[論文レビュー] FHEBench: Benchmarking Fully Homomorphic Encryption Schemes

Lei Jiang, Lei Ju|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

Cryptography and Data Security被引用数 9

ひとこと要約

FHEBenchは、完全準同型暗号（FHE）方式の定量的ベンチマークフレームワークを提示し、Microsoft SEAL、IBM HElib、Palisade、FHEW、TFHEを含む主要なFHEライブラリにおけるパフォーマンスを評価する。研究では、実際のFHEパrameter設定下で、ブール論理処理にはTFHE、整数演算にはBFVが速度と効率の観点から最適な選択であると特定した。

ABSTRACT

Fully Homomorphic Encryption (FHE) emerges one of the most promising solutions to privacy-preserving computing in an untrusted cloud. FHE can be implemented by various schemes, each of which has distinctive advantages, i.e., some are good at arithmetic operations, while others are efficient when implementing Boolean logic operations. Therefore, it is difficult for even cryptography experts let alone average users to choose the "right" FHE scheme to efficiently implement a specific application. Prior work only qualitatively compares few FHE schemes. In this paper, we present an empirical study, FHEBench, to quantitatively compare major FHE schemes

研究の動機と目的

• 主なFHE方式間における定量的パフォーマンス比較の不足に起因する、アプリケーション固有の方式選定の障壁を解消すること。
• 実験的パフォーマンスデータを提供することで、非専門家ユーザーがプライバシー保護型アプリケーションに最適なFHE方式を選定できるようにすること。
• クライアント側のセットアップ、サーバー側の計算、鍵生成フェーズにおけるFHEライブラリのパフォーマンスを評価・比較すること。
• FHEの深さ、パrameter選定、ハードウェア最適化（例：AVX-512）が、異なる方式におけるパフォーマンスに与える影響を評価すること。
• 標準化されたセキュリティモデル下で、算術演算およびブール論理演算における最も効率的なFHE方式を特定すること。

提案手法

• 最先端のFHEライブラリ（Microsoft SEAL、IBM HElib、CKKS、FHEW、TFHE、Palisade）を実験的にベンチマーク化した。
• BGV、BFV、CKKS、FHEW、TFHE方式の詳細なパフォーマンス分析のため、Palisade、FHEW、TFHEライブラリを選定した。
• 鍵生成、暗号化、復号のクライアント側遅延を測定し、同型演算のサーバー側遅延を評価した。
• FHEWおよびTFHEに対して、80ビットの量子耐性（128ビット古典的セキュリティに相当）を確保する標準化されたFHEパrameterを用いた。
• AVX-512や最適化されたFFT/NTTカーネルを活用し、低レベルのパフォーマンス差を評価した。
• 加算（AddCC、AddCP）、乗算（MultCC、MultCP）、ブートストラップを含む操作を、方式および深さごとに比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FHEの深さを変化させた場合、どのFHE方式がクライアント側の鍵生成およびデータ暗号化において最も低い遅延を達成するか？
• RQ2 BFV、BGV、CKKS、TFHE、FHEWといった異なるFHE方式は、算術演算およびブール論理演算におけるサーバー側パフォーマンスでどのように比較されるか？
• RQ3 ハードウェアレベルの最適化（例：AVX-512）は、TFHEやFHEWのようなFHEライブラリにどのようなパフォーマンスインパクトを与えるか？
• RQ4 FHEの深さが同型演算の遅延に与える影響は何か？また、より高い深さにおいて最も良好にスケーリングする方式はどれか？
• RQ5 どのFHE方式がバッチ処理において最高のスループットを示し、これは操作タイプや方式によってどのように変化するか？

主な発見

• ブール論理演算では、TFHEがFHEWおよびPalisadeを上回り、最適化されたFFTカーネルとAVX-512対応のおかげで、5ms未満のブートストラップ鍵生成と高速な論理ゲート評価を達成した。
• 算術演算では、特にAddCCおよびMultCP演算において、大きなバッチサイズのおかげでBFVがサーバー側で最高のスループットを記録した。
• FHEの深さが2を超えると、BFVが加算および乗算の両方で最も短いサーバー側遅延を示したが、BGVは深さが2以下でのみ最速であった。
• クライアント側の復号遅延はCKKSで最も高く、高深さでのセットアップ遅延が最も長く、深さの大きい回路には不適切である。
• FHEWおよびTFHEライブラリで単純なFFTがNTTではなく使用されている場合、PalisadeのNTTベースのFHEW/TFHE実装よりも顕著に低い遅延を示した。
• TFHEが二値秘密分布を採用しているため、FHEWの三値分布よりも鍵生成が高速であるが、現時点ではホモモルフィック暗号標準と互換性がない。