[논문 리뷰] FHEBench: Benchmarking Fully Homomorphic Encryption Schemes

Lei Jiang, Lei Ju|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 01.

Cryptography and Data Security인용 수 9

한 줄 요약

FHEBench는 완전호환암호(FHE) 기법에 대한 정량적 벤치마킹 프레임워크를 제시하며, Microsoft SEAL, IBM HElib, Palisade, FHEW, TFHE를 포함한 주요 FHE 라이브러리에서 성능을 평가한다. 연구는 실제 FHE 파라미터 설정 하에서 부울 논리 연산에 최적화된 TFHE와 정수 산술 연산에 최적화된 BFV를 각각 선정한다.

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

연구 동기 및 목표

• 주요 FHE 기법 간 정량적 성능 비교의 부족을 해결하여, 응용 분야에 맞는 기법 선택을 어렵게 하는 문제를 해결한다.
• 실제 성능 데이터를 제공하여 비전문가 사용자가 개인정보 보호 애플리케이션에 가장 효율적인 FHE 기법을 선택할 수 있도록 돕는다.
• 클라이언트 측 설정, 서버 측 연산, 키 생성 단계에서 FHE 라이브러리의 성능을 평가하고 비교한다.
• FHE 깊이, 파라미터 선택, 하드웨어 최적화(예: AVX-512)가 다양한 기법의 성능에 미치는 영향을 평가한다.
• 표준화된 보안 모델 하에서 산술 연산과 부울 논리 연산에 가장 효율적인 FHE 기법을 특정한다.

제안 방법

• 최신 FHE 라이브러리들인 Microsoft SEAL, IBM HElib, CKKS, FHEW, TFHE, Palisade를 실측 벤치마킹하였다.
• BGV, BFV, CKKS, FHEW, TFHE 기법의 심층적 성능 분석을 위해 Palisade, FHEW, TFHE 라이브러리를 선택하였다.
• 키 생성, 암호화, 복호화에 대한 클라이언트 측 지연 시간을 측정하고, 서버 측 지연 시간을 동형 연산에 대해 평가하였다.
• FHEW와 TFHE에 대해 80비트 양자 보안(128비트 고전적 보안과 동일)을 확보하기 위해 표준화된 FHE 파라미터를 사용하였다.
• AVX-512와 최적화된 FFT/NTT 커널을 활용하여 저수준 성능 차이를 평가하였다.
• 덧셈(AddCC, AddCP), 곱셈(MultCC, MultCP), 부스트래핑을 포함한 연산들을 기법과 깊이 간에 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 FHE 깊이에서 클라이언트 측 키 생성 및 데이터 암호화에 가장 낮은 지연 시간을 제공하는 FHE 기법은 무엇인가?
• RQ2 BFV, BGV, CKKS, TFHE, FHEW 등의 다양한 FHE 기법이 산술 연산과 부울 논리 연산에서 서버 측 성능 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 하드웨어 수준 최적화(예: AVX-512)가 TFHE와 FHEW와 같은 FHE 라이브러리에 미치는 성능 영향은 어떠한가?
• RQ4 FHE 깊이가 동형 연산의 지연 시간에 어떤 영향을 미치며, 높은 깊이에서 가장 잘 스케일링되는 기법은 무엇인가?
• RQ5 배치 연산에 대해 가장 높은 처리량을 제공하는 FHE 기법은 무엇이며, 이는 연산 유형과 기법에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 부울 논리 연산의 경우, TFHE는 FHEW와 Palisade를 능가하며, 최적화된 FFT 커널과 AVX-512 지원 덕분에 5ms 이내의 부스트래핑 키 생성과 더 빠른 논리 게이트 평가를 달성한다.
• 산술 연산의 경우, BFV는 특히 AddCC와 MultCP 연산에서 큰 배치 크기 덕분에 서버 측에서 가장 높은 처리량을 기록한다.
• FHE 깊이가 2를 초과할 경우, BFV는 덧셈과 곱셈 모두에서 서버 측 지연 시간이 가장 짧으며, BGV는 깊이 ≤2일 때에만 가장 빠르다.
• 클라이언트 측 복호화 지연 시간은 CKKS에서 가장 높고, 고깊이에서 BGV는 가장 긴 설정 지연 시간을 보여, 깊은 회로에 적합하지 않다.
• 간단한 FFT를 사용하는 FHEW와 TFHE 라이브러리는 NTT 기반의 Palisade의 FHEW/TFHE 구현보다 상당히 낮은 지연 시간을 보인다.
• TFHE의 이진 비밀 분포 사용은 FHEW의 삼진 분포보다 더 빠른 키 생성을 가능하게 하지만, 아직 호환 가능한 동형 암호 표준과는 호환되지 않는다.