隱私保護計算實戰

刘西蒙，男，陕西西安人，博士，福州大学研究员、博士生导师，福州大学数学与计算机科学学院院长助理，系统信息安全福建省高校重点实验室主任，福建省知联会理事，福建省“闽江学者”特聘教授，福州大学“旗山学者”（海外计划），福建省引进高层次人才(C类)，IEEE/ACM/CCF会员。主要从事密态计算、密态机器学习、大数据隐私保护、区块链，可搜索加密、公钥密码学应用等方面的研究工作；先后主持和参与国家自然科学基金项目5项(含重点项目一项)；已在国内外期刊、会议上发表SCI/EI学术论文250余篇，Google被引3300余次；申请国家发明专利4项。

熊金波，男，湖南益阳人，博士，福建师范大学教授、博士生导师，中国中文信息学会大数据安全与隐私计算专委会委员，福建省计算机学会理事，福建省高校杰出青年科研人才，福建师范大学第七届十佳青年教师，IEEE/ACM/CCF会员；获福建师范大学本科课堂教学优秀奖和第二届集英助教基金教学奖；主要从事物联网安全与隐私保护、移动数据安全等方面的研究工作；先后主持国家自然科学基金项目2项，福建省自然科学基金项目2项，福建省本科高校教育教学改革研究项目一项，作为主要成员参与国家重点研发计划、国家863计划等项目的研究；出版学术专著2部、教材一部；已在国内外期刊会议上发表SCI/EI学术论文100余篇，ESI高被引论文3篇，Google被引1100余次；申请国家发明专利13项、授权3项。

目 錄

　　

　　

　　

　　

第 1章 緒論 1

1.1 背景與概念 1

1.2 相關技術 2

1.2.1 秘密共享 2

1.2.2 同態加密 3

1.2.3 混淆電路 3

1.2.4 差分隱私 4

1.2.5 不經意傳輸 5

1.3 隱私保護計算發展歷程 5

1.4 隱私保護計算技術特點 6

1.5 隱私保護計算應用場景 6

1.5.1 金融場景 7

1.5.2 醫療場景 9

1.5.3 政務場景 10

1.5.4 新興場景 11

1.6 隱私保護計算主要挑戰 11

1.7 隱私保護計算發展趨勢 13

1.8 隱私保護計算發展建議 15

參考文獻 16

第 2章 基礎知識 18

2.1 密碼學數學基礎 18

2.1.1 整數表示 18

2.1.2 整除的概念和性質 19

2.1.3 最大公因數 20

2.1.4 廣義歐幾里得除法 20

2.1.5 最小公倍數 21

2.1.6 同餘的概念和性質 22

2.1.7 群的概念和性質 23

2.1.8 環的概念和性質 23

2.1.9 域的概念和性質 24

2.2 安全模型概述 24

2.2.1 應用場景 25

2.2.2 定義範式 25

2.2.3 附加參數 27

2.2.4 相關含義 29

2.2.5 可行性分析 30

2.2.6 不同場景下的安全討論 30

2.3 安全多方計算技術概述 31

2.3.1 差分隱私 31

2.3.2 不經意傳輸 33

2.3.3 混淆電路 35

2.3.4 同態加密 36

2.3.5 秘密共享 43

2.4 本章小結 47

參考文獻 47

第3章 框架概述 51

3.1 秘密共享框架 51

3.1.1 CrypTen 52

3.1.2 Rosetta 61

3.1.3 TF Encrypted 76

3.1.4 SPDZ 81

3.1.5 ABY 83

3.2 同態加密框架 87

3.2.1 Paillier 87

3.2.2 ElGamal 90

3.2.3 RSA 95

3.2.4 SEAL 102

3.2.5 TFHE 104

3.3 本章小結 108

參考文獻 109

第4章 隱私保護計算原語 110

4.1 秘密共享 110

4.1.1 加法與減法運算 110

4.1.2 乘法運算 119

4.1.3 或運算 127

4.1.4 異或運算 127

4.1.5 與運算 129

4.1.6 非運算 131

4.1.7 邏輯位移 131

4.1.8 比較運算 133

4.1.9 選擇運算 144

4.1.10 除法運算 145

4.1.11 指數運算 150

4.1.12 平方根運算 154

4.1.13 對數運算 158

4.1.14 三角函數 162

4.1.15 激活函數 165

4.1.16 其他函數 170

4.2 同態加密 180

4.2.1 Paillier 180

4.2.2 ElGamal 184

4.2.3 RSA 186

4.2.4 SEAL 189

4.2.5 TFHE 202

4.3 本章小結 204

參考文獻 204

第5章 面向分子性質預測模型 SMC框架的探究 206

5.1 引言 206

5.2 問題闡述 208

5.2.1 系統模型 208

5.2.2 安全模型 209

5.2.3 設計目標 209

5.3 準備工作 209

5.3.1 基本架構 210

5.3.2 符號定義 211

5.3.3 基礎安全協議 212

5.4 安全多方計算協議 213

5.4.1 安全乘法協議 213

5.4.2 安全比較協議 214

5.4.3 非線性計算處理方法 222

5.5 SMPNN框架描述 222

5.5.1 安全消息函數 223

5.5.2 安全更新函數 223

5.5.3 安全讀出函數 224

5.6 安全性分析 224

5.7 實驗評估 228

5.8 本章小結 231

參考文獻 231

第6章 面向神經網絡訓練模型SMC框架的改進 233

6.1 引言 233

6.2 系統模型 235

6.3 安全模型 236

6.4 框架設計 236

6.4.1 系統架構的改進 236

6.4.2 可信方的擴展 238

6.4.3 數據類型的適配 239

6.5 協議應用 239

6.6 實驗評估 245

6.7 本章小結 247

參考文獻 247