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基于容错学习问题的全同态加密算法和硬件优化综述
1
作者
河人华
李冰
+3 位作者
杜一博
王颖
李晓维
韩银和
《计算机研究与发展》
北大核心
2025年第7期1738-1753,共16页
随着云计算、量子计算等技术的飞速发展,数据隐私面临严峻威胁.越来越多的用户将数据和应用程序存储在云端,但传统的安全技术难以保障云计算环境中的数据安全.在此背景下,引入全同态加密算法成为有效的解决方案之一.同时,基于格理论的...
随着云计算、量子计算等技术的飞速发展,数据隐私面临严峻威胁.越来越多的用户将数据和应用程序存储在云端,但传统的安全技术难以保障云计算环境中的数据安全.在此背景下,引入全同态加密算法成为有效的解决方案之一.同时,基于格理论的全同态加密技术具有天然的抗量子攻击能力,能够在加密状态下对数据进行任意计算,有效地为量子计算时代数据安全提供保障.尽管全同态加密有广阔的应用前景,但它存在计算和存储巨额开销的问题.为了推动全同态加密算法的应用和落地,算法和硬件领域的研究人员提出了多种解决方案并取得显著进展.归纳了主流的全同态加密技术以及分析整理算法计算库和全同态硬件加速的近5年相关工作的进展,最后展望了全同态加密技术.
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关键词
全
同态
加密
同态
加密
算法
全
同态
加密
算法库
全同态加密硬件加速器
容错学习
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职称材料
全同态加密软硬件加速研究进展
被引量:
3
2
作者
边松
毛苒
+8 位作者
朱永清
傅云濠
张舟
丁林
张吉良
张博
陈弈
董进
关振宇
《电子与信息学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第5期1790-1805,共16页
全同态加密(FHE)是一种重计算、轻交互的多方安全计算协议。在基于全同态加密的计算协议中,尽管计算参与方之间无需多轮交互与大量通信,加密状态下的密态数据处理时间通常是明文计算的10~3~10~6倍,极大地阻碍了这类计算协议的实际落地;...
全同态加密(FHE)是一种重计算、轻交互的多方安全计算协议。在基于全同态加密的计算协议中,尽管计算参与方之间无需多轮交互与大量通信,加密状态下的密态数据处理时间通常是明文计算的10~3~10~6倍,极大地阻碍了这类计算协议的实际落地;而密态数据上的主要处理负担是大规模的并行密码运算和运算所必须的密文及密钥数据搬运需求。该文聚焦软、硬件两个层面上的全同态加密加速这一研究热点,通过系统性地归类及整理当前领域中的文献,讨论全同态加密计算加速的研究现状与展望。
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关键词
全
同态
加密
同态
算法
密码
硬件
加速
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职称材料
基于Zynq平台的BFV全同态加密算法高效实现
3
作者
杨亚涛
曹景沛
+1 位作者
陈亮宇
王伟
《通信学报》
EI
CSCD
北大核心
2024年第9期192-205,共14页
针对BFV全同态加密算法,在Zynq平台上设计了一种高效实现方案。该方案结合负包裹卷积与数论变换(NTT)算法,优化并加速了多项式乘法的过程。同时采用流水线设计思想和并行化硬件电路架构,加速BFV算法的RNS实现。系统采用AXI-DMA传输机制...
针对BFV全同态加密算法,在Zynq平台上设计了一种高效实现方案。该方案结合负包裹卷积与数论变换(NTT)算法,优化并加速了多项式乘法的过程。同时采用流水线设计思想和并行化硬件电路架构,加速BFV算法的RNS实现。系统采用AXI-DMA传输机制高效地实现了ARM和FPGA之间数据传输。在Zynq Ultra‐Scale+MPSoC ZCU102平台上测试,系统在200 MHz时钟频率下,执行一次同态加法的平均耗时为0.024 ms;执行一次同态乘法的平均耗时为5.779 ms,其中包括0.874 ms的密文传输时间。与SEAL库和OpenFHE库的实现相比,所提方案的同态加法实现了4.63倍和6.79倍的效率提升,同态乘法实现了4.43倍和2.95倍的效率提升,这为全同态加密算法的实际工程实现提供了重要参考。
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关键词
全
同态
加密
BFV算法
剩余数系统
数论变换
硬件
实现
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职称材料
同态加密的硬件卸载及其在隐私保护计算中的应用
被引量:
10
4
作者
周慧凯
华蓓
《小型微型计算机系统》
CSCD
北大核心
2021年第3期595-600,共6页
同态加密可以满足计算外包、数据共享、数据交易等应用对隐私保护计算的需要,但是同态加密的高计算开销限制了它在实际生产中的应用.本文从硬件卸载的角度解决同态加密的高性能计算问题,基于Intel QAT加速卡实现了一个半同态加密的高性...
