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

Công nghệ mã hóa thường được sử dụng để bảo vệ dữ liệu tĩnh và dữ liệu trong quá trình truyền tải. Mã hóa tĩnh lưu trữ dữ liệu đã được mã hóa, chỉ có những người được ủy quyền mới có thể truy cập vào văn bản rõ sau khi giải mã. Mã hóa truyền tải đảm bảo rằng dữ liệu được truyền qua mạng chỉ có thể được bên nhận chỉ định giải mã, ngay cả khi bị chặn cũng không thể bị phá vỡ. Cả hai tình huống này đều phụ thuộc vào thuật toán mã hóa, đồng thời cũng cần đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu, ngăn chặn việc bị sửa đổi.

Đối với một số tình huống hợp tác nhiều bên, cần phải xử lý phức tạp các văn bản mã hóa, điều này liên quan đến công nghệ bảo vệ quyền riêng tư, mã hóa đồng cấu hoàn toàn ( FHE ) là một trong số đó. Ví dụ, trong cuộc bỏ phiếu trực tuyến, cử tri mã hóa kết quả bỏ phiếu sau đó gửi cho bên trung gian, bên này tổng hợp tất cả các văn bản mã hóa để tính toán kết quả cuối cùng và công bố, nhưng không thể nhìn thấy nội dung từng phiếu bầu.

Các giải pháp mã hóa truyền thống khó có thể đạt được mục tiêu này, vì những người thống kê cần giải mã tất cả dữ liệu để kiểm phiếu, điều này sẽ tiết lộ kết quả bỏ phiếu cá nhân. Tường cách ly phần cứng như TEE có thể cung cấp một mức độ bảo vệ nhất định, nhưng có thể tồn tại lỗ hổng dẫn đến rò rỉ khóa.

FHE cho phép thực hiện tính toán hàm trực tiếp trên văn bản mã hóa, mà không cần giải mã để có được kết quả tính toán đã được mã hóa, từ đó bảo vệ quyền riêng tư. FHE là một giải pháp mã hóa kiểu gọn, kích thước của văn bản mã hóa kết quả đầu ra và độ phức tạp giải mã chỉ liên quan đến đầu vào ban đầu, không phụ thuộc vào quá trình tính toán. FHE thường được coi là một giải pháp thay thế cho các môi trường an toàn như TEE, với độ an toàn dựa trên các thuật toán mật mã thay vì phần cứng.

Hệ thống FHE thường bao gồm một số loại khóa:

• Khóa giải mã: Khóa chính, được sử dụng để giải mã văn bản mã hóa FHE, thường chỉ được giữ bởi người sở hữu.
• Mã hóa khóa: dùng để chuyển đổi văn bản rõ thành văn bản mã, công khai trong chế độ khóa công.
• Khóa tính toán: được sử dụng để thực hiện các phép toán đồng cấu trên văn bản mã hóa, có thể công khai nhưng không thể sử dụng để giải mã.

FHE có một số mô hình ứng dụng phổ biến:

1. Mô hình thuê ngoài: Giao nhiệm vụ tính toán cho đám mây, nhưng bảo vệ quyền riêng tư của dữ liệu đầu vào.

2. Chế độ tính toán hai bên: Cả hai bên đều đóng góp dữ liệu riêng tư để tính toán, nhưng không tiết lộ quyền riêng tư của nhau.

3. Chế độ tổng hợp: Tập hợp dữ liệu từ nhiều bên, áp dụng trong học liên bang, bỏ phiếu trực tuyến, v.v.

4. Mô hình khách hàng - máy chủ: Máy chủ cung cấp dịch vụ tính toán mô hình AI riêng cho nhiều khách hàng.

FHE có thể đảm bảo tính chính xác của kết quả tính toán, thông qua việc giới thiệu các phương pháp như dư thừa, chữ ký số để xác minh. Quản lý phân tán khóa giải mã có thể ngăn chặn việc giải mã các kết quả trung gian. FHE bao gồm mã hóa đồng cấu một phần, mã hóa đồng cấu theo cấp bậc và mã hóa đồng cấu hoàn toàn, trong đó mã hóa đồng cấu hoàn toàn mạnh mẽ nhất, nhưng cần thực hiện định kỳ các thao tác tự khởi động có chi phí cao để kiểm soát tiếng ồn.