Повністю гомоморфне шифрування: концепція та сфери застосування

Шифрувальні технології зазвичай використовуються для захисту статичних даних та безпеки даних під час передачі. Статичне шифрування зберігає дані у зашифрованому вигляді, доступ до розшифрованого тексту мають лише уповноважені особи. Транспортне шифрування гарантує, що дані, які передаються по мережі, можуть бути розшифровані лише визначеним отримувачем, і навіть якщо вони будуть перехоплені, їх неможливо буде зламати. Обидва ці сценарії залежать від алгоритмів шифрування, а також необхідно забезпечити цілісність даних, щоб запобігти їх підробці.

Для деяких сценаріїв багатосторонньої співпраці потрібно складно обробляти зашифровані дані, що пов'язано з технологіями захисту конфіденційності, повністю гомоморфне шифрування ( FHE ) є одним з них. Наприклад, під час онлайн-голосування виборці шифрують результати голосування, а потім надсилають їх посереднику, який підсумовує всі зашифровані дані, обчислює остаточний результат і оголошує його, але не може бачити окремі голоси.

Традиційні схеми шифрування важко досягти цієї мети, оскільки статистики потрібно розшифрувати всі дані, щоб підрахувати голоси, що може розкрити особисті результати голосування. Апаратні ізоляційні стіни, такі як TEE, можуть забезпечити певний захист, але можуть бути вразливості, які призводять до витоку ключів.

FHE дозволяє безпосередньо виконувати обчислення над шифротекстом, отримуючи зашифровані результати без розшифрування, що захищає конфіденційність. FHE є компактною схемою шифрування, розмір шифротексту виходу та складність розшифровки залежать лише від початкового вводу і не залежать від процесу обчислення. FHE зазвичай розглядається як альтернатива безпечним середовищам, таким як TEE, його безпека базується на криптографічних алгоритмах, а не на апаратному забезпеченні.

Системи FHE зазвичай містять кілька типів ключів:

• Ключ для розшифрування: головний ключ, використовується для розшифрування FHE шифротексту, зазвичай зберігається лише власником.
• Шифрувальний ключ: використовується для перетворення відкритого тексту в зашифрований, у режимі відкритого ключа є публічним.
• Обчислювальний ключ: використовується для гомоморфних операцій над шифротекстом, може бути відкритим, але не може використовуватися для розшифровки.

FHE має кілька поширених моделей застосування:

1. Модель аутсорсингу: передача обчислювальних завдань у хмару, але захист приватності вхідних даних.

2. Модель обчислень двох сторін: обидві сторони вносять конфіденційні дані для обчислень, але не розкривають приватність один одного.

3. Агентна модель: об'єднання даних з кількох сторін, застосовується у федеративному навчанні, онлайн-голосуванні тощо.

4. Клієнт-серверна модель: сервер надає послуги обчислення приватних AI моделей для кількох клієнтів.

FHE може забезпечити правильність результатів обчислень, запроваджуючи перевірку через надмірність, цифровий підпис тощо. Розподілене управління ключами розшифрування може запобігти розшифруванню проміжних результатів. FHE включає часткове гомоморфне шифрування, ієрархічне гомоморфне шифрування та повністю гомоморфне шифрування, з яких повністю гомоморфне шифрування є найпотужнішим, але вимагає періодичного виконання витратних операцій самопідтримки для контролю шуму.