同态加密可以满足计算外包、数据共享、数据交易等应用对隐私保护计算的需要,但是同态加密的高计算开销限制了它在实际生产中的应用.本文从硬件卸载的角度解决同态加密的高性能计算问题,基于Intel QAT加速卡实现了一个半同态加密的高性能异步卸载框架QHCS. QHCS通过重构同态加密应用的软件栈来实现高效的异步卸载,并通过引入协程机制、批量加密技术等实现加密性能的最大化.本文同时给出了偏好不同性能指标(吞吐量、延迟)的两种卸载方案.进一步地,在由GPU及QAT组成的异构计算系统中,利用QHCS完整地实现了一个隐私保护的线性回归应用.实验结果表明,QHCS的吞吐量是目前软件实现的110倍,在百万量级的高维数据上实施隐私保护的线性回归计算只需十几分钟,可以较好地满足实际应用的需要.
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关键词
隐私保护计算
同态
加密
硬件
卸载
QAT
加速器
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职称材料
山东大学网络空间安全学院师生论文被国际集成电路设计自动化领域著名会议收录
5
《信息网络安全》
CSCD
北大核心
2024年第4期656-656,共1页
近日,山东大学网络空间安全学院体系结构与可信系统实验室(Computer Architecture&Trustworthy Systems Lab)的两篇学术论文被国际集成电路设计自动化领域著名会议——61th Design Automation Conference(DAC 2024,CCF-A类会议)录用...
近日,山东大学网络空间安全学院体系结构与可信系统实验室(Computer Architecture&Trustworthy Systems Lab)的两篇学术论文被国际集成电路设计自动化领域著名会议——61th Design Automation Conference(DAC 2024,CCF-A类会议)录用,山东大学是这两篇论文的第一单位。研究成果“FHE-CGRA:Enable Efficient Acceleration of Fully Homomorphic Encryption on CGRAs”的第一作者是山东大学网络空间安全学院2023级硕士研究生蒋淼淼,通讯作者为鞠雷教授,论文的合作者来自谷歌、蚂蚁集团、新加坡国立大学以及泉城实验室。全同态加密技术(FHE)允许在不解密的情况下直接对密文进行计算,是应用前景较广阔的隐私保护技术之一。支持FHE的神经网络应用程序在不同网络层通常具有不同的FHE密文变体(如不同乘法深度的密文),带来了对硬件资源利用的不同瓶颈及其设计需求。本文针对此特性,利用粗粒度可重构架构(CGRA)的运行时可重构性,基于MLIR编译器工具链提出了一套端到端同态应用的硬件加速框架FHE-CGRA。实验结果表明,FHE-CGRA与当前最优的基于FPGA的FHE-CNN加速器相比,在加速FHE-CNN应用时的能效比提升了16.48倍。
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关键词
网络空间安
全
硬件
加速
集成电路设计
工具链
硕士研究生
新加坡国立大学
谷歌
全
同态
加密
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职称材料
题名
基于容错学习问题的全同态加密算法和硬件优化综述
1
作者
河人华
李冰
杜一博
王颖
李晓维
韩银和
机构
首都师范大学数学科学学院
北京国家应用数学中心(首都师范大学)
中国科学院计算技术研究所
中国科学院大学
出处
《计算机研究与发展》
北大核心
2025年第7期1738-1753,共16页
基金
国家自然科学基金项目(62204164)
北京市教育委员会项目(KM202310028001)。
文摘
随着云计算、量子计算等技术的飞速发展,数据隐私面临严峻威胁.越来越多的用户将数据和应用程序存储在云端,但传统的安全技术难以保障云计算环境中的数据安全.在此背景下,引入全同态加密算法成为有效的解决方案之一.同时,基于格理论的全同态加密技术具有天然的抗量子攻击能力,能够在加密状态下对数据进行任意计算,有效地为量子计算时代数据安全提供保障.尽管全同态加密有广阔的应用前景,但它存在计算和存储巨额开销的问题.为了推动全同态加密算法的应用和落地,算法和硬件领域的研究人员提出了多种解决方案并取得显著进展.归纳了主流的全同态加密技术以及分析整理算法计算库和全同态硬件加速的近5年相关工作的进展,最后展望了全同态加密技术.
