التشفير المتماثل بالكامل: مقدمة عن المبادئ ومجالات التطبيق

التشفير عادة ما ينقسم إلى نوعين: التشفير الثابت والتشفير أثناء النقل. يقوم التشفير الثابت بتخزين البيانات المشفرة على أجهزة الهاردوير أو الخوادم السحابية، ولا يمكن عرض المحتوى المفكك إلا من قبل المصرح لهم. بينما يضمن التشفير أثناء النقل أن البيانات المرسلة عبر الإنترنت يمكن تفسيرها فقط من قبل الجهة المستلمة المحددة. تعتمد كلا الطريقتين على خوارزميات التشفير، وتستخدم التشفير المعتمد لضمان سلامة البيانات وصدقها.

بالنسبة لبعض سيناريوهات التعاون المتعدد الأطراف، يتطلب الأمر معالجة معقدة للنصوص المشفرة، مما يتضمن تقنيات حماية الخصوصية، والتشفير المتماثل بالكامل ( FHE ) هو واحد منها. على سبيل المثال، في التصويت عبر الإنترنت، يمكن للناخبين تشفير نتائج تصويتهم ثم تقديمها إلى جهة وسيطة، التي تقوم بإحصاء النتائج النهائية ونشرها. لكن بموجب حلول التشفير التقليدية، يجب على الوسيط المسؤول عن الإحصاء فك تشفير جميع بيانات التصويت لإكمال الإحصاء، مما يكشف عن نتائج تصويت كل شخص.

لحل هذه المشكلة، يمكن إدخال تقنية التشفير المتماثل بالكامل. يسمح FHE بإجراء حسابات دالة مباشرة على النصوص المشفرة دون فك تشفيرها، للحصول على نتائج مشفرة من مخرجات هذه الدالة، وبالتالي حماية الخصوصية. في نظام FHE، التركيب الرياضي للدالة f هو علني، لذا يمكن تنفيذ عملية معالجة المدخلات النصية المشفرة x للحصول على النتيجة f(x) على السحابة دون الكشف عن الخصوصية. من الجدير بالذكر أن x و f(x) كلاهما نصوص مشفرة، ويجب فك تشفيرهما باستخدام المفتاح.

FHE هو نظام تشفير مضغوط، حجم النص المشفر لنتيجة f(x) وعبء فك التشفير يعتمد فقط على النص الأصلي المقابل للبيانات المدخلة x، ولا يعتمد على العملية الحسابية المحددة. هذا يختلف عن أنظمة التشفير غير المضغوطة، التي عادة ما تربط ببساطة x مع شفرة المصدر للدالة f، مما يسمح للمستقبل بفك تشفير x وإدخال f لإكمال الحساب.

في التطبيقات العملية، يُعتبر نموذج التفويض القائم على التشفير المتماثل بالكامل بديلاً عن بيئات التنفيذ الآمنة مثل TEE. تعتمد أمان التشفير المتماثل بالكامل على خوارزميات التشفير، ولا تعتمد على الأجهزة، وبالتالي لا تتأثر بهجمات القنوات الجانبية السلبية أو هجمات خوادم السحابة. عندما تكون هناك حاجة لتفويض مهام حساب البيانات الحساسة، فإن التشفير المتماثل بالكامل أكثر أمانًا وموثوقية من الأجهزة الافتراضية المستندة إلى السحابة أو TEE.

عادةً ما تتضمن أنظمة التشفير المتماثل بالكامل مجموعات متعددة من المفاتيح:

1. مفتاح فك التشفير: المفتاح الرئيسي، يستخدم لفك تشفير نصوص FHE المشفرة، وعادة ما يتم إنشاؤه محليًا من قبل المستخدم ولا يتم نقله خارجًا.

2. مفتاح التشفير: يستخدم لتحويل النص العادي إلى نص مشفر، وعادة ما يكون علنيًا في نمط المفتاح العام.

3. حساب المفتاح: يستخدم لإجراء عمليات التشفير المتماثل على النص المشفر، ويمكن نشره بشكل علني.

للتشفير المتماثل بالكامل العديد من سيناريوهات التطبيقات والأنماط:

1. نموذج الاستعانة بمصادر خارجية: مناسب لتحويل الحوسبة السحابية العادية إلى حوسبة خاصة، لكنه حالياً مقيد بأداء الأجهزة.

2. نمط الحساب بين طرفين: يساهم كلا الطرفين ببيانات خاصة لإجراء الحساب، وهو مناسب للسيناريوهات التي تتطلب حماية خصوصية كلا الطرفين.

3. نمط التجميع: إجراء تجميع مضغوط وقابل للتحقق للبيانات من عدة مشاركين، مناسب للتعلم الفيدرالي وأنظمة التصويت عبر الإنترنت.

4. نمط العميل-الخادم: يقدم الخادم خدمات حساب FHE لعملاء بمفاتيح مستقلة متعددة، مما يجعله مناسبًا لسيناريوهات مثل حسابات نماذج الذكاء الاصطناعي الخاصة.

لضمان صحة النتائج المحسوبة خارجيًا، يمكن استخدام التحقق المتكرر أو التوقيع المتماثل بالكامل. لمنع فك تشفير المتغيرات الوسيطة، يمكن تقييد وصول حاملي مفاتيح فك التشفير إلى النصوص المشفرة الوسيطة، أو استخدام طريقة المشاركة السرية لتوزيع مفتاح فك التشفير.

التشفير المتماثل ينقسم إلى التشفير المتماثل الجزئي (PHE)، والتشفير المتماثل القائم على المستوى (LHE)، والتشفير المتماثل بالكامل (FHE). FHE هو الحل الوحيد الذي يمكنه ضمان أن استهلاك الذاكرة ووقت التشغيل للحساب المتماثل يتناسبان مع المهمة الأصلية، ولكنه يتطلب إجراء عمليات تمهيد مكلفة بشكل دوري للسيطرة على الضوضاء.