anonymous Credential Systems:
From Theory Towards Practice
Jorn LAPON
Jury: Dissertationpresentedinpartial
Prof.dr.ir.CarloVandecasteele,chair fulfillmentoftherequirementsfor
Prof.dr.ir.BartDeDecker,supervisor thedegreeofDoctor
Dr.VincentNaessens,co-supervisor inEngineering
Prof.dr.ir.BartPreneel
Dr.ir.LievenDeStrycker
Dr.ir.MarkulfKohlweiss
(MicrosoftResearch-Cambridge)
Dr.JaapHenkHoepman
(RadboudUniversityNijmegen)
July2012
©KatholiekeUniversiteitLeuven–FacultyofEngineering
Celestijnenlaan200Abox2402,B-3001Heverlee(Belgium)
Allerechtenvoorbehouden.Nietsuitdezeuitgavemagwordenvermenigvuldigden/of
openbaargemaaktwordendoor middelvan druk, fotocopie, microfilm, elektronisch
ofopwelkeanderewijzeookzondervoorafgaandeschriftelijketoestemmingvande
uitgever.
All rights reserved. No part of the publication may be reproduced in any form by
print, photoprint,microfilmoranyothermeanswithoutwrittenpermissionfromthe
publisher.
D/2012/7515/54
ISBN978-94-6018-518-2
Acknowledgments
I wouldlike tothankallthe peoplethathelpedme duringthese fouryearstorealize my
Ph.D.
Firstofall, Iwouldliketothankmyco-supervisor,Dr. VincentNaessens,whogaveme
theguidanceandtheopportunitiesthatledmetothefulfillmentofthisPh.D,forfinding
fundsformyresearchandthemanytripsabroad,forthemanyinterestingdiscussionswe
hadandforthemanytimeswemovedaroundthecampus.
Secondly,IwouldalsoliketothankProf.BartDeDeckerforacceptingtobethesupervisor
ofthisthesis,forthedetailedfeedback,forthemanydiscussionsandforhiswiseadvise.
Next, I would like to express my gratitude to Dr. Lieven De Strycker, Dr. Jaap Henk
Hoepman,Dr. MarkulfKohlweissandProf. BartPreneelforacceptingtobemembersof
thejuryandfortheirobservationswhichhaveimprovedthequalityofthistext,andProf.
CarloVandecasteeleforchairingthejury.
This thesis is the result of the collaboration with many people, for which I’m thankful:
Patrik Bichsel, Jan Camenisch, Kristiyan Haralambiev, Milica Milutinovic, Franz-
Stefan Preiss, Tahir Sandikkaya, Stefaan Seys, Dieter Sommer, Bram Verdegem, Pieter
Verhaeghe, Kristof Verslype, and many more. I would explicitly like to thank Markulf
Kohlweiss forthemanyandlongskype-discussionsandthepatienceand helponallthe
questionsIfiredathim.
My thanks further go to the many colleagues I got to know in both KAHO Sint
Lieven and KU Leuven. I am indebted to my colleagues in the MSEC research group,
Faysal Boukayoua, Koen Decroix and Jan Vossaert, for backing me up with food and
entertainment in times of need and helping me to find answers to the many questions I
presentedtothem.
Lastbutdefinitelynotleast,IwouldliketothankmywifeNathalieZoeteforhelpingme
to fulfill my dreams, for giving me supportand advice when things are not going like I
wantthemtogo,andtogetherwithmydaughterAmélie,forbeingthemostimportantin
mylife.
JornLapon,
Ghent,June2012
i

Abstract
Intoday’ssociety,privacyissubjecttoalivelydebate. Thegrowingconnectivityand
new technologies make linking and profiling easier and more accurate. Hence, the
protection of privacybecomesa necessity unless we believe that our privacy is lost.
Therefore,itisimportanttoworkonsolutionsthatcanimproveourprivacy.
Inthisdissertation,westartwithacriticalassessmentofelectronicidentitytechnology
currently deployed, in particular the Belgian electronic identity card. The results
clearly show that the protection of privacy is inadequate, especially when the card
isusedacrossboththepublicandprivatedomains.
