经典同态加密算法Paillier解读 |
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随着云计算和人工智能的兴起,如何安全有效地利用数据,对持有大量数字资产的企业来说至关重要。同态加密,是解决云计算和分布式机器学习中数据安全问题的关键技术,也是隐私计算中,横跨多方安全计算,联邦学习和可信执行环境多个技术分支的热门研究方向。 本文对经典同态加密算法Pailier算法及其相关技术进行介绍,重点分析了Paillier的实现原理和性能优化方案,同时对基于公钥的加密算法中的热门算法进行了横向对比。最后介绍了Paillier算法的一些实际应用。 【关键词】:同态加密,多方安全计算,联邦学习,隐私计算 1 背景知识1.1 同态加密同态加密(Homomorphic Encryption,HE)[1]是将数据加密后,对加密数据进行运算处理,之后对数据进行解密,解密结果等同于数据未进行加密,并进行同样的运算处理。同态加密的概念最初在1978年,由Ron Rivest,Leonard Adleman和Michael L. Dertouzos共同提出,旨在解决在不接触数据的前提下,对数据进行加工处理的问题。 目前,同态加密支持的运算主要为加法运算和乘法运算。按照其支持的运算程度,同态机密分为半同态加密(Partially Homomorphic Encryption, PHE)和全同态加密(Fully Homomorphic Encryption, FHE)。半同态加密在数据加密后只持加法运算或乘法运算中的一种,根据其支持的运算的不同,又称为加法同态加密或乘法同态加密。半同态加密由于机制相对简单,相对于全同态加密技术,拥有着更好的性能。全同态加密对加密后的数据支持任意次数的加法和乘法运算。 1.2 复合剩余类问题如果存在一个数 中国剩余定理(Chinese Remainder Theorem, CRT),又称为孙子定理,源于《孙子算经》,是数论中的一个关于一元线性同余方程组的定理,说明了一元线性同余方程组有解的准则以及求解方法。 有物不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二。问物几何?翻译为数学语言为: 其通用方程为: 中国剩余定理的解法流程为: 在Paillier算法出现之前,基于公钥加密的算法主要有两个分支: 以RSA为代表的,基于大数因数分解难题的公钥加密算法 以ElGama为代表的,基于大数离散对数难题的公钥加密算法 Paillier加密算法,由Pascal Paillier于1999年发表,给出了公钥加密算法的一个新的分支领域。Paillier基于复合剩余类难题,满足加法同态和数乘同态,具有非常高效的运行时性能。 2.2 一个典型的应用场景同态加密算法使得密文数据,在没有额外数据泄露的情况下,可以在第三方平台进行进一步加工处理。随着大规模云计算的兴起,尤其是涉及到敏感数据的云计算,同态加密算法将是其中至关重要的技术基础。我们以一个典型的联邦学习的例子为切入点,看看Paillier算法的原理和在实践中应用的问题。 假设Alice和Bob想共同训练一个网络模型,Alice和Bob各自持有一部分训练数据,并且他们不想把自己的数据泄露给对方。那么在训练期间,Alice和Bob需要交互各自训练的梯度数据,并根据双方的梯度数据,共同计算一个对双方都合适的梯度值,用来执行联合梯度下降过程。 2019年,Ligeng Zhu等人发表的“Deep Leakage from Gradients”论文中给出了一种算法,可以从几次迭代的梯度数据中,推断出训练的数据,标签,模型等一系列隐私信息。这使得在分布式机器学习中,通过传输梯度数据来进联合模型训练变得不再安全。那么如果在梯度数据传输的过程中,传输的是加密后的梯度数据,并且这些加密数据可以进行二次计算,那么便可以规避梯度数据传输过程带来的安全风险。 2.3 Paillier算法2.3.1 密钥生成类似于RSA算法,Paillier也拥有公钥和私钥对。 在上述过程中,Alice总计生成了6个数字: p = 11 q = 19 n = 209 λ = 90 g = 147 μ = 153Alice将 n 和g 封装成公钥 public-key = (n, g)将λ和μ封装成私钥: private-key = (λ, μ) 2.3.2 加密假设Bob需要加密明文m, 0 |
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