近似同态加密的 IND/SIM-CPA+ 安全性：对于 CKKS 实际有效的攻击

参考文献：

1. [LM21] Li B, Micciancio D. On the security of homomorphic encryption on approximate numbers[C]//Advances in Cryptology–EUROCRYPT 2021: 40th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Zagreb, Croatia, October 17–21, 2021, Proceedings, Part I 40. Springer International Publishing, 2021: 648-677.
2. [CHK20] Cheon J H, Hong S, Kim D. Remark on the security of ckks scheme in practice[J]. Cryptology ePrint Archive, 2020.
3. [Bel20] M. Bellare. personal communication, December 2020.
4. [DS16] Ducas L, Stehlé D. Sanitization of FHE ciphertexts[C]//Advances in Cryptology–EUROCRYPT 2016: 35th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Vienna, Austria, May 8-12, 2016, Proceedings, Part I 35. Springer Berlin Heidelberg, 2016: 294-310.

CKKS 满足 IND-CPA 安全性，但是并非是 IND-CPA+ 安全的，它在某些 MPC 场景中完全不安全！

Preliminaries

Passive Attacker

由于 FHE 密文的延展性，安全性 IND-CCA2 是不可达的，同时 IND-CCA1 实际中也难以实现，因此让人们往往把 IND-CPA 作为设计目标。

然而，在云计算、MPC 等场景下，敌手可以获得某些消息的解密（访问了受限的解密神谕），这导致敌手的能力实际上没能被 IND-CPA 安全性定义所完全捕获。

我们考虑三方场景（解密者 Alice，服务器 Bob，加密者 Eva）：Alice 生成 $(sk,pk)$，Eva 加密数据 $m$ 发送给 Bob，Bob 收到密文 $ct$ 之后做一定的运算 $f$，将 $c{t}^{\prime }$ 发送给 Alice 解密，最后将 $m^{\prime }$ 发送给 Eva。整个流程中，$m,f$ 可以被 Eva 主动选择（也可以不选择、甚至不知道），$ct,c{t}^{\prime },m^{\prime }$ 可以被 Eva 被动接收（不可以篡改、不可以注入）。

实际上 Eva 是一个被动敌手（passive attacker），其行为如图：

被动敌手可以通过访问 FHE 提供的公开标准接口（legitimate operations）构造出某个 $m^{\ast }$ 对应的 $c{t}^{\prime }$，要求解密神谕（有能力检查 $c{t}^{\prime }$ 确实是合法产生的）回应 $m^{\prime }$，从而可能帮助被动敌手区分密文、甚至私钥恢复。

Approximate Encryption

Raw (R)LWE Encryption Scheme，

• KeyGen：私钥 $s\leftarrow {\chi }_s$，公钥 $(b:=a\cdot s+e,a)$，其中 $a\leftarrow \mathcal{U}({\mathcal{R}}_q)$，$e\leftarrow {\chi }_e$
• Encrypt：简单计算 $c:=u\cdot (b,a)+(m,0)+(e_0,e_1)$，其中 $u\leftarrow {\chi }_r$，$e_0,e_1\leftarrow {\chi }_e$
• Decrypt：简单输出 $m^{\prime }:=⟨s,c⟩(\mathrm{mod}q)$，易知 $m^{\prime }=m+e^{\prime }$

注意上述的加解密不包含编码（纠错码、SIMD 打包），解密就是一个线性运算

1. 如果采取了纠错码（比如 MSD 编码），使满足解密正确性，称之为精确同态方案（Exact），比如 BGV、BFV
2. 如果密文的解密结果不是精确值，称之为近似同态方案（Approximate），比如 CKKS

CKKS 因为没有使用 $\Delta \approx q/t$ 缩放因子，这使得噪声增长速度比 BGV、BFV 慢得多，因此可以执行特别深的电路（而不必自举）

采取 BV 的 tensor 技术，采取 GHS 的 raising the modulus 技术，同态乘法为：

• 预计算：运算秘钥 $evk=(b:=as+e+p{s}^2,a)\in {\mathcal{R}}_{pq}^2$，其中 $a\leftarrow \mathcal{U}({\mathcal{R}}_{pq})$，$e\leftarrow {\chi }_e$

• 在线计算：输入 $c_0,c_1\in {\mathcal{R}}_q^2$，计算多项式乘积并且重线性化，
  $$c=(b_0{b}_1,a_0{b}_1+a_1{b}_0)+\lfloor \frac{[a_0{a}_1{]}_q\cdot evk}{p}\rceil (\mathrm{mod}q)$$

