Seal库官方示例（三）：levels.cpp解析

这代码主要讲的是modulus switching这个东西，简单来说功能就是用来缩减密文噪声的。这个应该是BGV方案里的，但是官方给的例子却是BFV的，BFV里面没有这个过程，它是把模切换内嵌到了乘法运算里面。代码的最后最后面说了BFV可以不用设置模数链，那么它自带的乘法相关运算应该是自带了模切换。（个人感觉这篇代码应该用BGV来举例更好，BFV效果不明显，代码后面也说了。。。应该是和SEAL库最初是没有BGV代码有关，它是后面添加的）

当SEALContext被创建的时候，SEAL库将会自动生成一条模交换链，模交换链中的参数和原始参数是一样的，区别在于模数会减小，每一层将会去掉模数链的最后一个模数，直到模数链不可用。每个模数链中的参数集都有自己的唯一索引，可以随时获取，索引值越大，代表它越位于链的前面。

首先是参数设置

EncryptionParameters parms(scheme_type::bfv);

size_t poly_modulus_degree = 8192;
parms.set_poly_modulus_degree(poly_modulus_degree);
parms.set_coeff_modulus(CoeffModulus::Create(poly_modulus_degree, { 50, 30, 30, 50, 50 }));
parms.set_plain_modulus(PlainModulus::Batching(poly_modulus_degree, 20));//only for bfv

SEALContext context(parms);
print_parameters(context);
cout << endl;

模数链的顺序很重要，最后一个素数被称为special prime，因为所有的密钥对象都是在这个最高level创建的，而所有数据对象只能在低level。一个非严格的要求就是，special prime应该与coeff_modules中其他质数中最大的一样大。（咱也不知道为啥）

参数输出结果

获取模交换链数据信息的方法
SEALContext::key_context_data(): access to key level ContextData
SEALContext::first_context_data(): access to highest data level ContextData
SEALContext::last_context_data(): access to lowest level ContextData

打印模交换链数据信息，共5层（4-0）
第一段key level

print_line(__LINE__);
cout << "Print the modulus switching chain." << endl;
auto context_data = context.key_context_data();
cout << "----> Level (chain index): " << context_data->chain_index();
cout << " ...... key_context_data()" << endl;
cout << "      parms_id: " << context_data->parms_id() << endl;
cout << "      coeff_modulus primes: ";
cout << hex;
for (const auto &prime : context_data->parms().coeff_modulus())
{
    cout << prime.value() << " ";
}
cout << dec << endl;
cout << "\\" << endl;
cout << " \\-->";

长这样，主要是参数集的ID和模数

剩下的data level

context_data = context.first_context_data();
while (context_data)
{
    cout << " Level (chain index): " << context_data->chain_index();
    if (context_data->parms_id() == context.first_parms_id())
    {
        cout << " ...... first_context_data()" << endl;
    }
    else if (context_data->parms_id() == context.last_parms_id())
    {
        cout << " ...... last_context_data()" << endl;
    }
    else
    {
        cout << endl;
    }
    cout << "      parms_id: " << context_data->parms_id() << endl;
    cout << "      coeff_modulus primes: ";
    cout << hex;
    for (const auto &prime : context_data->parms().coeff_modulus())
    {
        cout << prime.value() << " ";
    }
    cout << dec << endl;
    cout << "\\" << endl;
    cout << " \\-->";

    /*
    Step forward in the chain.
    */
    context_data = context_data->next_context_data();
}

长这样，可以看到模数链在逐层变小，每次去掉最末尾的一个模数。

在创建密钥的时候会调用到key level的参数，下面的代码，创建了密钥并看看是否调用的那些参数

KeyGenerator keygen(context);
auto secret_key = keygen.secret_key();
PublicKey public_key;
keygen.create_public_key(public_key);
RelinKeys relin_keys;
keygen.create_relin_keys(relin_keys);

print_line(__LINE__);
cout << "Print the parameter IDs of generated elements." << endl;
cout << "    + public_key:  " << public_key.parms_id() << endl;
cout << "    + secret_key:  " << secret_key.parms_id() << endl;
cout << "    + relin_keys:  " << relin_keys.parms_id() << endl;

对比前面的key level的参数集id，是一样的，说明确实调用了。

BFV的明文没有调用参数集，但是密文调用了

Encryptor encryptor(context, public_key);
Evaluator evaluator(context);
Decryptor decryptor(context, secret_key);
Plaintext plain("1x^3 + 2x^2 + 3x^1 + 4");
Ciphertext encrypted;
encryptor.encrypt(plain, encrypted);
cout << "    + plain:       " << plain.parms_id() << " (not set in BFV)" << endl;
cout << "    + encrypted:   " << encrypted.parms_id() << endl << endl;

