[论文解读] Comprehensive Performance Analysis of Homomorphic Cryptosystems for Practical Data Processing

Vasily Sidorov, Ethan Yi Fan Wei+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2022

Cryptography and Data Security被引用 11

一句话总结

本文评估了五种全同态加密方案——HElib、SEAL、PyAono、Paillier 和 ElGamal——在实际数据处理中的性能表现。研究发现，部分同态方案（Paillier 和 ElGamal）在大多数操作中优于全同态方案，且在通过可信重新加密代理模拟全同态计算时，性能可与 HElib 和 SEAL 比肩甚至超越，尤其在预加密和并行化优化条件下表现更优。

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.

研究动机与目标

• 评估现代计算资源下全同态加密在真实世界数据处理中的实际可行性。
• 在关键操作上比较五种全同态加密方案——HElib、SEAL、PyAono、Paillier 和 ElGamal——的性能表现。
• 评估利用部分同态方案与可信重新加密代理模拟全同态计算的可行性。
• 识别性能瓶颈，并确定哪些加密方案适合立即部署。
• 通过揭示效率权衡与优化机会，为未来开发提供指导。

提出的方法

• 在加密、解密、密钥生成以及同态操作（加法、减法、乘法）上对五种全同态加密方案——HElib、SEAL、PyAono、Paillier 和 ElGamal——进行基准测试。
• 通过微小的代码修改，精确测量每项操作的执行时间。
• 在完整初始化参数范围内评估性能表现，并以附录图表形式可视化结果。
• 提出并模拟了一种基于重新加密的模拟策略，利用 Paillier 和 ElGamal 模拟全同态操作。
• 使用算法 2 建模安全计算流水线，以支持类似 (a+b)×(c+d) 的表达式计算，实现在计算引擎与重新加密代理之间的并行化。
• 在不同假设条件下（包括预加密和引导操作开销），估算模拟方案与原生 FHE 方案（HElib 和 SEAL）的性能对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前硬件条件下，哪种全同态加密方案在实际数据处理中性能最优？
• RQ2 像 Paillier 和 ElGamal 这样的部分同态加密方案是否能在实际中有效模拟全同态计算？
• RQ3 基于模拟的全同态计算性能与原生 FHE 方案（如 HElib 和 SEAL）相比如何？
• RQ4 引导操作与并行化对 FHE 及模拟方法整体效率的影响是什么？
• RQ5 加解密与密钥生成时间对全同态计算流水线整体性能的影响如何？

主要发现

• Paillier 在加法、减法和密钥生成操作中速度最快；ElGamal 在乘法操作中速度最快。
• HElib 在加密操作中最快，而 SEAL 在解密操作中最快。
• PyAono 效率最低，其乘法性能比明文慢 22 亿倍，密钥生成耗时超过 700 秒。
• 通过可信重新加密代理使用 Paillier 和 ElGamal 模拟全同态操作时，若输入已预加密，其执行时间仅为 SEAL 的 0.63 倍，HElib 的 0.75 倍。
• 在安全线性回归任务中，模拟方案执行时间仅为 SEAL 的 0.81 倍，HElib 的 1.1 倍，表明具有极强的竞争力。
• HElib 中引导操作（约每操作 600 毫秒）在复杂任务中显著降低性能，因此在实践中更推荐采用模拟方案。