Anonymouscredentialsystemspromiseanalternative,supportingprivacyandstrong
authentication. Unfortunately, these credential systems are still mainly a research
topic,andhavenotyetfoundtheirwaytowardsthegeneralpublic.Amajordrawback
of anonymous credential systems is that they are considerably more complex than
the technologiescurrentlyused. In thisdissertation, we providea solutionbased on
mobiledevicesasaplatform,possiblyextendedwithasecureelement,forhostingthe
anonymouscredential system. Another issue with anonymouscredential systems is
thelackofanefficientandpracticalrevocationstrategy. Multipleschemeshavebeen
presented,buttheircomplexityismuchmoreinvolvedthanrevocationschemesused
in traditional PKI-based systems. We present a pragmatic assessment of revocation
schemesforanonymouscredentialschemes, of whichsomehave beenimplemented
asabasisforanindepthevaluation.
Anonymous credential systems are complex systems supporting privacy-friendly
transactions.However,tomakesense,anonymouscredentialsshouldbeaccompanied
by an infrastructurethat supportsprivacy-preservingapplicationsand new protocols
will needto be designed. We analyzehow simulation-basedsecurity modelscan be
appliedforbuildingsuchlargercomplexsystems. We providea numberofbuilding
blocksinordertohelpandguideprotocoldesigners.Asavalidationoftheframework
andofourbuilding-blocks,wemodeltheconceptofObliviousTrustedThirdParties
andpresentanactualimplementation.
iii

Beknopte samenvatting
Vandaag is privacy een veelbesproken onderwerp. Een alsmaar toenemende con-
nectiviteit en het gebruik van nieuwe technologieën zorgen ervoor dat persoonlijke
informatie makkelijk gelinkt kan worden en profielen eenvoudigeren nauwkeuriger
kunnenopgesteldworden.Hetbelangvandebeschermingvandeprivacyisduidelijk.
Hoewelsommigenreedsaannemendatprivacyeenverlorenzaakis,blijfthetsowieso
belangrijkomtewerkenaanoplossingendieonzeprivacykunnenverbeteren.
In dit proefschrift, beginnen we met een kritische beoordelingvan de elektronische
identiteitskaartendiemomenteelreedsingebruikzijngenomen,metinhetbijzonder
de Belgische elektronischeidentiteitskaart. De resultaten laten duidelijk zien dat de
beschermingvandeprivacyonvoldoendeis, vooralwanneerdekaartwordtgebruikt
inzowelhetpubliekealsprivatedomeinen.
Anonieme credential systemen beloven een alternatief. Ze combineren sterke
authenticatie met privacyvriendelijke eigenschappen. Helaas treffen we deze syste-
men nog vooral aan in onderzoekslaboratoria, en hebben deze nog niet hun weg
gevonden naar het grote publiek. Een belangrijk nadeel van anonieme credential
systemen is dat ze aanzienlijk complexer zijn dan de technologieën die momenteel
worden gebruikt. In dit proefschrift demonstreren we een oplossing die gebruik
maakt van mobiele toestellen, eventueel in combinatie met een veilige component,
voor het beheren en gebruiken van de anonieme credentials. Een ander probleem
gerelateerdaan anoniemecredentialsystemen is hetontbrekenvan een efficiënte en
haalbare revocatiestrategie. In de literatuur werden reeds verschillende oplossingen
voorgesteld, maar ze zijn vele malen complexer dan de revocatie strategieën voor
systemen gebaseerdop traditionelePKI-technologieën. We geveneen pragmatische
beoordelingvanderevocatiestrategiënvooranoniemecredentials,waarvaneenaantal
zijngeïmplementeerdalsbasisvooreendiepgaandeevaluatie.
Anoniemecredentialsystemenzijncomplexesystementerondersteuningvanprivacy-
vriendelijke transacties. Echter, het gebruik van anonieme credentials volstaat niet.
Hetisbelangrijkomeennieuweinfrastructuurtevoorzienmetnieuweprotocollenen
v
vi BEKNOPTESAMENVATTING
systemendietoelatenomprivacyvriendelijketoepassingente ontwikkelen. We gaan
nahoeeenraamwerkvoorsimulatiegebaseerdemodellenkanwordentoegepastvoor
hetontwerpenvandergelijkegrotecomplexesystemendieveiligenprivacyvriendelijk
zijn. Wij voorzien een aantal bouwblokken om het modelleren te vereenvoudigen.
Om het raamwerk en onze bouwblokken te valideren modelleren we het concept
’ObliviousTrustedThirdParties’endemonstrerenwehoeditconceptkangerealiseerd
worden.