全同態加密:概念介紹與應用場景

加密技術通常用於保護靜態數據和傳輸中的數據安全。靜態加密將數據加密後存儲,只有授權者可以訪問解密後的明文。傳輸加密確保網路傳輸的數據只能被指定接收方解讀,即使被截獲也無法破解。這兩種場景都依賴加密算法,同時還需保證數據完整性,防止被篡改。

對於某些多方協作場景,需要對密文進行復雜處理,這就涉及到隱私保護技術,全同態加密(FHE)就是其中之一。例如在線上投票中,選民加密投票結果後提交給中間方,後者匯總所有密文計算出最終結果並公布,但無法看到單個投票內容。

傳統加密方案難以實現這一目標,因爲統計者需要解密所有數據才能計票,會暴露個人投票結果。硬件隔離牆如TEE可以提供一定保護,但可能存在漏洞導致密鑰泄露。

FHE允許直接對密文進行函數計算,無需解密即可獲得加密後的計算結果,從而保護隱私。FHE是緊湊型加密方案,輸出結果的密文大小和解密復雜度僅與原始輸入有關,不依賴於計算過程。FHE通常被視爲TEE等安全環境的替代方案,其安全性基於密碼學算法而非硬件。

FHE系統通常包含幾類密鑰:

• 解密密鑰:主密鑰,用於解密FHE密文,通常只由持有者保管。
• 加密密鑰:用於將明文轉爲密文,在公鑰模式下公開。
• 計算密鑰:用於對密文進行同態運算,可公開但不能用於解密。

FHE有幾種常見應用模式:

1. 外包模式:將計算任務外包給雲端,但保護輸入數據隱私。

2. 兩方計算模式:雙方都貢獻私密數據進行計算,但不泄露彼此的隱私。

3. 聚合模式:多方數據聚合,應用於聯邦學習、在線投票等。

4. 客戶端-服務器模式:服務器爲多個客戶端提供私有AI模型計算服務。

FHE可確保計算結果正確性,通過引入冗餘、數字籤名等方式驗證。解密密鑰分散管理可防止中間結果被解密。FHE包括部分同態、分級同態和完全同態加密,其中完全同態加密最爲強大,但需要定期執行代價較高的自舉操作來控制噪聲。