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定义Definition

同态求值的电路隐私

Circuit privacy

在客户端知道私钥与输入随机币的观察模型中定义电路隐私,用一位标签反例和精确平移分布距离解释为何CPA与噪声刷新都不够。

形式陈述 ​

同态加密通常保护客户端输入免受服务器窥探;电路隐私反过来保护服务器的计算免受客户端额外窥探。客户端已经知道私钥,所以不能用“结果仍加密着”回答这一问题。[1,2]

本页先固定诚实生成密钥与合法输入密文的模型。客户端生成 (pk,sk)、输入 x 和随机币 r,发送 c=Encpk(x;r);服务器对私有电路 C 返回 cC=Eval(pk,C,c)。允许输出为 y=C(x),另有预先约定的公开泄漏 ℓ(C),例如统一的输出长度或层数上界。

采用模拟定义:存在统一高效模拟器 S,只拿到 (pk,c,y,ℓ(C)),生成结果密文,使

(1)(V,Eval(pk,C,c))≈(V,S(pk,c,y,ℓ(C))),

其中 V=(pk,sk,x,r,c) 是客户端原有完整视图,两侧保留相同的 V。要求对所声明范围内的每个合法电路和输入成立,并明确 ≈ 是计算还是统计不可区分。模拟器没有得到电路描述。

这一版本已把私钥和原始加密随机币交给区分者,但仍假设密钥与输入密文诚实产生。若还允许客户端提交畸形公钥、相关求值密钥或任意不合法密文,应使用更强的恶意输入版本;本文不从式 (1) 自动推出它。

直觉

两张电路对本次输入算出相同的答案,客户端本应只知道这个答案及约定泄漏。如果结果密文长度、标签或可见噪声规模不同,客户端就可能辨认用了哪张电路。

CPA 关注没有私钥的观察者是否能区分不同消息。电路隐私关注拥有私钥的观察者是否能区分相同输出的不同计算。两种比较对象和权限都改变了。

例子与边界

一位标签就能分离两个安全目标 ​

从任意正确、紧致、CPA 安全的同态方案出发,在每个密文尾部加一位。新鲜加密时写0,解密忽略这一位;求值时把它设置为电路描述的某个公开可计算属性,例如“是否含有乘法门”。

取 C0(x)=x 与 C1(x)=x⋅1,两者输出相同,但尾部标签分别为0和1。密文只增加一位,仍紧致;输入 CPA 安全也不受影响,因为标签只依赖求值电路,而不是秘密输入。但客户端无需私钥就能完美区分两张电路,因此式 (1) 失败。

即使格式没有显式标签,LWE 型密文的噪声也可能扮演标签。知道 sk 和输出 y 的客户端,可以计算解密相位再减去 y 的编码,观察残差。一个原样返回输入的电路与一个额外执行许多门的等价电路,可能留下不同残差分布;正确解密并不排除这种信息。

噪声淹没的一个精确小模型 ​

只看一维整数残差:取整数 B,M≥0,求值后有未知整数偏移 e∈[−B,B]∩Z。再加入独立均匀整数

Z←{−M,−M+1,…,M}.

比较 Z+e 与 Z。当 |e|≤2M+1 时,两份均匀分布支持区间重叠 2M+1−|e| 个整数,其总变差距离恰为

(2)Δ(Z+e,Z)=|e|2M+1.

例如 B=3,M=100 时,每个合法偏移与标准模拟分布的距离至多 3/201=1/67;两个不同电路的残差分布之间由三角不等式得至多 6/201。这还只是百分之一级的误差,不能称作随安全参数可忽略。

若要保证 2−40,就需要 2M+1≥B240。同时若正确解密要求总残差绝对值小于阈值 T,还必须有 M+B<T。两条式子直接展示了隐私与正确性余量的张力。

在 d 个独立均匀噪声坐标、偏移各不超过 B 的模型中,逐坐标替换给出 dB/(2M+1) 的上界;因此高维情况不能照搬一维误差预算。

这为什么还不是任意FHE的完整修复器 ​

式 (2) 只证明残差分布的平移平滑。完整密文还包含其他坐标;若这些坐标保留电路标签,或与噪声存在可见关联,只淹没一个残差仍不足以建立式 (1)。真正方案要同时控制整份密文分布,并证明随机化后依然正确。[1, Chapter 20]

同样,“加一份加密零”并不自动给电路隐私。如果其噪声只与原噪声同量级,支持形状仍可能不同。Paillier对合法密文乘上独立随机零加密确实能恢复同一消息的新鲜分布,那是由其随机陪集结构单独证明的性质,不能外推给所有同态加密。

推论与应用

电路隐私用于隐藏服务器模型、私有函数或数据库中除答案以外的信息。但它允许输出 C(x) 本身泄漏:客户端选择许多输入反复查询,可能从合法答案重建函数。式 (1) 不自动提供查询预算或差分隐私。

自举控制可继续计算的噪声预算;它没有一般性地证明刷新密文与输出唯一决定的分布相同。把“刷新成功”当成“电路隐藏成功”,会遗漏模拟目标。

在私有信息检索里,普通查询隐私只保护客户端索引,允许返回值额外暴露数据库信息的方案仍可能满足该定义。若需要数据库隐私,应把客户端视图与仅给被选记录的理想接口比较;对恶意客户端,还要验证其查询是否合法,而非只给诚实查询的电路隐私。

参考资料
关系图谱13 个相邻概念 · 2 类关系

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