[論文レビュー] Homomorphic Encryption: An Analysis of its Applications in Searchable Encryption

Ivone Amorim, Ivan Costa|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Cryptography and Data SecurityComputer Science参考文献 77被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、検索可能暗号（SE）方式における同型暗号（HE）の統合を分析し、暗号化されたデータ上で安全かつ効率的な検索を可能にする役割を特定している。同型暗号の使用において、部分的同型暗号（PHE）、特にパルイエの暗号方式が支配的であることが判明した。また、インデックスベースの構造と順位付け検索が最も一般的である一方で、曖昧キーワード検索、検証可能性、ユーザーログオフ機能は未開発のままであることが明らかになった。

ABSTRACT

The widespread adoption of cloud infrastructures has revolutionised data storage and access. However, it has also raised concerns regarding the privacy of sensitive data stored in the cloud. To address these concerns, encryption techniques have been widely used. However, traditional encryption schemes limit the efficient search and retrieval of encrypted data. To tackle this challenge, innovative approaches have emerged, such as the utilisation of Homomorphic Encryption (HE) in Searchable Encryption (SE) schemes. This paper provides a comprehensive analysis of the advancements in HE-based privacy-preserving techniques, focusing on their application in SE. The main contributions of this work include the identification and classification of existing SE schemes that utilize HE, a comprehensive analysis of the types of HE used in SE, an examination of how HE shapes the search process structure and enables additional functionalities, and the identification of promising directions for future research in HE-based SE. The findings reveal the increasing usage of HE in SE schemes, particularly Partially Homomorphic Encryption. The analysis also highlights the prevalence of index-based SE schemes using HE, the support for ranked search and multi-keyword queries, and the need for further exploration in functionalities such as verifiability and the ability to authorise and revoke users. Future research directions include exploring the usage of other encryption schemes alongside HE, addressing omissions in functionalities like fuzzy keyword search, and leveraging recent advancements in Fully Homomorphic Encryption schemes.

研究の動機と目的

• 検索可能暗号（SE）方式における同型暗号（HE）の現状を分析すること。
• PHE、FHE、その他の種別を含む、SEで用いられるHEの種別を分類・評価すること。
• HEがSEアーキテクチャ、特にインデックス構築と検索機能に与える影響を検討すること。
• HEベースのSEにおいて未開発にとどまっている機能、例えば検証可能性、ユーザーアクセス制御、曖昧キーワード検索を特定すること。
• ハイブリッド方式や最近のFHEの進展を活用した今後の研究方向性を提案すること。

提案手法

• 定められた手法に従って選別された23件の最近のSE方式にHEを組み込んだものを対象に、体系的文献レビューを実施した。
• 分析は、HE方式の種別（PHE、FHEなど）、検索構造（インデックスベース対逐次走査）、および対応する機能性によって分類された。
• 順位付け検索方式における、関連度スコア（例：TF-IDF）の同型計算を可能にするHEの役割を評価した。
• ユーザーアクセス制御メカニズム、特にユーザーアウトライおよびロールバックにおけるHEの使用状況と、検証可能性の特徴を検討した。
• 直接的なHE使用なしに検証可能性を可能にする、同型メッセージ認証などの暗号プリミティブを分析した。
• ABE、OPEなどの他の暗号方式をHEと併用することで機能を強化する可能性を検討した。

Figure 1: Conceptual overview of a cloud-based SE system.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検索可能暗号（SE）方式において、どの種類の同型暗号（HE）が最も一般的に使用されているか？
• RQ2 HEはSEシステムの設計、特にインデックス構築と検索機能にどのように影響を与えているか？
• RQ3 HEベースのSE方式で最も一般的にサポートされている検索機能は何か？一方で、欠落している機能は何か？
• RQ4 HEベースのSE方式では、検証可能性およびユーザーアクセス制御（認証およびロールバック）がどの程度サポートされているか？
• RQ5 最近のFHEの進展を踏まえた場合、HEを用いたSE分野における最も有望な今後の研究方向性は何か？

主な発見

• 分析対象のHEベースSE方式の75％が、過去3年以内に発表されたものであり、研究動向の急増を示している。
• 部分的同型暗号（PHE）、特にパルイエの暗号方式が、そのシンプルさと実証された安全性から、最も広く使用されたHE方式であった。
• HEを用いて暗号化インデックスを構築するインデックスベースSE方式が最も一般的であり、大規模データベースにおける高コストな逐次スキャンを回避できるためである。
• TF-IDFスコアの同型計算を用いた順位付け検索が最も一般的な機能であり、その後に、複数キーワードクエリ（論理積／論理和）のサポートが続く。
• 分析対象のHEベースSE方式のすべてで曖昧キーワード検索がサポートされておらず、実用的価値が非常に高いにもかかわらず、顕著な研究ギャップが存在することが判明した。
• 検証可能性にHEを用いたのは、1件の研究（Wu et al., 2018）のみであり、ユーザーアクセス制御（認証およびロールバック）を扱った研究は一切なかった。これは、アクセス制御機能の未開発状態を示している。

Figure 2: Key characteristics of a cloud-based SE scheme.