摘要：全同态加密允许在不解密的前提下对密文进行任意操作,为数据“可用不可见”的需求提供了绝佳的解决思路.由于效率和安全性原因,全同态加密的明文空间通常被定义在多项式环或者有限域代数结构上.目前实用化的全同态加密方案分为以BGV、BFV和CKKS为代表的第二代和以FHEW、TFHE为代表的第三代全同态加密方案,其中第二代方案的基础计算类型包括代数加法和代数乘法,而第三代方案的核心计算单元是门自举.但是现实应用涉及的数据类型包含整数、浮点数、复数、矩阵、向量等,函数计算类型包括多项式函数和三角、求逆、比较等各种非多项式函数.因此在应用全同态加密时,必须设计高效的消息编码和函数计算编码以适用于实际计算任务,提高整体运行效率.本文系统地总结了目前第二代全同态加密涉及的消息编码,并分析了一些常用函数在不同全同态加密方案下的的同态计算编码策略,最后对卷积神经网络推理和对称加密算法(AES)两个实例给出了具体分析和测试.

摘要：图像数据库连接外围设备后,容易产生数据泄密或丢失的情况。相关的加密系统受信息隔离效果的影响,导致其存在加密安全性较差,聚合时间过长的问题。为了解决上述问题,设计一种新的图像数据库装载外部数据全同态加密聚合系统。系统硬件由隔离放大器、加密单元和处理器组成。采用IDO-2917型巨磁阻隔离放大器完成信息隔离,利用USB模组和AES加密模组实现数据加密,采用FPGA型处理器进行数据寄存。通过数据滤波预处理、数据特征提取和数据加密聚合实现加密聚合流程。实验结果表明,图像数据库装载外部数据全同态加密聚合系统加密安全性可以达到99%,聚合时间低于2.5 s,具有极好的聚合能力。

摘要：全同态加密(FHE)由于其可以实现隐私数据的计算,大大提高了数据的安全性而在医疗诊断、云计算、机器学习等领域取得了广泛的关注。但是全同态密码高昂的计算代价阻碍了其广泛应用。即使经过算法和软件设计优化,FHE全同态加密中一个整数明文的密文数据规模可以达到56 MByte,端侧生成的密钥最大都会达到11 k Byte。密文以及密钥数据规模过大引起严重的计算和访存瓶颈。存内计算(PIM)是一个解决该问题的有效方案,其完全消除了内存墙的延迟和功耗问题,在端侧计算大规模数据时更具优势。利用存内计算加速全同态计算的工作已经被广泛研究,但是全同态加密端侧的执行过程由于耗时的模运算也面临着执行时间的瓶颈。该文分析了BFV方案加密、解密、密钥生成操作中各个关键算子的计算开销,发现模计算的计算开销平均占比达到了41%,延迟占比中访存占97%,因此,该文提出一个名为魔方派(M^(2)PI)的基于静态随机存取存储器(SRAM)存内计算的模运算加速器设计。实验结果表明,该文所提加速器相比CPU中模计算有1.77倍的计算速度提升以及32.76倍能量的节省。

摘要：当前的电子投票系统大多依赖于中心服务器和可信第三方,这种系统架构增加了投票的安全隐患,甚至使投票可能失败。为了解决这一问题,将区块链技术应用于电子投票系统,使区块链代替可信第三方,提出了一种支持BFV全同态加密的区块链电子投票系统BFV-Blockchainvoting。首先,用一个公开透明的公告板记录选票信息,同时设计了智能合约来实现验证、自计票功能;其次,为进一步提高投票过程的安全可靠性,使用SM2签名算法对投票者的注册信息进行签名处理,再选择能够互相监督的双方共同监管选票,并使用BFV同态加密算法来隐藏计票数据。经过测试与分析,所提系统单张选票的计票时间平均为1.69ms。所提方案可以为投票过程中的不可操纵性、匿名性、可验证性、不可重用性、不可胁迫性和抗量子攻击等安全属性提供保障,适用于多种投票场合,并且可以满足大型投票场景下的高效率需求。

