同态加密在联邦计算中的应用

【摘要】 在大数据时代背景下，如何在保护数据安全隐私的前提下充分发挥数据的价值，成了一个亟待解决的问题。同态加密作为实现数据隐私计算的关键技术，在云计算、区块链、隐私计算等领域均存在着广泛的应用需求和一些可行的应用方案。

1 什么是同态加密

同态加密（Homomorphic encryption）是一种加密形式，它允许人们对密文进行特定形式的代数运算得到仍然是加密的结果，将其解密所得到的结果与对明文进行同样的运算结果一样。换言之，这项技术令人们可以对加密的数据进行处理，得出正确的结果，而在整个处理过程中无需对数据进行解密。同态加密的实现效果如图所示。

第一个构造出全同态加密（Fully Homomorphic Encryption）[Gen09]的Craig Gentry给出的定义如下：

A way to delegate processing of your data, without giving away access to it.
    

由上图可以看出，同态加密与一般的加密方案的不同之处在于，它关注的是数据处理安全。同态加密提供了一种对加密数据进行处理的功能。

有点抽象？我们举个实际生活中的例子。有个叫Alice的用户买到了一大块金子，她想让工人把这块金子打造成一个项链。但是工人在打造的过程中有可能会偷金子啊，毕竟就是一克金子也值很多钱的说… 因此能不能有一种方法，让工人可以对金块进行加工（delegate processing of your data），但是不能得到任何金子（without giving away access to it）？当然有办法啦，Alice可以这么做：

• Alice将金子锁在一个密闭的盒子里面，这个盒子安装了一个手套。
• 工人可以带着这个手套，对盒子内部的金子进行处理。但是盒子是锁着的，所以工人不仅拿不到金块，连处理过程中掉下的任何金子都拿不到。
• 加工完成后。Alice拿回这个盒子，把锁打开，就得到了金子。

这个盒子的样子大概是这样的：

这里面的对应关系是：

• 盒子：加密算法
• 盒子上的锁：用户密钥
• 将金块放在盒子里面并且用锁锁上：将数据用同态加密方案进行加密
• 加工：应用同态特性，在无法取得数据的条件下直接对加密结果进行处理
• 开锁：对结果进行解密，直接得到处理后的结果

2 同态加密在联邦计算中的应用

随着区块链、隐私计算等新兴领域的发展及其对隐私保护的更高要求，同态加密也被应用到了更为丰富的领域。华为可信智能计算TICS在联邦数据分析中引入同态加密，以保证计算过程的安全。

引入同态加密之前，TICS采用传统的对称和非对称加密相结合的算法，保证数据传输过程的安全。密文数据到聚合器(aggregator)节点进行多方计算时需要先解密，计算完成后再加密传输出去，实现了数据传输的安全，但是不能保证计算的安全，因此需要引入同态加密。

引入同态加密前的计算过程：

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引入同态加密后的计算过程：

在TICS中使用同态加密

联盟管理页面，管理员开启“高级别隐私保护” 。 当开启之后，sql语句中如果存在Paillier同态加密算法支持的运算， 则该运算会采用同态密文计算，其他的计算过程不变。

创建作业，执行对应sql作业。

执行作业，可以看到TICS系统的DAG图中，展示了同态加密的全部过程。 输出结果与非同态场景一致。

本文由华为云发布