IBM 的同態(tài)加密技術(shù)將速度提升 75 倍

　　它讓你可以處理加密數(shù)據(jù)，無需將加密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成明文數(shù)據(jù)、再轉(zhuǎn)換回成密文數(shù)據(jù)。

　　同態(tài)加密是一種用于在不解密的情況下處理加密數(shù)據(jù)的技術(shù)。這將使敏感數(shù)據(jù)處理變得極其安全：比如說，公司可以加密托管在云端的數(shù)據(jù)庫(kù)，無需將記錄轉(zhuǎn)換回成明文，就可以處理記錄。

　　IBM 研究同態(tài)加密已有一些年頭，它在三年前發(fā)布了 HElib C++ 庫(kù)的***個(gè)版本，但該技術(shù)始終存在性能開銷大的問題。

　　在同態(tài)加密的***克雷格·金特里（Craig Gentry）的帶領(lǐng)下，IBM ***研發(fā)的同態(tài)加密技術(shù)其運(yùn)行速度比明文操作慢“100 萬(wàn)億倍”。后來在一臺(tái) 16 核服務(wù)器上運(yùn)行，速度加快了 200 萬(wàn)倍。

　　因此，藍(lán)色巨人繼續(xù)完善 HElib。在 GitHub 上發(fā)布的***版本（https://github.com/shaih/HElib）“重新實(shí)施了同態(tài)線性變換”，因而提升了性能，結(jié)果速度提高了 15 倍到 75 倍。

　　在國(guó)際密碼學(xué)研究協(xié)會(huì)上展示的這篇論文（見文末）中，IBM 的謝·哈勒維（Shai Halevi）和維克多·舒普（Victor Shoup，后者還供職于紐約大學(xué)）解釋了他們?nèi)绾翁岣咚俣取?/p>

　　他們寫道：“在目前 HElib 中采用的線性變換算法中，大部分時(shí)間花在了在加密矢量（encrypted vector）中的時(shí)隙（slot）之間傳輸數(shù)據(jù)。”

　　這是通過“特殊的自同構(gòu)”（automorphism，一種將對(duì)象映射到自身的數(shù)學(xué)操作）來完成的，計(jì)算成本來自自同構(gòu)要完成多少次循環(huán)。

　　論文寫道：“將這種自同構(gòu)運(yùn)用于密文的主要成本實(shí)際上是‘密鑰交換’的成本：我們將自同構(gòu)運(yùn)用于密文中的每個(gè)環(huán)元素上（這實(shí)際上是成本很低的操作）后，最終得到了相對(duì)于“錯(cuò)誤”密鑰的加密；通過使用這個(gè)特定自同構(gòu)所特有的公鑰中的數(shù)據(jù)（即所謂的“密鑰交換矩陣”），我們就可以將密文轉(zhuǎn)換回成相對(duì)于‘正確’密鑰的加密。”

　　“所以提高性能的主要目標(biāo)是，減少自同構(gòu)的數(shù)量，并降低每個(gè)自同構(gòu)的成本。”

　　用更通俗的話來說，新的庫(kù)采用了一種新的策略來計(jì)算那些自同構(gòu)（速度提高了 15 倍到 20 倍）；研究人員重構(gòu)了許多必要的計(jì)算；一些計(jì)算被移出了庫(kù)的主循環(huán)（速度提高了 6 倍到 20 倍）。

　　由于上述的密鑰交換矩陣，為同態(tài)加密構(gòu)建公鑰的方式同樣開銷很大。每個(gè)矩陣為公鑰添加了幾兆字節(jié)，而在 HElib 中，一個(gè)公鑰中可能有幾百個(gè)這樣的矩陣。研究人員表示，針對(duì)常見操作，他們能夠?qū)⒕仃嚨拇笮】s小 33% 至 50%。

　　HElib 仍然是一個(gè)研究性質(zhì)的項(xiàng)目。正如 GitHub 頁(yè)面所述：“在現(xiàn)階段，這個(gè)庫(kù)主要面向研究 HE 及其用途的研究人員。目前它還相當(dāng)?shù)图?jí)，***把它看成是‘面向 HE 的匯編語(yǔ)言’。也就是說，它提供了低級(jí)例程（set、add、multiply 和 shift 等），為優(yōu)化提供了盡可能多的途徑。但愿最終我們能夠提供更高級(jí)的例程。”