التشفير المتماثل بالكامل: مقدمة عن المفهوم و سيناريوهات التطبيق

تقنيات التشفير عادة ما تنقسم إلى نوعين: التشفير الثابت والتشفير أثناء النقل. التشفير الثابت يحمي البيانات المخزنة على الأجهزة أو السحابة، حيث يمكن فقط للأشخاص المصرح لهم الوصول إلى المحتوى الذي تم فك تشفيره. بينما يضمن التشفير أثناء النقل أن البيانات المنقولة عبر الشبكة يمكن أن تُفسر فقط من قبل المستلم المحدد، حتى لو مرت عبر قنوات عامة، فلن يتم تسريبها.

تعتمد هاتان الطريقتان في التشفير على خوارزميات التشفير، وتضمنان تكامل البيانات من خلال التشفير المعتمد. ومع ذلك، تتطلب بعض سيناريوهات التعاون المتعدد الأطراف معالجة معقدة للنصوص المشفرة، مما ينطوي على تقنيات حماية الخصوصية، حيث يُعتبر التشفير المتماثل بالكامل (FHE) حلاً مهمًا.

خذ التصويت عبر الإنترنت كمثال، حيث يصعب على الأنظمة التقليدية للتشفير تحقيق إحصاء التصويت مع حماية الخصوصية في نفس الوقت. بينما تسمح تقنية التشفير المتماثل بالكامل (FHE) بإجراء حسابات على النصوص المشفرة مباشرة دون فك تشفيرها، مما يحافظ على الخصوصية ويحقق الوظيفة المطلوبة.

FHE هو نوع من أنظمة التشفير المدمجة، حيث يعتمد حجم النص المشفر الناتج وتعقيد فك التشفير فقط على المدخلات الأصلية، ولا يتأثر بعمليات الحساب الوسيطة. وعادة ما يُعتبر بديلاً عن بيئات التنفيذ الآمنة مثل TEE، حيث تعتمد أمانه على الخوارزميات التشفيرية بدلاً من الأجهزة.

عادةً ما يتكون نظام FHE من عدة مكونات، بما في ذلك مفتاح فك التشفير ومفتاح التشفير ومفتاح الحساب. من بين هذه المفاتيح، يعتبر مفتاح فك التشفير الأكثر حساسية، ويجب ضمان فعالية وأمان سلسلة العمليات المتماثلة بأكملها.

أنماط تطبيق التشفير المتماثل بالكامل

نموذج الاستعانة بمصادر خارجية

تحول هذه النموذج الحوسبة السحابية العادية إلى حوسبة خاصة تشبه SGX و TEE. يقوم مالك البيانات بإرسال المدخلات المشفرة إلى مزود خدمة السحاب، الذي يقوم بإجراء التشفير المتماثل ويعيد النتائج المشفرة.

حاليًا، يُستخدم نموذج FHE الخارجي بشكل رئيسي في استرجاع المعلومات الخاصة (PIR)، مثل استعلام العميل عن المعلومات من قاعدة بيانات عامة كبيرة دون الكشف عن محتوى الاستعلام.

نموذج الحساب بين طرفين

في هذا الوضع، سيقوم الطرف الحاسبي أيضًا بإضافة بياناته الخاصة السرية خلال العملية. يوفر التشفير المتماثل بالكامل حلاً مثاليًا للحساب بين طرفين، مع الحد الأدنى من تعقيد الاتصالات.

تشمل التطبيقات المحتملة "مشكلة المليونير" في التشفير، حيث يقارن طرفان ثروتهما دون الكشف عن المبالغ المحددة.

وضع التجميع

تحسين نموذج الاستعانة بمصادر خارجية، من خلال تجميع بيانات عدة مشاركين بطريقة مضغوطة وقابلة للتحقق. تشمل الحالات الاستخدامية النموذجية التعلم الفيدرالي وأنظمة التصويت عبر الإنترنت.

نمط العميل-الخادم

توسيع نمط الحساب الثنائي، حيث يقدم الخادم خدمات حساب FHE لعملاء متعددين بمفاتيح مستقلة. يمكن استخدامه لخدمات حساب نموذج الذكاء الاصطناعي الخاص، حيث تتم معالجة بيانات العميل المشفرة بواسطة نموذج الذكاء الاصطناعي على جانب الخادم.

تفاصيل تقنية أخرى للتشفير المتماثل بالكامل

• التأكد من صحة نتائج الحسابات الخارجية من خلال حسابات زائدة أو توقيع رقمي.
• التحكم في نطاق فك التشفير عن طريق تقييد الوصول إلى النص المشفر الوسيط أو مشاركة مفتاح فك التشفير السري
• التشفير المتماثل بالكامل يدعم أي مهام حسابية مقارنة بالتشفير المتماثل الجزئي والتشفير المتماثل الهرمي، ولا تتزايد المعلمات مع زيادة التعقيد.
• يحتاج FHE إلى تنفيذ عمليات التمهيد بانتظام للتحكم في الضوضاء

التشفير المتماثل بالكامل كونه تقنية قوية لحماية الخصوصية، يظهر آفاق تطبيق واسعة في مجالات متعددة. مع التحسين المستمر في الخوارزميات والأجهزة، نعتقد أن FHE سيلعب دورًا أكبر في المستقبل.