模交换功能就是减小同态运算带来的噪声，其操作是密文运算中将自己所用的参数集切换到下一个level的参数，以进行下一层的计算，这个功能不可逆，也就是不能向上切换，只能向下切换。因为，每一层都少了一个模数，假定上一个是$Q$，下一层是$Q^{\prime }$,那么模切换的操作实质就是密文乘以了$Q^{\prime }/Q$也就是$1/q_i$，对应噪声也乘以了这么多，就达到了减小噪声的目的。库中提供的函数如下，
Evaluator::mod_switch_to_next：切换到下一层
Evaluator::mod_switch_to：可以切换参数id进行交换
下面的代码展示了每一层data level的模数切换情况

print_line(__LINE__);
cout << "Perform modulus switching on encrypted and print." << endl;
context_data = context.first_context_data();
cout << "---->";
while (context_data->next_context_data())
{
    cout << " Level (chain index): " << context_data->chain_index() << endl;
    cout << "      parms_id of encrypted: " << encrypted.parms_id() << endl;
    cout << "      Noise budget at this level: " << decryptor.invariant_noise_budget(encrypted) << " bits" << endl;
    cout << "\\" << endl;
    cout << " \\-->";
    evaluator.mod_switch_to_next_inplace(encrypted);
    context_data = context_data->next_context_data();
}
cout << " Level (chain index): " << context_data->chain_index() << endl;
cout << "      parms_id of encrypted: " << encrypted.parms_id() << endl;
cout << "      Noise budget at this level: " << decryptor.invariant_noise_budget(encrypted) << " bits" << endl;
cout << "\\" << endl;
cout << " \\-->";
cout << " End of chain reached" << endl << endl;

结果如下，可以看到每一层的ID都是对应了上面data level的参数id，每一层的噪声预算也在减少

看起来啥也没做，单单是切换一下层数，噪声预算就被消耗了？前面的文章说了，多项式系数模越大，计算能力就越强，计算能力的体现就在噪声运算上。这里的模减小了。
噪声预算不为0，解密正确

print_line(__LINE__);
cout << "Decrypt still works after modulus switching." << endl;
decryptor.decrypt(encrypted, plain);
cout << "    + Decryption of encrypted: " << plain.to_string();
cout << " ...... Correct." << endl << endl;

未使用模切换，计算密文的2次幂，4次幂。

cout << "Computation is more efficient with modulus switching." << endl;
print_line(__LINE__);
cout << "Compute the 8th power." << endl;
encryptor.encrypt(plain, encrypted);
cout << "    + Noise budget fresh:                   " << decryptor.invariant_noise_budget(encrypted) << " bits"
     << endl;
evaluator.square_inplace(encrypted);
evaluator.relinearize_inplace(encrypted, relin_keys);
cout << "    + Noise budget of the 2nd power:         " << decryptor.invariant_noise_budget(encrypted) << " bits"
     << endl;
evaluator.square_inplace(encrypted);
evaluator.relinearize_inplace(encrypted, relin_keys);
cout << "    + Noise budget of the 4th power:         " << decryptor.invariant_noise_budget(encrypted) << " bits"
     << endl;

使用了模切换后计算第8次幂

evaluator.mod_switch_to_next_inplace(encrypted);
cout << "    + Noise budget after modulus switching:  " << decryptor.invariant_noise_budget(encrypted) << " bits"
     << endl;
evaluator.square_inplace(encrypted);
evaluator.relinearize_inplace(encrypted, relin_keys);
cout << "    + Noise budget of the 8th power:         " << decryptor.invariant_noise_budget(encrypted) << " bits"
     << endl;
evaluator.mod_switch_to_next_inplace(encrypted);
cout << "    + Noise budget after modulus switching:  " << decryptor.invariant_noise_budget(encrypted) << " bits"
     << endl;
decryptor.decrypt(encrypted, plain);
cout << "    + Decryption of the 8th power (hexadecimal) ...... Correct." << endl;
cout << "    " << plain.to_string() << endl << endl;

结果如下，

可以看到BFV中应用模交换没有什么影响，这意味着，在做了足够的计算后，降低一些系数根本没有坏处。在某些情况下，也就是密文计算不需要更多的噪声运算时，我们可以稍微提前切换到较低的级别以加快计算。解密是可以在任意层进行解密的，层数越低，模数越低，计算速度就越快。

另外，BFV中，modulus switching不是必须的，在BFV方案里把这个操作近似的放进了乘法运算中，那么也就不需要太长的模数切换链，可以通过设置改变，使其只生成前两层，也就是key level和highest data level（所以我说其实应该拿BGV来举例的）

context = SEALContext(parms, false);

打印一下看看

cout << "Optionally disable modulus switching chain expansion." << endl;
print_line(__LINE__);
cout << "Print the modulus switching chain." << endl;
cout << "---->";
for (context_data = context.key_context_data(); context_data; context_data = context_data->next_context_data())
{
    cout << " Level (chain index): " << context_data->chain_index() << endl;
    cout << "      parms_id: " << context_data->parms_id() << endl;
    cout << "      coeff_modulus primes: ";
    cout << hex;
    for (const auto &prime : context_data->parms().coeff_modulus())
    {
        cout << prime.value() << " ";
    }
    cout << dec << endl;
    cout << "\\" << endl;
    cout << " \\-->";
}
cout << " End of chain reached" << endl << endl;

这就没有生成后续的链。

BGV里是需要的，ckks里面用的是重缩放，但原理基本类似。