encriptación completamente homomórfica: introducción al concepto y escenarios de aplicación

La encriptación se utiliza comúnmente para proteger la seguridad de los datos estáticos y de los datos en tránsito. La encriptación estática almacena los datos encriptados, y solo los autorizados pueden acceder al texto plano desencriptado. La encriptación en tránsito asegura que los datos transmitidos por la red solo puedan ser interpretados por el destinatario designado, incluso si son interceptados, no se pueden descifrar. Ambos escenarios dependen de algoritmos de encriptación, y también deben garantizar la integridad de los datos para evitar alteraciones.

Para ciertos escenarios de colaboración múltiple, es necesario realizar un procesamiento complejo sobre los datos encriptados, lo que implica tecnologías de protección de la privacidad, la encriptación completamente homomórfica ( FHE ) es una de ellas. Por ejemplo, en una votación en línea, los votantes encriptan los resultados de su voto y los envían a un intermediario, quien recopila todos los datos encriptados, calcula el resultado final y lo publica, pero no puede ver el contenido de cada voto individual.

Los esquemas de encriptación tradicionales tienen dificultades para lograr este objetivo, ya que los estadísticos necesitan desencriptar todos los datos para contar los votos, lo que expone los resultados de votación de las personas. Las paredes de aislamiento de hardware como TEE pueden ofrecer cierta protección, pero pueden existir vulnerabilidades que provoquen la filtración de claves.

FHE permite realizar cálculos de funciones directamente sobre el texto cifrado, obteniendo así los resultados de los cálculos encriptados sin necesidad de desencriptar, lo que protege la privacidad. FHE es un esquema de encriptación compacto, el tamaño del texto cifrado del resultado de salida y la complejidad de desencriptación dependen únicamente de la entrada original, sin depender del proceso de cálculo. FHE se considera generalmente como una alternativa a entornos seguros como TEE, su seguridad se basa en algoritmos criptográficos en lugar de hardware.

Los sistemas de FHE generalmente incluyen varias clases de claves:

• Clave de descifrado: clave maestra, utilizada para descifrar el texto cifrado FHE, normalmente solo es custodiada por el propietario.
• encriptación clave: utilizada para convertir texto en claro a texto cifrado, se publica en modo de clave pública.
• Clave de cálculo: utilizada para realizar operaciones homomórficas en el texto cifrado, puede ser pública pero no puede ser utilizada para desencriptar.

FHE tiene varios modos de aplicación comunes:

1. Modelo de externalización: externalizar las tareas de cálculo a la nube, pero proteger la privacidad de los datos de entrada.

2. Modo de cálculo de dos partes: ambas partes contribuyen con datos privados para el cálculo, pero no revelan la privacidad de cada una.

3. Modo de agregación: agregación de datos de múltiples partes, aplicable al aprendizaje federal, votación en línea, etc.

4. Modo cliente-servidor: el servidor proporciona servicios de cálculo de modelos de IA privados para múltiples clientes.

FHE puede garantizar la corrección de los resultados del cálculo, verificando a través de la introducción de redundancia, firmas digitales, entre otros métodos. La gestión descentralizada de la clave de descifrado puede evitar que los resultados intermedios sean descifrados. FHE incluye encriptación parcialmente homomórfica, encriptación homomórfica jerárquica y encriptación completamente homomórfica, siendo esta última la más poderosa, pero requiere realizar operaciones de autoarranque de alto costo periódicamente para controlar el ruido.