Mã hóa đồng cấu hoàn toàn: Giới thiệu khái niệm và các tình huống ứng dụng

Công nghệ mã hóa thường được chia thành hai loại: mã hóa tĩnh và mã hóa trong quá trình truyền tải. Mã hóa tĩnh bảo vệ dữ liệu được lưu trữ trên thiết bị hoặc đám mây, chỉ có nhân viên được ủy quyền mới có thể truy cập vào nội dung đã được giải mã. Mã hóa trong quá trình truyền tải đảm bảo rằng dữ liệu được truyền qua mạng chỉ có thể được bên nhận được chỉ định giải mã, ngay cả khi đi qua các kênh công cộng cũng không bị rò rỉ.

Hai phương pháp mã hóa này đều dựa vào thuật toán mã hóa và sử dụng mã hóa xác thực để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. Tuy nhiên, một số tình huống hợp tác đa bên cần xử lý phức tạp đối với bản mã hóa, điều này liên quan đến công nghệ bảo vệ quyền riêng tư, trong đó mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) là một giải pháp quan trọng.

Lấy ví dụ về bỏ phiếu trực tuyến, các giải pháp mã hóa truyền thống khó có thể thực hiện thống kê bỏ phiếu trong khi vẫn bảo vệ quyền riêng tư. Công nghệ FHE cho phép thực hiện tính toán hàm trực tiếp trên văn bản mã hóa mà không cần giải mã, vừa bảo vệ quyền riêng tư vừa thực hiện được chức năng cần thiết.

FHE là một giải pháp mã hóa kiểu gọn, kích thước của bản mã kết quả và độ phức tạp giải mã chỉ liên quan đến đầu vào ban đầu, không bị ảnh hưởng bởi quá trình tính toán trung gian. Nó thường được coi là một giải pháp thay thế cho các môi trường thực thi an toàn như TEE, với tính bảo mật dựa trên các thuật toán mật mã thay vì thiết bị phần cứng.

Hệ thống FHE thường bao gồm một số thành phần như khóa giải mã, khóa mã hóa và khóa tính toán. Trong đó, khóa giải mã là nhạy cảm nhất, cần đảm bảo tính hiệu quả và an toàn của toàn bộ chuỗi thao tác đồng cấu.

Mô hình ứng dụng của FHE

Mô hình thuê ngoài

Chế độ này biến đổi điện toán đám mây thông thường thành điện toán riêng tư tương tự như SGX và TEE. Chủ sở hữu dữ liệu gửi đầu vào đã được mã hóa cho nhà cung cấp dịch vụ đám mây, người sẽ thực hiện tính toán đồng cấu và trả lại kết quả đã được mã hóa.

Hiện tại, mô hình thuê ngoài FHE chủ yếu được sử dụng cho các kịch bản tìm kiếm thông tin riêng tư (PIR), chẳng hạn như khách hàng truy vấn thông tin từ cơ sở dữ liệu công cộng lớn mà không tiết lộ nội dung truy vấn.

Chế độ tính toán hai bên

Trong chế độ này, bên tính toán cũng sẽ thêm dữ liệu riêng tư của mình vào quá trình. Mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) cung cấp giải pháp lý tưởng cho việc tính toán giữa hai bên, với độ phức tạp giao tiếp tối thiểu.

Các ứng dụng tiềm năng bao gồm "vấn đề triệu phú" trong mật mã, tức là hai bên so sánh tài sản mà không tiết lộ số cụ thể.

Chế độ tổng hợp

Cải tiến mô hình thuê ngoài, tập hợp dữ liệu của nhiều người tham gia theo cách chặt chẽ và có thể xác minh. Các trường hợp điển hình bao gồm học liên bang và hệ thống bỏ phiếu trực tuyến.

Chế độ máy khách - máy chủ

Mở rộng mô hình tính toán hai bên, máy chủ cung cấp dịch vụ tính toán FHE cho nhiều khách hàng với các khóa độc lập. Có thể được sử dụng cho dịch vụ tính toán mô hình AI riêng tư, dữ liệu của khách hàng được mã hóa và được xử lý bởi mô hình AI trên máy chủ.

Các chi tiết kỹ thuật khác về Mã hóa đồng cấu hoàn toàn

• Đảm bảo tính hợp lệ của kết quả tính toán bên ngoài thông qua các phương pháp như tính toán dư thừa hoặc chữ ký số.
• Kiểm soát phạm vi giải mã bằng cách hạn chế quyền truy cập vào văn bản mã hóa trung gian hoặc chia sẻ bí mật khóa giải mã
• FHE so với mã hóa đồng cấu một phần và mã hóa đồng cấu phân cấp, có thể hỗ trợ bất kỳ nhiệm vụ tính toán nào và tham số không tăng theo độ phức tạp.
• FHE cần thực hiện các hoạt động tự khởi động định kỳ để kiểm soát tiếng ồn

Mã hóa đồng cấu hoàn toàn như một công nghệ bảo vệ quyền riêng tư mạnh mẽ, đã cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Với sự tối ưu hóa không ngừng của các thuật toán và phần cứng, tin rằng FHE sẽ đóng vai trò lớn hơn trong tương lai.