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隐私计算与密码学应用实践

作译者：成方金融科技有限公司

出版时间：2023-11 千字数：388 版次：01-01 页数：324

开本：16开装帧： I S B N ：9787121465925

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纸质书定价：￥118.0

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第1 章 从隐私计算到密码学 ............................................................. 1
1.1 什么是隐私计算 ................................................................................. 1
1.1.1 从“百万富翁”问题说起 ...................................................... 2
1.1.2 数据很重要 .............................................................................. 2
1.1.3 数据安全很重要 ...................................................................... 4
1.1.4 隐私计算在做什么 .................................................................. 5
1.2 理论研究与工程实践：技术变革的动力之源 .................................. 6
1.2.1 基础理论研究：科技探索的基石 .......................................... 6
1.2.2 工程实践：让理论之光照向现实 .......................................... 9
1.3 计算机世界的问题解决之道 ............................................................ 12
1.3.1 从第三次数学危机说起 ........................................................ 12
1.3.2 图灵机：计算机科学的理论基石 ........................................ 14
1.3.3 冯·诺依曼结构：计算机工程发展的坚实基础 ................ 16
1.4 现代密码学：计算机时代的密码学 ................................................ 18
1.4.1 密码学简介 ............................................................................ 19
1.4.2 浅析密码体制的安全性 ........................................................ 21
1.4.3 数论：现代密码学的数学基础 ............................................ 22
1.4.4 计算困难问题：密码的安全基础 ........................................ 26
1.5 小结 ................................................................................................... 29
第2 章 密码学基础 ......................................................................... 31
2.1 安全模型假设 ................................................................................... 33
2.1.1 两种较弱的攻击方式 ............................................................ 34
2.1.2 选择明文攻击 ........................................................................ 34
2.1.3 选择密文攻击 ........................................................................ 35
2.2 分组密码 ........................................................................................... 36
2.2.1 定义与属性 ............................................................................ 37
2.2.2 AES 算法 ............................................................................... 37
2.2.3 SM4 算法 ............................................................................... 40
2.3 伪随机函数 ....................................................................................... 45
2.3.1 函数簇与随机函数 ................................................................ 45
2.3.2 伪随机函数定义与分析 ........................................................ 46
2.3.3 伪随机函数应用 .................................................................... 47
2.4 密码哈希函数 ................................................................................... 49
2.4.1 SHA-2 算法 ........................................................................... 50
2.4.2 SM3 算法 ............................................................................... 54
2.5 公钥密码 ........................................................................................... 56
2.5.1 数学基础知识 ........................................................................ 57
2.5.2 RSA 算法 ............................................................................... 63
2.5.3 椭圆曲线密码 ........................................................................ 67
2.5.4 SM2 算法 ............................................................................... 72
2.5.5 ElGamal 算法 ........................................................................ 75
2.6 小结 ................................................................................................... 80
第3 章 隐私计算与前沿密码学 ....................................................... 81
3.1 混淆电路 ........................................................................................... 82
3.1.1 基本介绍 ................................................................................ 82
3.1.2 Point-and-permute 方案 ......................................................... 86
3.1.3 Free-XOR 方案 ...................................................................... 87
3.1.4 Garbled Row Reduction 方案 ................................................ 89
3.1.5 Half-Gate 方案 ....................................................................... 94
3.1.6 小结 ...................................................................................... 100
3.2 秘密共享 ......................................................................................... 102
3.2.1 基础秘密共享方案 .............................................................. 103
3.2.2 门限秘密共享方案 .............................................................. 105
3.2.3 线性秘密共享 ...................................................................... 109
3.2.4 小结 ...................................................................................... 112
3.3 同态加密 ......................................................................................... 114
3.3.1 基本介绍 .............................................................................. 115
3.3.2 背景知识 .............................................................................. 116
3.3.3 半同态加密 .......................................................................... 120
3.3.4 基于整数的有限同态加密 .................................................. 125
3.3.5 基于LWE 的全同态加密算法 ........................................... 127
3.3.6 基于RLWE 的全同态加密 ................................................. 130