摘要：传统的全同态加密方案仅支持对单一密钥加密的数据计算,无法适应多用户场景下的应用需求,多密钥全同态加密可以对不同密钥(用户)下的密文进行运算,最终密文由所有相关用户联合解密.目前在多密钥全同态加密领域针对BFV加密系统的研究较少,为了将BFV同态加密体制拓展到多密钥应用领域,本文设计了一种基于BFV的多密钥全同态加密方案BFV-MKFHE.本方案以CZW17中基于BGV的MKFHE方案为基础,首先将BGV加密系统的结构修改为BFV的结构,减去了每一层的模数转换环节,简化了算法运算过程;其次在重线性化过程中,构造用户私钥的组合密文来生成计算密钥,并利用模数提高技术来优化重线性化过程,降低了同态运算过程中产生的噪声,提高了计算密钥生成效率;最后通过修改加密过程的取整方式,减少了计算冗余.本方案中完成一次同态乘法解密时产生的噪声值减小为CDKS19方案的1/p,生成计算密钥的密文尺寸与CDKS19方案相同,较CZW17方案和LZY+19方案约减小1/4,且无需对用户私钥的密文进行扩展,运算效率更高.

摘要：区块链产生的成千上万的交易信息数据不断被收集到区块链中,会给区块链网络的计算资源和存储空间造成极大负担。为了解决区块链网络计算资源不足和存储空间有限的问题,我们将边缘计算模式应用于联盟链Hyperledger Fabric系统中,在区块链中设计了基于边缘计算模式的智能合约,以提高区块链的存储空间和运行效率。在此基础上,针对区块链存在的数据和用户身份隐私的风险,提出了基于边缘计算模式的全同态加密智能合约。在执行智能合约过程中,调用了微软的全同态加密SEAL库,边缘节点的身份信息和区块链的交易数据受到全同态加密算法BFV的保护,在保持交易数据可计算性的同时,实现了交易信息和边缘节点身份的隐私保护。最后,经过测试和分析,边缘计算模式下的原型系统在14个边缘节点同时访问时的单节点平均访问时间仅为139.68ms,相比于非边缘计算模式下的原型系统具有更好的性能;相比目前响应较快的加密联盟链系统FabZK,本系统平均用时减少35.84%,相比效率提升55.86%。设计的边缘计算模式下的全同态加密智能合约可以有效提高Hyperledger Fabric系统中网络的运行效率,同时减少了对存储空间的要求,对于实际环境下的区块链部署,具有一定参考价值。

摘要：针对目前基于全同态加密的安全多方计算协议存在的密文尺寸大、效率较低的问题,文中证明了Chen等提出的支持多比特加密的全同态加密方案满足密钥同态性,基于该方案和门限解密设计了一个在公共随机串模型下的3轮交互的高效安全多方计算协议。该协议由非交互的零知识证明可以得出协议在恶意模型下是安全的,其安全性可归结为容错学习问题的变种问题Some-are-errorless LWE。与现有的在CRS模型下的协议相比,该协议支持多比特加密,能有效降低与非门复杂度;同时密文尺寸较小,减少了运算量,从而提高了时间与空间效率。

摘要：大数乘法是全同态加密算法中一个不可或缺的单元模块,也是其中耗时最多的模块,设计一个性能优良的大数乘法器有助于推进全同态加密的实用化进程。针对SSA大数乘法器的实现需求,该文采用可综合Verilog HDL语言完成了一个16×24 bit有限域FFT算法的FPGA设计,通过构建树型大数求和单元和并行化处理方法有效提高了FFT算法的速度。与VIM编译环境下的系统级仿真结果比较,验证了有限域FFT算法FPGA设计的正确性。

摘要：针对当前全同态加密体制公钥尺寸过大、加解密效率低的问题,研究了基于身份的全同态加密体制并设计了相应的全同态加密函数库.首先,基于简单加密算术库中的基础定义和运算,实现了基于身份的全同态加密函数库;然后,给出了整数和字符串转化为明文多项式的编码方式,分析了使用基于身份的全同态加密函数库时的参数选择方法;最后,为用户设计了体制参数的自动生成工具,以满足效率和安全性需求.实验证明,基于身份的全同态加密体制具有密文运算效率高且无须公钥证书的优点,设计的函数库为基于身份的全同态加密体制的实际应用奠定了基础.

摘要：全同态加密可以用来解决云计算环境中的隐私保护问题,然而现有体制具有系统参数大、效率低的缺点.针对现有攻击技术,首先设计了一种高效的NTRU格上的基于身份公钥加密体制,无需借助额外的安全性假设,具有更高的安全性和更小的系统参数.之后,基于近似特征向量技术,构造了一种高效的全同态加密转化方式.通过将以上两种方法结合,给出了一种高效的基于身份全同态加密体制.和现有体制相比,除了不需要计算密钥、实现了真正意义上的基于身份特性以外,还减小了密钥、密文尺寸,提高了计算和传输效率.