关键词
全
同态
加密
同态
加密
算法
全
同态
加密
算法库
全同态加密硬件加速器
容错学习
Keywords
fully homomorphic encryption
homomorphic encryption algorithm
homomorphic encryption library
fully homomorphic encryption hardware accelerator
learning with errors
分类号
TP309.7 [自动化与计算机技术—计算机系统结构]
TP303 [自动化与计算机技术—计算机系统结构]
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职称材料
题名
全同态加密软硬件加速研究进展
被引量:
3
2
作者
边松
毛苒
朱永清
傅云濠
张舟
丁林
张吉良
张博
陈弈
董进
关振宇
机构
北京航空航天大学网络空间安全学院
湖南大学半导体学院(集成电路学院)
北京微芯区块链与边缘计算研究院
出处
《电子与信息学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第5期1790-1805,共16页
基金
国家重点研发计划(2023YFB3106200)
国家自然科学基金(62002006,62172025,U21B2021,61932011,61932014,61972018,61972019,62202028,U2241213)
国防基础科研项目(JCKY2021211B017)。
文摘
全同态加密(FHE)是一种重计算、轻交互的多方安全计算协议。在基于全同态加密的计算协议中,尽管计算参与方之间无需多轮交互与大量通信,加密状态下的密态数据处理时间通常是明文计算的10~3~10~6倍,极大地阻碍了这类计算协议的实际落地;而密态数据上的主要处理负担是大规模的并行密码运算和运算所必须的密文及密钥数据搬运需求。该文聚焦软、硬件两个层面上的全同态加密加速这一研究热点,通过系统性地归类及整理当前领域中的文献,讨论全同态加密计算加速的研究现状与展望。
关键词
全
同态
加密
同态
算法
密码
硬件
加速
Keywords
Fully Homomorphic Encryption(FHE)
Homomorphic algorithm
Cryptographic hardware acceleration
分类号
TN918.4 [电子电信—通信与信息系统]
TP309.2 [自动化与计算机技术—计算机系统结构]
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职称材料
题名
基于Zynq平台的BFV全同态加密算法高效实现
3
作者
杨亚涛
曹景沛
陈亮宇
王伟
机构
北京电子科技学院电子与通信工程系
西安电子科技大学通信工程学院
出处
《通信学报》
EI
CSCD
北大核心
2024年第9期192-205,共14页
基金
北京市自然科学基金资助项目(No.4232034)
中央高校基本科研业务费资金资助项目(No.3282024058,No.3282024052)。
文摘
针对BFV全同态加密算法,在Zynq平台上设计了一种高效实现方案。该方案结合负包裹卷积与数论变换(NTT)算法,优化并加速了多项式乘法的过程。同时采用流水线设计思想和并行化硬件电路架构,加速BFV算法的RNS实现。系统采用AXI-DMA传输机制高效地实现了ARM和FPGA之间数据传输。在Zynq Ultra‐Scale+MPSoC ZCU102平台上测试,系统在200 MHz时钟频率下,执行一次同态加法的平均耗时为0.024 ms;执行一次同态乘法的平均耗时为5.779 ms,其中包括0.874 ms的密文传输时间。与SEAL库和OpenFHE库的实现相比,所提方案的同态加法实现了4.63倍和6.79倍的效率提升,同态乘法实现了4.43倍和2.95倍的效率提升,这为全同态加密算法的实际工程实现提供了重要参考。
关键词
全
同态
加密
BFV算法
剩余数系统
数论变换
硬件
实现
Keywords
fully homomorphic encryption
BFV algorithm
residual number system
number theoretic transform
hardware implementation
分类号
TN92 [电子电信—通信与信息系统]
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职称材料
题名
同态加密的硬件卸载及其在隐私保护计算中的应用
被引量:
10
4
作者
周慧凯
华蓓
机构
中国科学技术大学计算机科学与技术学院
出处
《小型微型计算机系统》
CSCD
北大核心
2021年第3期595-600,共6页
文摘
同态加密可以满足计算外包、数据共享、数据交易等应用对隐私保护计算的需要,但是同态加密的高计算开销限制了它在实际生产中的应用.本文从硬件卸载的角度解决同态加密的高性能计算问题,基于Intel QAT加速卡实现了一个半同态加密的高性能异步卸载框架QHCS. QHCS通过重构同态加密应用的软件栈来实现高效的异步卸载,并通过引入协程机制、批量加密技术等实现加密性能的最大化.本文同时给出了偏好不同性能指标(吞吐量、延迟)的两种卸载方案.进一步地,在由GPU及QAT组成的异构计算系统中,利用QHCS完整地实现了一个隐私保护的线性回归应用.实验结果表明,QHCS的吞吐量是目前软件实现的110倍,在百万量级的高维数据上实施隐私保护的线性回归计算只需十几分钟,可以较好地满足实际应用的需要.
