Distributed Aggregation of Confidential Data

172 Pages·2017·2.96 MB·English

by  Robert Riemann

Numéro National de Thèse : 2017LYSEN099
THESE de DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE LYON
opérée par
l’Ecole Normale Supérieure de Lyon
Ecole Doctorale N° 512
École Doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon
Discipline : Informatique
Soutenue publiquement le 18/12/2017, par :
Robert RIEMANN
Towards Trustworthy Online Voting:
Distributed Aggregation of Confidential
Data
Confiance dans le vote en ligne :
Agrégation distribuée de données confidentielles
Devant le jury composé de :
Dr. Pascal Lafourcade, Maître de Conférences, Université Clermont Auvergne Rapporteur
Dr. Benjamin Nguyen, Professeur, INSA Centre Val de Loire Rapporteur
Dr. Antoinette Baujard, Professeure, Université Jean Monnet Examinatrice
Dr. Stéphane Frénot, Professeur, INSA Lyon Examinateur
Dr. Stéphane Grumbach, Directeur de Recherche, Inria Directeur de thèse
Dr. Jörg Pohle, Researcher, Humboldt Institute for Internet and Society (Berlin) Invité
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robert riemann
TOWARDS TRUSTWORTHY ONLINE VOTING:
DISTRIBUTED AGGREGATION OF CONFIDENTIAL DATA
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THÈSE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE LYON
opéré par
L’ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE DE LYON
dissertation
Towards Trustworthy Online Voting:
Distributed Aggregation of
Confidential Data
presented by
RobertRiemann
directed by
Dr.StéphaneGrumbach
submitted to
thedoctoralschoolInfoMaths(ED512)inpartialfulfillment
oftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophy
discipline
ComputerScience
date of public defense
18December2017,Lyon
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RobertRiemann:
TowardsTrustworthyOnlineVoting:
DistributedAggregationofConfidentialData
©September2017
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ABSTRACT
Aggregationofvaluesthatneedtobekeptconfidentialwhileguaran-
teeingtherobustnessoftheprocessandthecorrectnessoftheresultis
necessary for an increasing number of applications. Various kinds of
surveys, such as medical ones, opinion polls, referendums, elections,
aswellasnewservicesoftheInternetofThings,suchashomeautoma-
tion, require the aggregation of confidential data. In general, the con-
fidentialityisensuredonthebasisoftrustedthirdpartiesorpromises
of cryptography, whose capacities cannot be assessed without expert
knowledge.
Theambitionofthisthesisistoreducetheneedfortrustinbothau-
thoritiesandtechnologyandexploremethodsforlarge-scaledataag-
gregations,thatensureahighdegreeofconfidentialityandrelyneither
ontrustedthirdpartiesnorsolelyoncryptography.InspiredbyBitTor-
rentandBitcoin,P2Pprotocolsareconsidered.
Thefirstcontributionofthisthesisistheextensionofthedistributed
aggregationprotocolBitBallotwiththeobjectivetocoveraggregations
in P2P networks comprising adversarial peers with fail-stop or Byz-
antine behaviour. The introduced changes allow eventually to main-
tainanaccurateresultinpresenceofanadversarialminority.
Theencounteredscalabilitylimitationsleadtothesecondcontribu-
tion with the objective to support large-scale aggregations. Inspired
by both BitBallot and BitTorrent, a novel distributed protocol called
ADVOKATisproposed.
In both protocols, peers are assigned to leaf nodes of a tree overlay
network which determines the computation of intermediate aggreg-
atesandrestrictstheexchangeofdata.Thepartitionofdataandcom-
putationamonganetworkofequipotentpeerslimitsthepotentialfor
databreachesandreducestheneedfortrustinauthorities.Theproto-
cols provide a middleware layer whose flexibility is demonstrated by
votingandlotteryapplications.
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RESUME
L’agrégation des valeurs qui doivent être gardées confidentielles tout
en garantissant la robustesse du processus et l’exactitude du résultat
est nécessaire pour un nombre croissant d’applications. Divers types
d’enquêtes,tellesquelesexamensmédicaux,lesréférendums,lesélec-
tions, ainsi que les nouveaux services de Internet of Things, tels que la
domotique,nécessitentl’agrégationdedonnéesconfidentielles.Engé-
néral,laconfidentialitéestassuréesurlabasedetiersdeconfianceou
des promesses de cryptographie, dont les capacités ne peuvent être
évaluéessansexpertise.
L’ambitiondecettethèseestderéduirelebesoindeconfiancedans
les autorités, de même que la technologie, et d’explorer les méthodes
d’agrégationsdedonnéesàgrandeéchelle,quigarantissentundegré
élevédeconfidentialitéetnedépendentnidetiersdeconfiancenide
cryptographie.InspiréparBitTorrentetBitcoin,lesprotocolesP2Psont
considérés.
Lapremièrecontributiondecettethèseestl’extensionduprotocole
d’agrégationdistribuéeBitBallotdanslebutdecouvrirlesagrégations
dans les réseaux P2P comprenant des pairs adversaires avec un com-
portementdéfaillantoubyzantin.Leschangementsintroduitspermet-
tentéventuellementdemaintenirunrésultatprécisenprésenced’une
minoritéadversaire.
Leslimitesdescalabilitérencontréesconduisentàladeuxièmecontri-
bution dans le but de soutenir les agrégations à grande échelle. Ins-
piréparBitBallotetBitTorrent,unnouveauprotocoledistribuéappelé
ADVOKATestproposé.
Danslesdeuxprotocoles,lespairssontaffectésauxnoeudsfeuilles
d’un réseau de superposition d’une structure arborescente qui déter-
minelecalculdesagrégatsintermédiairesetrestreintl’échangededon-
nées. La partition des données et du calcul entre un réseau de pairs
équipotentlimitelerisquedeviolationdedonnéesetréduitlebesoin
deconfiancedanslesautorités.Lesprotocolesfournissentunecouche
middleware dont la flexibilité est démontrée par les applications de
voteetdeloterie.
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PUBLICATIONS
The following publications contributed to the work presented in this
dissertation:
Riemann, Robert and Stéphane Grumbach (2017a). ‘Distributed Pro-
tocols at the Rescue for Trustworthy Online Voting’. In: Proc. of
the 3rd International Conference on Information Systems Security and
Privacy (ICISSP). Porto, pp. 499–505. isbn: 978-989-758-209-7. doi:
10.5220/0006228504990505. url: https://hal.inria.fr/hal-
01501424.
— (2017b). ‘Secure and trustable distributed aggregation based on
Kademlia’.In:IFIPAdvancesinInformationandCommunicationTech-
nology.Ed.byF.MartinelliandS.DeCapitanidiVimercati.Vol.502.
Rome:Springer.Chap.12,pp.171–185.isbn:978-3-319-58468-3.doi:
10.1007/978-3-319-58469-0_12. url: https://hal.inria.fr/
hal-01529326.
— (2017c).‘DistributedRandomProcessforalarge-scalePeer-to-Peer
Lottery’. In: Proc. of 17th IFIP Distributed Applications and Interoper-
able Systems. DAIS’17. Neuchâtel: Springer, pp. 34–48. isbn: 978-3-
319-59664-8. doi: 10.1007/978-3-319-59665-5_3. url: https:
//hal.inria.fr/hal-01583824.
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