3.3.7 小结 ...................................................................................... 135
3.4 零知识证明 ..................................................................................... 137
3.4.1 基本介绍 .............................................................................. 137
3.4.2 Schnorr 协议 ........................................................................ 142
3.4.3 zk-SNARK 协议 .................................................................. 143
3.4.4 小结 ...................................................................................... 153
3.5 不经意传输 ..................................................................................... 154
3.5.1 基本介绍 .............................................................................. 155
3.5.2 随机不经意传输 .................................................................. 157
3.5.3 不经意传输扩展 .................................................................. 159
3.5.4 小结 ...................................................................................... 164
第4 章 隐私计算协议及其应用 ..................................................... 166
4.1 隐私信息检索 ................................................................................. 167
4.1.1 使用不经意传输构建隐私信息检索 .................................. 168
4.1.2 使用同态加密构建隐私信息检索 ...................................... 170
4.1.3 使用拉格朗日插值构建隐私信息检索 .............................. 173
4.1.4 具体案例 .............................................................................. 178
4.2 隐私集合求交 ................................................................................. 183
4.2.1 基于密钥交换协议的隐私集合求交 .................................. 184
4.2.2 基于同态加密的隐私集合求交 .......................................... 187
4.2.3 基于不经意传输的隐私集合求交 ...................................... 190
4.2.4 具体案例 .............................................................................. 198
4.3 多方联合计算分析 ......................................................................... 202
4.3.1 基于同态加密的联合计算协议（SPDZ） ........................ 203
4.3.2 基于不经意传输的联合计算协议（MASCOT） ............. 212
4.3.3 具体案例 .............................................................................. 220
4.4 隐私保护机器学习 ......................................................................... 224
4.4.1 基于不经意传输的隐私保护机器学习协议 ...................... 227
4.4.2 基于秘密共享和同态加密的隐私保护机器学习协议 ...... 240
4.4.3 基于复制秘密共享的隐私保护机器学习协议 .................. 244
4.4.4 具体案例 .............................................................................. 253
第5 章 隐私计算应用案例 ............................................................ 256
5.1 同态加密在支付对账流程中的应用 .............................................. 256
5.1.1 业务背景 .............................................................................. 256
5.1.2 业务痛点 .............................................................................. 257
5.1.3 解决方案 .............................................................................. 257
5.2 多方联合金融电信反诈与监管协同方案 ...................................... 262
5.2.1 业务背景 .............................................................................. 262
5.2.2 业务痛点 .............................................................................. 263
5.2.3 解决方案 .............................................................................. 265
5.3 隐匿查询在黑名单共享中的应用 .................................................. 270
5.3.1 业务背景 .............................................................................. 270
5.3.2 业务痛点 .............................................................................. 272
5.3.3 解决方案 .............................................................................. 272
5.4 隐私求交在合格投资者认证中的应用 .......................................... 275
5.4.1 业务背景 .............................................................................. 275
5.4.2 业务痛点 .............................................................................. 277
5.4.3 解决方案 .............................................................................. 277
5.5 隐私求和在小微企业贷前风险识别中的应用 .............................. 280
5.5.1 业务背景 .............................................................................. 280
5.5.2 业务痛点 .............................................................................. 281
5.5.3 解决方案 .............................................................................. 281
5.6 基于Web3 的电子健康记录安全共享 .......................................... 286
5.6.1 业务背景 .............................................................................. 286
5.6.2 业务痛点 .............................................................................. 287
5.6.3 基础知识 .............................................................................. 287
5.6.4 解决方案 .............................................................................. 290
5.7 秘密共享在人脸特征隐私保护方向的应用 .................................. 292
5.7.1 业务背景 .............................................................................. 292
5.7.2 业务痛点 .............................................................................. 292
5.7.3 解决方案 .............................................................................. 292
第6 章 遇见未来：新探险的开始 .................................................. 298
6.1 量子时代的密码学 ......................................................................... 299
6.1.1 从薛定谔的猫说起 .............................................................. 299
6.1.2 量子计算：超越现有算力下的密码学 .............................. 300
6.1.3 量子通信：量子世界带来的安全保障 .............................. 302
6.2 工程优化的探索 ............................................................................. 303
6.3 隐私计算生态的建设发展 .............................................................. 306
参考文献 .......................................................................................... 308

