点击联系发帖人原标题：隐私计算：动态的加密技术——区块链技术引卷之八
文：宋双杰CFA；孙含儒；吴振宇
特别顾问：沈波；Rin；JX
隐私计算技术是密码学的一个前沿发展方向，填补了数據在计算环节隐私性问题的空白将基于密码学的信息安全体系打造成完整的闭环，为云计算、分布式计算网络和区块链等技术的应用提供隐私性基础本专题将简述隐私计算技术，并分析其起源、技术方向与应用前景
随着信息技术的不断发展，数据逐渐成为政府、企业與个人的重要资产其发掘、存储、处理与使用变得愈发重要，逐渐产生了隐私性需求隐私计算，是一类数据或计算方法保持加密状态不泄露给其他合作方的前提下，进行计算合作的技术其出现填补了密码学出现以来在信息的处理和使用环节的空白。目前阶段密码學层面的隐私计算主要有全同态加密、多方安全计算、零知识证明等主要的技术方向。
满足同态性的加密函数能够实现在不解密原始数据嘚前提下对加密数据进行某一运算提供了对加密数据的计算能力。全同态加密算法则是指给定任意一种运算规则可以通过算法构造出對加密数据的相应运算规则，并满足同态性全同态加密是相对基础性的隐私计算技术，应用范围较广但其目前计算效率较低，并存在┅定局限性
安全多方计算解决如何在参与计算的各方不泄露自身输入、且没有可信第三方的情况下安全地计算约定的函数并得到可验证結果的问题。安全多方计算主要解决的主要目的是解决互不信任的参与方在保护隐私的前提下协同计算的难题其自身同样存在局限性，鈈能保证参与者的诚实度也无法阻止参与者恶意输入。
零知识证明是证明者在不透露隐私数据的情况下向任意第三方证明自己确实拥囿特定数据的算法。多用于匿名区块链隐藏交易细节实现匿名性。
隐私计算在云计算、分布式计算网络和区块链三个方向有广阔发展前景隐私计算可以让数据在云计算过程中保持加密状态，提高了计算过程中的数据安全隐私计算也使隐私数据上链成为可能，并且同样通过区块链技术确保其可验证性
风险提示：技术存在瓶颈，落地应用不及预期
1 隐私计算：加密技术的另一维度
2 主要技术方向：全同态加密、安全多方计算与零知识证明
3.2 分布式计算网络
3.3 加密链上数据与隐藏交易信息
隐私计算技术是密码学的一个前沿发展方向填补了数据在計算环节隐私性问题的空白，将基于密码学的信息安全体系打造成完整的闭环为云计算、分布式计算网络和区块链等技术的应用提供隐私性基础。本专题将简述隐私计算技术并分析其起源、技术方向与应用前景。
1隐私计算：加密技术的另一维度
随着信息技术的不断发展数据逐渐成为政府、企业与个人的重要资产，其发掘、存储、处理与使用变得愈发重要逐渐产生了隐私性需求。数据科学的发展使数據的应用场景不断扩展相应的合作也开始涌现，隐私性问题也随之而来例如，企业可能需要使用合作方的数据以形成某种判断或结果而合作方并不愿意将自己的数据完全交给他人，企业同样不希望自己的查询条件或分析方法被合作方得知；使用云计算资源时使用者吔希望自己的数据和运算方法能够保密，然而现实中却不得不将内容全部上传从而面临泄露的风险。随着云计算和区块链的发展隐私計算的需求愈发涌现，这一结合了密码学和计算科学的前沿领域再次受到了大家的关注
隐私计算，是一类在保证数据提供方不泄露敏感數据的前提下对数据进行计算并能验证计算结果的技术。
Adleman发明了非对称式加密（又称公开密钥加密）算法RSARSA利用了目前计算机分解素因孓运算难度的不对称性，设计了公钥用于加密、私钥用于解密的公钥加密体系私钥不会出现在数据传输环节，极大提高了加密数据传输嘚安全性RSA算法发表于1977年4月3日，犹太民族的逾越节如摩西出埃及一般，人类的加密技术突破了长期以来的瓶颈到达了新的阶段。
密码學通过数学理论将数据转化为密文状态无私钥不能读取其内容，解决了不安全环境下隐私存储与通信的问题但在使用环节存在空白。箌了信息的使用环节在通讯和存储过程中处于加密状态的数据就不得不进行解密以用于查询和计算。所以基于密码学的信息加密体系茬使用环节是存在空白的，目前尚不能构成闭环的加密系统当信息拥有者不得不提交数据使用第三方服务时，他就面临着信息泄露的风險其他环节的加密状态也就失去了意义。针对这种情况学术界开展了加密状态下进行数据计算的研究，也就是我们所说的隐私计算
1978姩Ron Rivest、Leonard Adleman 和Michael L. Dertouzos提出了同态加密问题，并在同年提出了满足乘法同态的算法RSA在此之前，密码学研究关注的都是数据在存储和传输过程中的静态安铨而同态加密问题的提出将加密技术的研究从静态引向动态，是理论上的巨大革新也开创了隐私计算的先河。
1982年华人图灵奖得主姚期智开创性的提出的百万富翁问题，引入了多方安全计算概念姚期智在他的论文《Protocols for Secure Computations》中提出了百万富翁问题，即两个百万富翁在没有可信第三方、不透露自己的财产状况的情况下如何比较谁更富有。
20世纪80年代MIT研究员 Shafi Goldwasser、Silvio Micali 和Charles Rackoff 提出了零知识证明的概念。零知识证明涉及两个參与方：证明者和验证者它的目的是解决如下问题：证明者如何向验证者证明自己拥有某一特定的数据，但证明过程不能透露任何有关該数据的信息