CKKS 选取模数为 $q_l=q_0\cdot p^l$，其中 $p=2$ 是 base，$l$ 是 level，密文 $(c,\Delta ,l)$ 是带标记的，其中的 $\Delta$ 是定点数的缩放因子，SIMD 编码是 $m=Encode(z;\Delta):=\lfloor \phi^{-1}(\Delta \cdot z)\rceil $，映射 $\varphi :\mathcal{R}\to {\mathbb{C}}^{N/2}$ 是典范嵌入，选用 ${\zeta }_{2N}^{4j+1},j\in [N/2]$ 作为根。

为了控制噪声增长速度，使用 Rescaling 技术（就是 BGV 的模切换），
$$RS((c\in {\mathcal{R}}_{q_l}^2,\Delta ,l),l^{\prime })=\left(\lfloor \frac{c}{p^{l-l^{\prime }}}\rceil \in {\mathcal{R}}_{q_{l^{\prime }}}^2,p^{l-l^{\prime }}\Delta ,l^{\prime }\right)$$
CKKS 的线性解密结果为 $m^{\prime }=m+e\in {\mathcal{R}}_q$，其中 $m=\lfloor \phi^{-1}(\Delta \cdot z)\rceil $，最终的输出是近似值 $z^{\prime }=Decode(m^{\prime };\Delta ):=\varphi (m^{\prime }/\Delta )=z+e^{\prime }$

Security Notions

Indistinguishability-Based

[LM21] 首先基于游戏，给出了 IND-CPA+ 的定义，

Simulation-Based

[LM21] 接着基于模拟，给出了 SIM-CPA+ 的定义，

Separations Between Them

易知，IND-CPA+ 立即导致 IND-CPA（它仅访问一次 E，并且不访问 H 和 D），可以证明 IND-CPA+ 是严格强的：

• 对于精确同态加密，[LM21] 证明了 IND-CPA+ 等价于 IND-CPA
• 对于近似同态加密，[LM21] 证明了 IND-CPA+ 严格强于 IND-CPA

可以证明，SIM-CPA+ 导致了 IND-CPA+，并且两者相分离（SIM-CPA+ 严格更强）：

• 对于精确同态加密，[LM21] 证明了 SIM-CPA+ 等价于 IND-CPA+
• 对于近似同态加密，[Bel20] 证明了 SIM-CPA+ 严格强于 IND-CPA+

确切地说，我们定义有界查询数量的变体 $(q,l)$-IND-CPA+ 和 $(q,l)$-SIM-CPA+，它对于任意的受限敌手满足上述 IND-CPA+ 安全定义、SIM-CPA+ 安全定义，除了这里的敌手只能访问至多 $l(\kappa )$ 次 E 和 H 神谕，访问至多 $q(\kappa )$ 次 D 神谕。[LM21] 证明了：对于任意的 $q\ge 2$，都存在 $(q,l)$-SIM-CPA+ 安全，但是 $(q+1,l)$-IND-CPA+ 不安全的近似同态加密。因此，在 IND-CPA 和 IND-CPA+ 之间，存在无限长的安全性（严格）递增的安全性序列。

此外，上述的定义都是适应性的（security with adaptively chosen queries）：敌手可以主动选取不同的查询次数和顺序。我们可以要求敌手在看到 $pk,evk$ 之前就已经确定了它的查询顺序，这就是非适应的（fully non-adaptive model）。[LM21] 证明了非适应安全比适应性安全弱的多：存在近似同态加密方案，它是 SIM-CPA+ 非适应安全的，但不是 $(2,2)$-IND-CPA+ 适应性安全的。

Circuit Privacy and Functional Decryption

Circuit Privacy：电路隐私是说，从 $Enc(m)$ 同态计算出 $Enc(f(x))$，不会泄露 $f$ 的信息。

Functional Decryption：函数解密是说，选取 $f\in \mathcal{L}$，要求 D 神谕回应 $f(Dec(c))$，而非 $m=Dec(c)$ 本身。

[LM21] 简单描述了如何将 IND-CPA+ 以及 SIM-CPA+ 的安全性定义扩展到两者。

Attacks to CKKS

[LM21] 给出了 CKKS 的被动敌手下的私钥恢复攻击（这远比 IND-CPA+ 攻击更强），因此 CKKS 虽然是 IND-CPA 安全，却不是 IND-CPA+ 安全。