关键词
隐私保护计算
同态
加密
硬件
卸载
QAT
加速器
Keywords
privacy-preserving computing
homomorphic encryption
hardware offloading
QAT accelerator
分类号
TP309 [自动化与计算机技术—计算机系统结构]
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职称材料
题名
山东大学网络空间安全学院师生论文被国际集成电路设计自动化领域著名会议收录
5
出处
《信息网络安全》
CSCD
北大核心
2024年第4期656-656,共1页
文摘
近日,山东大学网络空间安全学院体系结构与可信系统实验室(Computer Architecture&Trustworthy Systems Lab)的两篇学术论文被国际集成电路设计自动化领域著名会议——61th Design Automation Conference(DAC 2024,CCF-A类会议)录用,山东大学是这两篇论文的第一单位。研究成果“FHE-CGRA:Enable Efficient Acceleration of Fully Homomorphic Encryption on CGRAs”的第一作者是山东大学网络空间安全学院2023级硕士研究生蒋淼淼,通讯作者为鞠雷教授,论文的合作者来自谷歌、蚂蚁集团、新加坡国立大学以及泉城实验室。全同态加密技术(FHE)允许在不解密的情况下直接对密文进行计算,是应用前景较广阔的隐私保护技术之一。支持FHE的神经网络应用程序在不同网络层通常具有不同的FHE密文变体(如不同乘法深度的密文),带来了对硬件资源利用的不同瓶颈及其设计需求。本文针对此特性,利用粗粒度可重构架构(CGRA)的运行时可重构性,基于MLIR编译器工具链提出了一套端到端同态应用的硬件加速框架FHE-CGRA。实验结果表明,FHE-CGRA与当前最优的基于FPGA的FHE-CNN加速器相比,在加速FHE-CNN应用时的能效比提升了16.48倍。
关键词
网络空间安
全
硬件
加速
集成电路设计
工具链
硕士研究生
新加坡国立大学
谷歌
全
同态
加密
分类号
TN402 [电子电信—微电子学与固体电子学]
TP393.08 [自动化与计算机技术—计算机应用技术]
G649.2 [文化科学—高等教育学]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
基于容错学习问题的全同态加密算法和硬件优化综述
河人华
李冰
杜一博
王颖
李晓维
韩银和
《计算机研究与发展》
北大核心
2025
0
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职称材料
2
全同态加密软硬件加速研究进展
边松
毛苒
朱永清
傅云濠
张舟
丁林
张吉良
张博
陈弈
董进
关振宇
《电子与信息学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024
3
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职称材料
3
基于Zynq平台的BFV全同态加密算法高效实现
杨亚涛
曹景沛
陈亮宇
王伟
《通信学报》
EI
CSCD
北大核心
2024
0
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职称材料
4
同态加密的硬件卸载及其在隐私保护计算中的应用
周慧凯
华蓓
《小型微型计算机系统》
CSCD
北大核心
2021
10
在线阅读
下载PDF
职称材料
5
山东大学网络空间安全学院师生论文被国际集成电路设计自动化领域著名会议收录
《信息网络安全》
CSCD
北大核心
2024
0
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职称材料
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