encriptação totalmente homomórfica: introdução ao conceito e cenários de aplicação

A encriptação é geralmente dividida em encriptação estática e encriptação em trânsito. A encriptação estática protege os dados armazenados em dispositivos ou na nuvem, permitindo que apenas pessoas autorizadas acessem o conteúdo descriptografado. A encriptação em trânsito garante que os dados transmitidos pela rede só possam ser interpretados pelo destinatário designado, mesmo que passem por canais públicos, não haverá vazamento.

Estas duas formas de encriptação dependem de algoritmos de encriptação e garantem a integridade dos dados através da encriptação autenticada. No entanto, certos cenários de colaboração entre várias partes exigem um processamento complexo de textos cifrados, o que envolve tecnologias de proteção da privacidade, entre as quais a encriptação totalmente homomórfica (FHE) é uma solução importante.

Tomando como exemplo a votação online, os esquemas de encriptação tradicionais têm dificuldade em realizar a contagem de votos enquanto protegem a privacidade. A tecnologia FHE permite realizar cálculos de funções diretamente sobre o texto cifrado sem a necessidade de o decifrar, protegendo assim a privacidade e permitindo a realização das funcionalidades necessárias.

A FHE é um esquema de encriptação compacto, onde o tamanho do texto cifrado do resultado e a complexidade da decriptação estão relacionados apenas com a entrada original, não sendo afetados pelo processo de cálculo intermediário. É geralmente vista como uma alternativa a ambientes de execução segura como TEE, sendo a segurança baseada em algoritmos criptográficos e não em dispositivos de hardware.

Os sistemas de FHE geralmente incluem vários componentes, como chaves de decriptação, chaves de encriptação e chaves de cálculo. Entre eles, a chave de decriptação é a mais sensível, sendo necessário garantir a eficácia e a segurança de toda a cadeia de operações homomórficas.

Modos de aplicação da FHE

Modelo de terceirização

Este modo transforma a computação em nuvem comum em computação privada semelhante ao SGX e TEE. O proprietário dos dados envia a entrada encriptada ao fornecedor de serviços de nuvem, que realiza o cálculo homomórfico e devolve o resultado encriptado.

Atualmente, o modelo de terceirização FHE é principalmente utilizado em cenários de recuperação de informações privadas (PIR), como quando um cliente consulta informações de um grande banco de dados público sem expor o conteúdo da consulta.

Modo de cálculo de duas partes

Neste modo, a parte calculadora também irá adicionar os seus próprios dados privados ao processo. A encriptação totalmente homomórfica oferece uma solução ideal para cálculos entre duas partes, com a complexidade de comunicação mínima.

As aplicações potenciais incluem o "problema do milionário" na encriptação, onde as partes comparam a riqueza sem revelar valores específicos.

Modo de agregação

Melhorias no modelo de terceirização, agregando os dados de vários participantes de forma compacta e verificável. Casos de uso típicos incluem aprendizagem federada e sistemas de votação online.

Modo cliente-servidor

A extensão do modo de computação de duas partes, o servidor fornece serviços de computação FHE para clientes com múltiplas chaves independentes. Pode ser utilizado para serviços de computação de modelos de IA privados, onde os dados do cliente são encriptados e processados pelo modelo de IA do servidor.

Outros detalhes técnicos sobre a FHE

• Garantir a validade dos resultados de cálculos externos através de métodos como cálculos redundantes ou assinaturas digitais.
• Controlar o alcance da decriptação restringindo o acesso ao texto cifrado intermediário ou à chave de decriptação por meio de compartilhamento secreto
• A FHE, em comparação com a encriptação homomórfica parcial e a encriptação homomórfica hierárquica, suporta qualquer tarefa de cálculo e os parâmetros não aumentam com a complexidade.
• A encriptação totalmente homomórfica precisa de executar operações de auto-inicialização regularmente para controlar o ruído.

A encriptação totalmente homomórfica, como uma poderosa tecnologia de proteção da privacidade, demonstra amplas perspectivas de aplicação em vários campos. Com a contínua otimização de algoritmos e hardware, acredita-se que a FHE desempenhará um papel ainda maior no futuro.