Mã hóa đồng cấu hoàn toàn: Nguyên lý và các kịch bản ứng dụng

Mã hóa thường được chia thành hai loại: mã hóa tĩnh và mã hóa trong quá trình truyền tải. Mã hóa tĩnh sẽ lưu trữ dữ liệu đã được mã hóa trên thiết bị phần cứng hoặc máy chủ đám mây, chỉ những người được ủy quyền mới có thể xem nội dung đã được giải mã. Mã hóa trong quá trình truyền tải đảm bảo rằng dữ liệu được truyền qua Internet chỉ có thể được các bên nhận được chỉ định giải mã. Cả hai loại mã hóa này đều phụ thuộc vào thuật toán mã hóa và được đảm bảo tính toàn vẹn và bí mật của dữ liệu thông qua mã hóa xác thực.

Tuy nhiên, một số kịch bản hợp tác đa phương cần xử lý phức tạp đối với văn bản mã hóa, điều này thuộc phạm vi công nghệ bảo vệ quyền riêng tư, trong đó mã hóa đồng cấu hoàn toàn (FHE) là một giải pháp quan trọng. Lấy ví dụ về bỏ phiếu trực tuyến, cử tri sẽ nộp kết quả bỏ phiếu đã được mã hóa cho bên thống kê, bên này cần thống kê ra kết quả cuối cùng mà không cần giải mã. Các giải pháp mã hóa truyền thống khó có thể thực hiện tính toán phức tạp này trong khi bảo vệ quyền riêng tư.

Để giải quyết các vấn đề như vậy, mã hóa đồng cấu hoàn toàn đã ra đời. FHE cho phép thực hiện tính toán hàm trực tiếp trên văn bản mã hóa mà không cần giải mã, từ đó nhận được kết quả mã hóa của đầu ra hàm, bảo vệ quyền riêng tư. Trong FHE, cấu trúc toán học của hàm là công khai, toàn bộ quá trình xử lý có thể được thực hiện trên đám mây mà không làm lộ quyền riêng tư. Đầu vào và đầu ra đều là văn bản mã hóa, cần khóa để giải mã.

FHE là một phương án mã hóa kiểu gọn, kích thước của bản mã kết quả và khối lượng công việc giải mã chỉ phụ thuộc vào bản rõ ban đầu, không phụ thuộc vào quy trình tính toán cụ thể. Điều này khác với hệ thống mã hóa không gọn đơn giản kết nối đầu vào và mã nguồn của hàm.

Trong ứng dụng thực tế, FHE thường được coi là một giải pháp thay thế cho các môi trường thực thi an toàn như TEE. Độ an toàn của FHE dựa trên các thuật toán mã hóa, không phụ thuộc vào phần cứng, do đó không bị ảnh hưởng bởi các cuộc tấn công kênh bên hoặc các cuộc tấn công vào máy chủ đám mây. Đối với các tình huống cần ủy quyền tính toán dữ liệu nhạy cảm, FHE an toàn và đáng tin cậy hơn so với máy ảo dựa trên đám mây hoặc TEE.

Hệ thống FHE thường bao gồm một vài bộ khóa:

1. Khóa giải mã: Khóa chính, được sử dụng để giải mã văn bản mật FHE, thường được tạo ra tại địa phương của người dùng và không được chuyển ra ngoài.

2. Mã hóa khóa: được sử dụng để chuyển đổi văn bản rõ thành văn bản mã hóa, trong chế độ khóa công khai thường là công khai.

3. Tính toán khóa: dùng để thực hiện phép toán đồng cấu trên văn bản mã hóa, có thể công bố, nhưng chỉ có thể sử dụng cho tính toán đồng cấu chứ không phải để phá mã văn bản.

Trong đó, khóa giải mã là nhạy cảm nhất, người nắm giữ cần đảm bảo rằng toàn bộ chuỗi hoạt động đồng cấu hiệu quả và cuối cùng đảm bảo an toàn cho văn bản mã hóa. Quá trình hoạt động đồng cấu có thể được xác minh công khai để ngăn chặn hành vi độc hại.

FHE có nhiều chế độ ứng dụng:

1. Mô hình thuê ngoài: Giao nhiệm vụ tính toán cho nhà cung cấp dịch vụ đám mây, phù hợp với các tình huống như tìm kiếm thông tin riêng tư.

2. Mô hình tính toán hai bên: Cả hai bên đều đóng góp dữ liệu riêng tư để thực hiện tính toán chung, như "vấn đề triệu phú".

3. Chế độ tổng hợp: Tổng hợp dữ liệu từ nhiều bên để tính toán, phù hợp với học liên bang, bỏ phiếu trực tuyến, v.v.

4. Mô hình khách hàng-máy chủ: Máy chủ cung cấp dịch vụ tính toán FHE cho nhiều khách hàng độc lập, chẳng hạn như tính toán mô hình AI riêng tư.

Để đảm bảo rằng kết quả tính toán có hiệu lực, FHE thường sử dụng các phương pháp như thêm dư thừa, chữ ký số, v.v. Để ngăn chặn việc rò rỉ biến trung gian, có thể hạn chế quyền truy cập của người giữ khóa giải mã đối với các văn bản mã hóa trung gian, hoặc sử dụng phân chia bí mật để phân phối khóa giải mã.

FHE là loại mã hóa đồng cấu linh hoạt nhất, có thể hỗ trợ các nhiệm vụ tính toán với độ phức tạp tùy ý. Tuy nhiên, FHE cũng phải đối mặt với thách thức kỹ thuật tích lũy tiếng ồn, cần phải kiểm soát mức độ tiếng ồn thông qua các thao tác tự khởi động tốn kém. Sự phát triển của công nghệ FHE trong tương lai hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong nhiều kịch bản tính toán bảo mật hơn.