[論文レビュー] Computing Blindfolded on Data Homomorphically Encrypted under Multiple Keys: An Extended Survey

Asma Aloufi, Peizhao Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2020

Cryptography and Data Security被引用数 14

ひとこと要約

本サーベイは、複数の鍵下での暗号化データに対する同型評価を可能にする暗号技術について包括的な分析を提供する。主な対象は、マルチ・キー同型暗号（MKHE）、スレッショルド同型暗号（ThHE）、プロキシ再暗号化（PRE）、および属性ベース暗号（ABE）である。これらの方式が、信頼できる第三者を必要とせずに、ゲノムや臨床データなどの多様な機密データに対する安全でプライバシー保護型の計算を可能にすることを示している。これにより、フェデレーテッドGWASや分散型システムにおける安全なデータ集約といった応用が実現可能となる。

ABSTRACT

New cryptographic techniques such as homomorphic encryption (HE) allow computations to be outsourced to and evaluated blindfolded in a resourceful cloud. These computations often require private data owned by multiple participants, engaging in joint evaluation of some functions. For example, Genome-Wide Association Study (GWAS) is becoming feasible because of recent proliferation of genome sequencing technology. Due to the sensitivity of genomic data, these data should be encrypted using different keys. However, supporting computation on ciphertexts encrypted under multiple keys is a non-trivial task. In this paper, we present a comprehensive survey on different state-of-the-art cryptographic techniques and schemes that are commonly used. We review techniques and schemes including Attribute-Based Encryption (ABE), Proxy Re-Encryption (PRE), Threshold Homomorphic Encryption (ThHE), and Multi-Key Homomorphic Encryption (MKHE). We analyze them based on different system and security models, and examine their complexities. We share lessons learned and draw observations for designing better schemes with reduced overheads.

研究の動機と目的

• 複数の個人鍵で暗号化されたデータに対する安全な計算を実現する課題に取り組むこと。特に、ゲノムや医療分野のようなプライバシーが重要な分野を想定する。
• 複数参加者による暗号化データに対する共同計算を可能にする既存の暗号方式（MKHE、ThHE、PRE、ABE）の能力を分析・比較すること。
• 実用的導入環境におけるこれらの方式のシステムモデル、セキュリティ仮定、計算複雑度を評価すること。
• マルチ・キー同型暗号システムにおけるオーバーヘッドを低減するための未解決問題と設計原則を同定すること。
• すべての秘密鍵を保持する信頼できる第三者に依存せずに、安全で分散型の計算を実現すること。

提案手法

• 関与する鍵の数に基づいて暗号方式を分類：単一鍵（例：標準的なHE）対マルチ・キー（例：MKHE、ThHE）。
• 異なる鍵で暗号化された暗号文に対する同型評価を可能にするMKHE方式の設計をレビュー。鍵スイッチングと共同鍵構築を用いる。
• 線形秘密分散を用いて複数参加者間で復号を分散化するThHE方式を分析。中央集権的な機関が不要なスレッショルド復号を実現する。
• マルチ・キー環境におけるアクセス制御および鍵変換を可能にするプリミティブとしてのプロキシ再暗号化（PRE）と属性ベース暗号（ABE）を検討。
• 同型暗号（HE）とMPCプロトコル（例：2ラウンドMPC）の統合を評価。これにより、個々の秘密鍵を暴露せずに分散復号が可能になる。
• Medcoのようなシステムレベルの設計を議論。ThHEとMPCを統合することで、データ所有者の管理下で実行される、オンプレミスのフェデレーテッドな臨床データ処理が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できる第三者を必要とせずに、複数の独立した鍵で暗号化されたデータに対する同型暗号の評価を拡張する方法は何か？
• RQ2 マルチパーティ計算環境において、ThHEとMKHEの間で生じるセキュリティとパフォーマンスのトレードオフは何か？
• RQ3 すべての参加者が共謀する必要がなく、かつ個々の秘密鍵を暴露せずに、マルチ・キー同型暗号における安全で分散型の復号を実現する方法は何か？
• RQ4 フェデレーテッドGWASやVANETにおける安全なデータ集約といった実世界の応用を可能にする、実用的なシステムモデルと展開パターンは何か？
• RQ5 マルチ・キー同型暗号における計算および通信のオーバーヘッドを低減するための主な課題と未解決問題は何か？

主な発見

• MKHEは、各暗号文を共同鍵に拡張することで、異なる鍵で暗号化された暗号文に対する同型評価を可能にし、復号を経ずに計算を実行できる。
• ThHE方式は共有秘密鍵を用いたスレッショルド復号をサポートするが、すべての参加者が復号に参加する必要があるため、動的な環境ではスケーラビリティに制限がある。
• ユニバーサルスレッショルドライザーの使用により、(R)LWEベースのHE方式をマルチパーティ環境に拡張可能となり、共同鍵生成と分散復号が可能になる。
• BFVおよびCKKSに基づく最近の構成は、線形秘密分散を介してマルチパーティ環境に適応可能であり、同型性を保持する。
• Medcoのようなシステムは、ThHEとMPCを統合することで、データ所有者の管理下で実行される、オンプレミスのフェデレーテッドなゲノムデータ処理の実現可能性を示している。
• 進展は見られるが、ブートストラップ処理と鍵スイッチングは依然として計算コストが高く、実用的応用におけるパフォーマンス向上の鍵となるのは、乗算深度の低減である。