Linear Key-Recovery Attack

简单起见，我们考虑对称加密。

如果敌手可以获得密文 $c=(b:=a\cdot s+m+e,a)$ 的解密 $m^{\prime }=m+e$，那么
$$b-m^{\prime }=a\cdot s(\mathrm{mod}q)$$
它是关于 $s$ 的线性方程，

• 对于 LWE-based，只需要收集 $n$ 个线性方程组，就可以求解出 $s$
• 对于 RLWE-based，只要 $a\in {\mathcal{R}}_q$ 可逆，甚至只需要一个方程，就可以计算出 $s=(b-m^{\prime })\cdot a^{-1}$

CKKS 的模数为 $q_l=q_0\cdot 2^l$，导致 $a\in {\mathcal{R}}_q$ 基本都是不可逆的，但依旧可以恢复出 $s$ 的部分信息

Lattice Attack

CKKS 采取了 SIMD 编码，最终的解密结果是 $z^{\prime }=Decode(m^{\prime })$ 而非 $m^{\prime }$ 本身

[LM21] 采取重编码手段，尝试恢复出 $m^{\prime }$

• 如果 $Encode(z^{\prime })=Dec(Enc(m;e))$，那么获得 $m^{\prime }=m+e$ 之后，可以采取上述的线程代数的手段恢复出私钥
• 如果 $Encode(z^{\prime })=Dec(Enc(m;e))+ϵ$，只要 $\Vert ϵ{\Vert }_2\le 2^{-N/2}\cdot (q\sqrt{N}-h),h=HW(s)$，那么使用格基约简求解近似 CVP 问题，依旧可以高效恢复出私钥

在多种 CKKS 的实现中（HEAAN、HElib、SEAL、PALISADE），编码解码过程都是利用 double-precision FFT 完成的。而密文的存储/运算，有些使用 Multi-precision Integer，有些则使用 RNS 系统。总体上，CKKS 的计算精度越高，那么 $ϵ$ 就越小，这导致更加有效的攻击。

Experiments

仅使用线性代数攻击 CKKS，

对于不同实现的攻击结果，

Against IND-CPA+ Attack

最后 [LM21] 建议修改解密函数，不要输出 $m^{\prime }=m+\tilde{e}$（其中的 $\tilde{e}$ 包含了 $sk$ 和 $u,e$ 的信息），而是输出一个近似值（不依赖私钥和随机带）

1. 添加高斯噪声：简单在解密结果上添加高斯噪声，但是敌手可以通过多次解密同一个密文，统计出原本的解密结果
2. 添加确定性噪声：利用 PRF 关于 ct 计算出确定的噪声（强制每个密文至多解密一次），这个类似于噪声洪泛（noise flooding techniques），但是需要超多项式的模数。或者使用 [DS16] 的密文消毒（Sanitization of FHE Ciphertexts，通过 soak-spin-repeat 策略，迭代 Rerandomize、Bootstrapping 滚洗），使用较小的参数达到某个先验的界 $q$-IND-CPA+ 安全
3. 精确解密：选取合适的 $\Delta$ 使得高概率满足 $\lfloor (m+\tilde{e})/\Delta \rceil =\lfloor m/\Delta \rceil$（后者是精确值），输出近似值 $\lfloor (m+\tilde{e})/\Delta \rceil$ 而非 $m+\tilde{e}$ 本身，这似乎是对于 CKKS 更有前途的

[CHK20] 对 HEAAN 做了修改，提供了两种场景下的解密函数，

• Dec：这是原始的解密函数，它提供了 IND-CPA 安全，不允许泄露解密结果给任何人
• DecForShare：对解密结果添加一定的高斯噪声，但是 $B_{ctxt}$ 的规模 [CHK20] 并没有具体给出

[CHK20] 调查了其他几个实现的办法：

• HElib 粗糙地估计各个密文的噪声上界 $B$，然后根据它来添加噪声
• PALISADE 限制明文空间仅使用实部，虚部强行置为 $0$，运算过程中虚部会累积一定的噪声，用它们来估计密文的噪声规模
• Lattigo 要求用户提供期望的输出精度 $b$，然后执行 DecodeAndRound，舍入解码的结果
• SEAL 简单要求用户不要泄露解密结果（躺平了）

但是上述这些都只能缓解问题，重新设计一个更加安全可靠的近似同态加密，仍是个开放问题。