[논문 리뷰] Comprehensive Performance Analysis of Homomorphic Cryptosystems for Practical Data Processing

Vasily Sidorov, Ethan Yi Fan Wei외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 07.

Cryptography and Data Security인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 실용적 데이터 처리를 위한 성능을 평가하기 위해 HElib, SEAL, PyAono, Paillier 및 ElGamal의 다섯 가지 히든드롬 암호체계를 평가한다. 부분적 히든드롬 암호체계(Paillier 및 ElGamal)가 대부분의 연산에서 완전한 히든드롬 암호체계(FHE)보다 뛰어난 성능을 보이며, 특히 사전 암호화 및 병렬 처리를 통한 최적화 조건에서 신뢰할 수 있는 재암호화 에이전트를 활용해 FHE 연산을 모의함으로써 HElib 및 SEAL 성능을 따라하거나 뛰어넘을 수 있음을 발견한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현대 컴퓨팅 자원을 활용한 실세계 데이터 처리를 위한 히든드롬 암호화의 실용적 타당성을 평가하기 위해.
• HElib, SEAL, PyAono, Paillier 및 ElGamal의 다섯 가지 히든드롬 암호체계의 핵심 연산을 통해 성능을 비교하기 위해.
• 부분적 히든드롬 암호체계와 신뢰할 수 있는 재암호화 에이전트를 활용한 완전한 히든드롬 연산의 모의 가능성 평가하기 위해.
• 성능 저하 요인을 규명하고 즉각적인 구현에 적합한 암호체계를 식별하기 위해.
• 효율성의 상충 관계와 최적화 기회를 부각시켜 향후 개발을 안내하기 위해.

제안 방법

• 암호화, 복호화, 키 생성 및 히든드롬 연산(덧셈, 뺄셈, 곱셈)에 대해 HElib, SEAL, PyAono, Paillier 및 ElGamal의 다섯 가지 히든드롬 암호체계를 벤치마킹하였다.
• 각 연산의 정확한 타이밍을 확보하기 위해 소량의 코드 수정을 통해 실행 시간을 측정하였다.
• 초기화 매개변수의 전반적인 스펙트럼을 통해 성능을 평가하였으며, 결과는 부록 차트에 시각화하였다.
• Paillier 및 ElGamal을 활용해 완전한 히든드롬 연산을 모의하기 위한 재암호화 기반 전략을 제안하고 시뮬레이션하였다.
• Algorithm 2를 사용해 (a+b)×(c+d)와 같은 표현식을 위한 안전한 계산 파이프라인을 모델링하였으며, 계산 엔진과 재암호화 에이전트 간의 병렬 처리를 가능하게 하였다.
• 사전 암호화 및 부트스트랩 오버헤드를 포함한 다양한 가정 하에 모의 성능과 원천 FHE 체계(HElib 및 SEAL)의 비교 성능을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 하드웨어 조건에서 실용적 데이터 처리에 가장 뛰어난 성능을 보이는 히든드롬 암호체계는 무엇인가?
• RQ2 Paillier 및 ElGamal과 같은 부분적 히든드롬 암호체계가 실질적으로 완전한 히든드롬 연산을 모의하는 데 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ3 재현 기반 완전한 히든드롬 연산의 성능은 HElib 및 SEAL과 같은 원천 FHE 체계와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 부트스트랩 및 병렬 처리가 FHE 및 재현 기반 접근 방식의 전체 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 암호화/복호화 및 키 생성 시간은 히든드롬 계산 파이프라인의 전체 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 덧셈, 뺄셈 및 키 생성에 있어 Paillier가 가장 빠르며, 곱셈에 있어서는 ElGamal이 가장 빠르다.
• 암호화에 있어서는 HElib가 가장 빠르며, 복호화에 있어서는 SEAL이 가장 빠르다.
• PyAono는 가장 효율이 떨어지며, 곱셈 성능이 평문 대비 약 22억 배 느리고, 키 생성에 700초 이상 소요된다.
• 신뢰할 수 있는 재암호화 에이전트를 활용해 Paillier 및 ElGamal을 사용해 완전한 히든드롬 연산을 모의할 경우, 입력이 사전 암호화된 상태에서 SEAL의 0.63배, HElib의 0.75배 정도의 시간이 소요된다.
• 안전한 선형 회귀에 대해 모의 연산은 SEAL의 0.81배, HElib의 1.1배 정도의 시간이 소요되어 강력한 경쟁력을 보인다.
• HElib에서의 부트스트랩(약 600ms/연산)은 복잡한 작업에서 성능을 심각하게 떨어뜨리며, 실질적으로 모의 접근 방식이 유리하다.