[論文レビュー] Comprehensive Performance Analysis of Homomorphic Cryptosystems for Practical Data Processing

Vasily Sidorov, Ethan Yi Fan Wei+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2022

Cryptography and Data Security被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、実用的なデータ処理におけるパフォーマンスを評価するために、HElib、SEAL、PyAono、Paillier、ElGamalの5つの同型暗号方式を検証している。部分的同型暗号方式（PaillierおよびElGamal）は、大多数の演算において完全同型暗号方式を上回っており、特に事前暗号化および並列処理を最適化した条件下では、信頼できる再暗号化エージェントを介して完全同型暗号計算をエミュレートする際、HElibやSEALの性能と同等またはそれを上回ることが判明した。

ABSTRACT

Oblivious data processing has been an on and off topic for the last decade or so. It provides great opportunities for secure data management and processing, especially in the cloud. At the same time, modern computing resources seem to be affordable enough to allow for practical use of homomorphic cryptography. Yet, the availability of products that offer practical homomorphic data processing is extremely scarce. As part of a project aimed at developing a practical homomorphic data management platform, we have conducted an extensive study of homomorphic cryptosystems' performance, the results of which are presented in this work. For this work we chose the following five cryptosystems: fully homomorphic HElib and SEAL, somewhat fully homomorphic PyAono, and partially homomorphic Paillier and ElGamal. In the discussion of the aggregated results, we suggest that partially homomorphic cryptosystems could be used today in certain practical applications, whereas time has not yet come for the fully homomorphic ones.

研究の動機と目的

• 現代の計算リソースを用いた実世界のデータ処理における同型暗号の実用的妥当性を評価すること。
• HElib、SEAL、PyAono、Paillier、ElGamalの5つの同型暗号方式を、主な演算において比較評価すること。
• 部分的同型暗号方式と信頼できる再暗号化エージェントを用いた完全同型計算のエミュレーションの実現可能性を評価すること。
• パフォーマンスのボトル neck を特定し、即時展開に適した暗号方式を同定すること。
• 今後の開発を支援するため、効率性のトレードオフと最適化の機会を明らかにすること。

提案手法

• HElib、SEAL、PyAono、Paillier、ElGamalの5つの同型暗号方式について、暗号化、復号、鍵生成、および同型演算（加算、減算、乗算）の実行時間をベンチマークした。
• 各演算の正確なタイミングを確保するため、コードの微小な変更を加え、実行時間を測定した。
• 初期化パrameterの全範囲にわたるパフォーマンスを評価し、結果をアニュエックスのチャートに可視化した。
• PaillierおよびElGamalを用いた再暗号化ベースのエミュレーション戦略を提案・シミュレートし、完全同型暗号演算を模倣した。
• アルゴリズム2を用いて、(a+b)×(c+d)のような式のためのセキュアな計算パイプラインをモデル化し、コンピューティングエージェントと再暗号化エージェント間の並列処理を可能にした。
• 事前暗号化およびブートストラップのオーバーヘッドを含むさまざまな仮定のもとで、エミュレーションとネイティブFHE方式（HElibおよびSEAL）のパフォーマンスを推定比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のハードウェア環境下で、実用的なデータ処理において最もパフォーマンスが優れる同型暗号方式はどれか？
• RQ2 PaillierやElGamalのような部分的同型暗号方式は、実際の場面で完全同型計算を効果的にエミュレートできるか？
• RQ3 再暗号化ベースの完全同型計算エミュレーションのパフォーマンスは、ネイティブFHE方式（HElibおよびSEAL）と比べてどうか？
• RQ4 ブートストラップおよび並列処理は、FHEおよびエミュレーションベースのアプローチの全体的な効率性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 暗号化・復号化および鍵生成の所要時間が、同型計算パイプライン全体のパフォーマンスに与える影響は何か？

主な発見

• 加算、減算、鍵生成に関してはPaillierが最も高速。乗算に関してはElGamalが最も高速。
• 暗号化に関してはHElibが最も高速。復号に関してはSEALが最も高速。
• PyAonoは最も非効率で、乗算のパフォーマンスはプレーンテキストと比べて22億倍遅く、鍵生成には700秒以上を要した。
• 信頼できる再暗号化エージェントを介してPaillierおよびElGamalを用いて完全同型演算をエミュレートした場合、入力が事前暗号化されていると、SEALの0.63倍、HElibの0.75倍の時間で実行された。
• セキュアな線形回帰の実行では、エミュレーションはSEALの0.81倍、HElibの1.1倍の時間で実行され、高い競争力が示された。
• HElibにおけるブートストラップ（1回あたり約600ms）は、複雑なタスクにおいて顕著にパフォーマンスを低下させ、実際の運用ではエミュレーションアプローチが優位であることがわかった。