полностью гомоморфное шифрование: Концепция и сценарии применения

Технология шифрования обычно делится на статическое шифрование и шифрование во время передачи. Статическое шифрование защищает данные, хранящиеся на устройстве или в облаке, и только уполномоченные лица могут получить доступ к расшифрованному содержимому. Шифрование во время передачи гарантирует, что данные, передаваемые по сети, могут быть интерпретированы только указанным получателем, и даже при передаче через общие каналы не будут раскрыты.

Оба этих метода шифрования зависят от алгоритмов шифрования и используют сертифицированное шифрование для обеспечения целостности данных. Однако в некоторых сценариях многопользовательского сотрудничества требуется сложная обработка зашифрованных данных, что связано с технологиями защиты конфиденциальности, среди которых полностью гомоморфное шифрование ( FHE ) является важным решением.

В качестве примера онлайн-голосования традиционные схемы шифрования с трудом могут обеспечить защиту конфиденциальности и при этом осуществить подсчет голосов. В то же время технология полностью гомоморфного шифрования позволяет выполнять вычисления функций непосредственно над шифротекстом без расшифровки, тем самым обеспечивая защиту конфиденциальности и выполняя необходимые функции.

FHE является компактной схемой шифрования, размер зашифрованного результата и сложность расшифровки зависят только от исходного ввода и не подвержены влиянию промежуточных вычислений. Обычно его рассматривают как альтернативу безопасным средам выполнения, таким как TEE, безопасность которых основана на криптографических алгоритмах, а не на аппаратных устройствах.

Система FHE обычно включает в себя несколько компонентов: ключи расшифровки, шифрования и вычислений. При этом ключ расшифровки является наиболее чувствительным и необходимо обеспечить эффективность и безопасность всей цепочки гомоморфных операций.

Применение FHE

Аутсорсинг

Данная модель превращает обычные облачные вычисления в конфиденциальные вычисления, аналогичные SGX и TEE. Владельцы данных отправляют зашифрованный ввод облачному поставщику услуг, который выполняет гомоморфное шифрование и возвращает зашифрованный результат.

В настоящее время модель внешнего хранилища FHE в основном используется в сценах частного информационного поиска (PIR), таких как клиенты, запрашивающие информацию из крупных общедоступных баз данных, не раскрывая содержание запроса.

Двухсторонний вычислительный режим

В этом режиме вычислительная сторона также будет добавлять свои конфиденциальные данные в процесс. Полностью гомоморфное шифрование предоставляет идеальное решение для вычислений между двумя сторонами с минимальной сложностью связи.

Потенциальные применения включают "проблему миллионера" в криптографии, то есть стороны сравнивают богатство, не раскрывая конкретные суммы.

Аггрегационный режим

Улучшение модели аутсорсинга для агрегирования данных нескольких участников компактным и проверяемым способом. Типичные примеры использования включают федеративное обучение и онлайн-голосование.

Клиент-серверная модель

Расширение модели вычислений для двух сторон, сервер предоставляет услуги вычислений FHE для клиентов с несколькими независимыми ключами. Может использоваться для вычислительных услуг частных AI моделей, данные клиентов шифруются и обрабатываются моделью AI на стороне сервера.

Другие технические детали FHE

• Обеспечение действительности результатов внешних вычислений с помощью избыточных расчетов или цифровой подписи.
• Контроль области расшифровки путем ограничения доступа к промежуточным шифрованным данным или секретному ключу расшифровки
• FHE по сравнению с частичным гомоморфным шифрованием и уровневым гомоморфным шифрованием может поддерживать любые вычислительные задачи и параметры не растут с увеличением сложности.
• FHE требует периодического выполнения операций самозагрузки для контроля шума

Полностью гомоморфное шифрование как мощная технология защиты конфиденциальности демонстрирует широкие перспективы применения в различных областях. С учетом постоянной оптимизации алгоритмов и аппаратного обеспечения, можно ожидать, что FHE сыграет еще большую роль в будущем.