Chiffrement homomorphe complet : Introduction au concept et scénarios d'application

Les technologies de chiffrement sont généralement divisées en deux catégories : le chiffrement statique et le chiffrement en transit. Le chiffrement statique protège les données stockées sur un appareil ou dans le cloud, accessibles uniquement aux personnes autorisées pour déchiffrer le contenu. Le chiffrement en transit garantit que les données transmises sur le réseau ne peuvent être interprétées que par le destinataire désigné, même lorsqu'elles passent par des canaux publics, elles ne seront pas divulguées.

Ces deux méthodes de chiffrement reposent sur des algorithmes de chiffrement et garantissent l'intégrité des données par le chiffrement authentifié. Cependant, certains scénarios de collaboration multipartite nécessitent un traitement complexe des données chiffrées, ce qui implique des techniques de protection de la vie privée, parmi lesquelles le chiffrement homomorphe complet (FHE) est une solution importante.

Prenons l'exemple du vote en ligne, les solutions de chiffrement traditionnelles ont du mal à réaliser le comptage des votes tout en protégeant la vie privée. La technologie FHE permet d'effectuer des calculs de fonctions directement sur les données chiffrées sans décryptage, protégeant ainsi la vie privée tout en réalisant les fonctionnalités requises.

Le FHE est un schéma de chiffrement compact, la taille du ciphertext du résultat de sortie et la complexité de déchiffrement ne dépendent que de l'entrée originale et ne sont pas affectées par le processus de calcul intermédiaire. Il est généralement considéré comme une alternative aux environnements d'exécution sécurisés tels que les TEE, la sécurité étant basée sur des algorithmes cryptographiques plutôt que sur des dispositifs matériels.

Un système FHE comprend généralement plusieurs composants, notamment la clé de déchiffrement, la clé de chiffrement et la clé de calcul. Parmi eux, la clé de déchiffrement est la plus sensible, et il est nécessaire d'assurer l'efficacité et la sécurité de l'ensemble de la chaîne d'opérations homomorphiques.

Modes d'application du chiffrement homomorphe complet

Mode de sous-traitance

Ce modèle transforme l'informatique en nuage ordinaire en un calcul privé similaire à SGX et TEE. Le propriétaire des données envoie les entrées chiffrées au fournisseur de services cloud, qui effectue des calculs homomorphiques et renvoie les résultats chiffrés.

Le modèle d'externalisation FHE est principalement utilisé pour les scénarios de recherche d'informations privées (PIR), où le client interroge des informations à partir d'une grande base de données publique sans révéler le contenu de la requête.

Mode de calcul à deux parties

Dans ce mode, la partie calculante ajoutera également ses propres données privées au cours du processus. Le chiffrement homomorphe complet offre une solution idéale pour le calcul à deux parties, avec une complexité de communication minimale.

Les applications potentielles incluent le "problème du millionnaire" en cryptographie, où les deux parties comparent leur richesse sans révéler de montants précis.

Mode agrégé

Amélioration du modèle d'externalisation, en agrégeant les données de plusieurs participants de manière compacte et vérifiable. Les cas d'utilisation typiques incluent l'apprentissage fédéré et les systèmes de vote en ligne.

Mode client-serveur

Extension du modèle de calcul à deux parties, le serveur fournit des services de calcul FHE pour plusieurs clients disposant de clés indépendantes. Cela peut être utilisé pour des services de calcul de modèles d'IA privés, où les données des clients sont traitées par le modèle d'IA du serveur après chiffrement.

Autres détails techniques sur le chiffrement homomorphe complet

• Assurer la validité des résultats de calcul externes par des méthodes telles que le calcul redondant ou la signature numérique.
• Contrôler la portée de déchiffrement en limitant l'accès aux textes chiffrés intermédiaires ou en partageant secrètement la clé de déchiffrement.
• Le FHE, par rapport au chiffrement homomorphique partiel et au chiffrement homomorphique à niveaux, peut prendre en charge n'importe quelle tâche de calcul et ses paramètres ne croissent pas avec la complexité.
• Le FHE nécessite d'effectuer régulièrement des opérations de bootstrap pour contrôler le bruit.

Le chiffrement homomorphe complet, en tant que technologie puissante de protection de la vie privée, présente de vastes perspectives d'application dans de nombreux domaines. Avec l'optimisation constante des algorithmes et du matériel, on croit que le FHE jouera un rôle encore plus important à l'avenir.