[논문 리뷰] A Survey on Homomorphic Encryption Schemes: Theory and Implementation

Abbas Acar, Hidayet Aksu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 12.

Cryptography and Data Security참고 문헌 133인용 수 184

한 줄 요약

본 논문은 부분적으로, 다소, 그리고 완전 동형(fully homomorphic) 암호화(HE) 체계를 포함한 동형 암호화의 이론, 구현 및 향후 방향을 고찰하며, 2009년 이후의 Gentry형 FHE 진행에 중점을 둡니다.

ABSTRACT

Legacy encryption systems depend on sharing a key (public or private) among the peers involved in exchanging an encrypted message. However, this approach poses privacy concerns. Especially with popular cloud services, the control over the privacy of the sensitive data is lost. Even when the keys are not shared, the encrypted material is shared with a third party that does not necessarily need to access the content. Moreover, untrusted servers, providers, and cloud operators can keep identifying elements of users long after users end the relationship with the services. Indeed, Homomorphic Encryption (HE), a special kind of encryption scheme, can address these concerns as it allows any third party to operate on the encrypted data without decrypting it in advance. Although this extremely useful feature of the HE scheme has been known for over 30 years, the first plausible and achievable Fully Homomorphic Encryption (FHE) scheme, which allows any computable function to perform on the encrypted data, was introduced by Craig Gentry in 2009. Even though this was a major achievement, different implementations so far demonstrated that FHE still needs to be improved significantly to be practical on every platform. First, we present the basics of HE and the details of the well-known Partially Homomorphic Encryption (PHE) and Somewhat Homomorphic Encryption (SWHE), which are important pillars of achieving FHE. Then, the main FHE families, which have become the base for the other follow-up FHE schemes are presented. Furthermore, the implementations and recent improvements in Gentry-type FHE schemes are also surveyed. Finally, further research directions are discussed. This survey is intended to give a clear knowledge and foundation to researchers and practitioners interested in knowing, applying, as well as extending the state of the art HE, PHE, SWHE, and FHE systems.

연구 동기 및 목표

• 동형 암호화(HE, PHE, SWHE, FHE)의 기본 개념과 분류 체계를 설명한다.
• 주요 HE 계열을 검토하고 암호화된 데이터에 대해 서로 다른 대수 연산을 어떻게 가능하게 하는지 설명한다.
• 실용적 구현, 성능 향상 및 하드웨어/소프트웨어 고려사항을 요약한다.
• HE 연구 및 적용에서의 현재 연구 과제와 향후 방향을 논의한다.

제안 방법

• HE 환경과 Enc, Dec, Eval, KeyGen의 정의를 소개한다.
• HE 체계를 PHE, SWHE, FHE로 분류하고 작동 한계를 설명한다.
• 잘 알려진 HE 체계와 그들의 동형 특성(덧셈, 곱셈 또는 둘 다)을 제시한다.
• Gentry형 FHE 발전과 이후의 개선과 구현을 조사한다.
• 하드웨어 및 소프트웨어 구현 측면과 실용적 성능 문제를 논의한다.
• HE 연구 및 실무에서의 향후 연구 방향과 지식 격차를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지원되는 연산 및 실용적 한계 측면에서 PHE, SWHE, FHE 간의 핵심 차이는 무엇인가?
• RQ2 유명한 HE 체계 중 어떤 것들이 덧셈 호모모픽 및/또는 곱셈 호모모픽을 지원하며, 그 구체적 한계는 무엇인가?
• RQ3 Gentry의 2009년 FHE 돌파구 이후 어떤 진전과 구현이 나타났는가?
• RQ4 다양한 플랫폼에서 HE를 실용화하기 위한 주요 연구 방향과 남은 과제는 무엇인가?

주요 결과

• HE 체계는 PHE(무한한 수의 연산), SWHE(제한된 수의 연산), FHE(보편적 계산 가능)로 분류된다.
• Gentry의 2009년 FHE 돌파구는 기초적이며, 이후 연구는 실용적 성능, 축소 및 하드웨어/아키텍처 최적화에 중점을 둔다.
• HE 계열의 광범위한 조사(RSA, El-Gamal, Benaloh, Goldwasser–Micali, GS, KT1/KTx, Boyen–Goh–Nis sinh, CPS 등)가 경우/덧셈 및 곱셈 호모모픽 능력과 보안 가정의 다양한 트레이드오프를 보여준다.
• 현실 세계의 HE 구현은 최적화된 평가 전략, 부호화 스킴, 회로 친화적 접근을 강조하며 노이즈 증가 및 팽창을 줄여 실용성을 높이려 한다.
• Gentry 이후의 연구는 실무에서의 효율적 HE를 목표로 하며, 하드웨어 가속, 최적화된 스킴, 보안과 성능의 균형을 위한 하이브리드 접근을 포함한다.
• 이 조사는 연구자와 실무자가 HE의 이론적 기반, 구현 옵션, 향후 연구 방향을 이해하는 데 집중된 종합 참고문서를 제공한다.