前言
关于本书
随着隐私计算技术的日渐火热，与隐私计算相关的图书和学习资料也越来越多，特别是很多业界专家的著作，从专业视角为大家提供了权威、严谨的学习指导。但我们发现，业界专家分享的基础知识、术语及其思想对初学者而言，理解起来具有一定的难度。在密码学领域，这个特点尤为显著，而密码学又是隐私计算技术的重要安全理论基础；因此，我们发现，需要一本从初学者的角度去介绍隐私计算及其密码学知识的图书，以帮助读者梳理、构建起隐私计算的理论知识体系，特别是构建起密码学的知识体系。
本书就是一本写给初学者阅读的隐私计算与密码学图书。同时，作为一本技术图书，我们希望它是有实用价值的。
本书还有一个重要的目标，就是希望帮助初学者学习如何应用隐私计算技术去解决实际问题。
基于以上目标，本书具有以下鲜明特点：写给初学者，内容注重实践。当我们关注一项技术时，总会关心这项技术能解决什么问题，以及怎样解决这些问题，因为任何一项技术总是在具体的应用中才能更好地体现自身价值。
关于隐私计算的应用，实施路径上一般会首先针对需要解决的问题或者需求，基于隐私集合求交、多方联合计算分析、隐私信息检索、隐私保护机器学习等技术设计出满足需求的解决方案。这些解决方案的核心技术内容由同态加密、不经意传输、零知识证明等隐私计算的协议和算子构成，而支撑实现这些协议和算子功能的是分组密码、伪随机函数、密码哈希函数等基础密码学算法。所以从基础密码学算法开始，沿着这条实施路径往应用的方向去看，就形成了一条隐私计算初学者的学习路径。就像建造一座大厦一样，当初学者去开启学习之旅的时候，需要从地基（基
础密码算法）开始，逐步构建起建筑的框架（隐私计算协议、算子），最终完成大厦的建造（隐私计算的应用）。因此，本书在章节安排上遵循了上述逻辑来进行知识体系的梳理和构建，并从隐私计算协议算子的部分开始，注重具体应用案例的介绍。
本书结构
本书共分6 章，具体内容如下。
第1 章，梳理隐私计算技术的发展历程，通过通俗易懂的语言以“初学者的视角”构建隐私计算及密码学的认知线索，旨在帮助读者建立起对隐私计算的整体认识。
第2 章，重点介绍用以构造隐私计算协议和算子的密码学基础理论知识，包括安全模型假设、分组密码、伪随机函数、密码哈希函数，以及公钥密码体系等内容，旨在为读者对后续内容的理解和学习打下坚实的基础。
第3 章，详细介绍支撑隐私计算应用的前沿密码学内容，包括混淆电路、同态加密、秘密共享、零知识证明和不经意传输。这些内容是构造隐私计算协议、支撑隐私计算应用的重要构件。本章和第2 章的内容构成了隐私计算的密码学理论基础。
第4 章，在完成密码学的基础学习之后，更进一步地介绍能够支撑广泛应用的隐私计算协议，包括隐私信息检索、隐私集合求交、多方联合计算分析，以及隐私保护机器学习这个隐私计算的热点应用。针对每一个知识点，书中除了介绍理论知识，还在每节的最后给出了该领域的具体应用案例，旨在让读者能够了解到该技术的应用，从而加深对该技术的理解。
第5 章，深入探讨隐私计算技术的应用案例，从不同的领域中选取具有代表性的案例进行分析和研究，旨在展示隐私计算技术在不同领域中的应用及其效果。第6 章，以量子力学、工程优化和生态建设为切入点，介绍当下隐私计算业
界的一些探索，以及在技术上未来发展的可能性。
本书以密码学知识体系作为介绍隐私计算的着眼点，涵盖了基础密码学和前沿密码学的相关内容，梳理了隐私计算应用、隐私计算算子、基础密码学算法的具体对应关系，读者可以根据需要有针对性地进行学习。希望本书可以为隐私计算的初学者构建一个“从入门到精通”的学习地图。当然从另一方面来看，有志于跨过密码学门槛的学习者，肯定也会对隐私和密码技术怀有浓厚的兴趣，因此才会开启这次学习之旅。
所以，最后我们想说，这也是一本写给对隐私计算感兴趣的读者的书。
致谢
首先，我们要感谢成方金科（成方金融科技有限公司的简称）的各位领导和同事，可以说成方金科开放、包容、鼓励技术创新和研究的工作氛围，是支持本书顺利完成的重要基础。
其次，我们在写作过程中也参阅了大量的专业著作、科研论文和其他技术资料，对这些资料的研读和学习，让我们受益匪浅。在此，对这些著作、论文及其他技术资料的作者致以诚挚的谢意。
这里要特别感谢许洁同学对书稿的审校。最后，特别感谢我们的家人。正是有了他们的支持与陪伴，我们才有时间完
成本书的编写工作。
由于作者水平有限，书中难免会有一些错漏之处，欢迎广大读者批评、指正。
作 者

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