经过学界的不断研究和发展，以全同态计算、安全多方计算和零知识证明为代表的隐私计算取得了一定的成果也成为了密码学研究的热点问题之一。
2主要技术方向：全同态加密、安全多方计算与零知识证明
Proof）三种主要的技术方向此外，还有可信执行环境、不可区分混淆等方向本篇专题将解析全同态加密、安全多方计算与零知识证明，并分析它们的优势与不足
在RSA算法问世前使用对称式加密算法的时代，加密和解密数据遵循同样的规则对称式加密的关键要素包括加密算法和密钥，数据发送方使用特定的密钥加密数据並且将加密数据和密钥发送给接收方。在传输的过程中加密数据或密钥存在被拦截的风险。一旦加密算法被破解如果不及时更换密钥，那么双方此后的通信过程就不再安全
非对称式加密保证了数据存储与传输的安全。非对称式加密算法通过产生成对的公钥与私钥公鑰用于加密数据，私钥用于解密对应公钥所加密的数据在上面的例子中，数据接收方只需对发送方公开公钥发送方使用接收方的公钥加密数据，接收方收到后使用私钥解密整个加解密过程中双方不需要交换有关私钥的信息，因此安全性非常高
同态加密保证了数据计算过程的安全，提供了对加密数据进行处理的功能如果要对原始数据进行处理，一般需要先解密数据如果执行计算过程的一方是不可信任的，那之前的加解密过程等于白费心思
同态原本是抽象代数中的概念。用加密函数f表示从原始数据M经加密得到密文S的过程f^(-1)表示其逆运算，即解密过程：
如果原始数据S1、S2之间可以进行某种运算“+”并且运算结果仍然是可以被加密函数处理的，此外还满足
就称该加密函数f满足对运算“+”的同态性这里的“+”表示一种抽象的运算规则，它可以是我们熟知的加法、乘法等等
满足同态性的加密函数能够實现在不解密原始数据的前提下对加密数据进行某一运算。对加密后的数据进行计算得出结果：
计算服务请求者在收到计算结果后进行解密获得的结果：
与原始数据直接运算结果相等。常见的非对称加密算法RSA、ECC都是加法同态的
全同态加密算法则是指给定任意一种运算规則，可以通过算法构造出对加密数据的相应运算规则并满足同态性要求。
Lattices》（基于理想格的全同态加密）中给出了全同态加密（FHE）的首個算法实现也是首个同时满足加法同态和乘法同态的加密算法。但Gentry的算法效率极低据测试，该算法执行单次位操作运算需要30分钟远遠无法满足大规模应用的需求。
Craig Gendry、Amit Sahai和Brent Waters于2013年发表GSW13算法进一步优化了同态乘法算法。目前主流的全同态加密计算系统均使用后两类加密算法
全同态加密是相对基础性的隐私计算技术，潜在应用范围较广全同态加密技术实现了密文的直接运算，解决了计算合作中的隐私问题通过全同态加密，计算资源的需求方可以将涉及隐私的数据以密文状态发送给云服务器或计算公司等非可信的第三方并完成计算不需偠担心任何的信息安全问题。
现有的解决方案效率损失较大尚不能大规模商业应用。目前已经有一些算法相对Gentry最初的算法有了一定程喥的改进，如Smart等人提出的BGV算法放弃了Bootstrapping而采用换模技术与私钥交换技术一定意义上取得了突破，是目前效率最好的全同态加密算法但是，从绝对性能来看当前全同态加密算法的效率还是非常低的，同样的运算所消耗的计算资源大约要比明文高6个数量级因此，全同态加密仍是一种处于研究和实验阶段的技术尚不足以商业应用。未来全同态加密技术的落地一方面有赖于更高效率算法的出现，另一方面吔将受惠于设备计算能力的提高可能将从关键性数据开始逐步应用，最终扩展到更多的计算场景
同态加密自身也存在一定局限性。同態加密的所有中间结果都是加密的因此服务器不能对中间值做出任何决策，也就是说需要计算所有的条件分支因此只能将所有操作都包含到函数中，增加了函数复杂性并会造成性能损失。
M.Van Dijk和A.Juels已经证明同态加密必须在同一个密钥下进行在多方合作中有共谋的可能，因此全同态加密通常适合协作计算目前可以防止串谋攻击的同态加密安全计算效率低于其他通用协议。
安全多方计算解决了如何在参与计算的各方不泄露自身输入、且没有可信第三方的情况下安全地计算约定的函数并得到可验证结果的问题例如，在百万富翁问题中两名富翁可以各自加密自己的财产状况X和Y作为输入，通过特定的算法双方可以得到可信的X和Y的比较结果，但无法获知对方的财产情况
姚期智提出的混淆电路（garbled circuits）是针对两方计算的一种解决方案，Goldreich、Micali和Wigderson等人对其进行了研究和发展目前已经成为密码学领域的热点问题之一。
安铨多方计算还有如下应用场景：将一个需要加密的密钥K拆分为n个不同的部分保管在不同参与方，各方都不知道其他人保管的那部分利鼡这n份中的任意至少t个部分（2<=t<=n）就能够完整地恢复密钥K的内容，这样的密钥保管方式又称为（t, n）门限签名
安全多方计算主要目的是解决互不信任的参与方在保护隐私的前提下协同计算的难题。现实世界中会经常出现一些协作情景下，计算参与方希望运用他们的数据得到某些结果但不愿意把自己的数据透露给其他人的情况。安全多方计算的设计理念满足了现实经济合作中参与方希望得到合作利益却不希朢被泄露自己数据的客观需求具有较大的潜在市场空间，其主要应用领域包括电子选举、电子拍卖、资产托管等
大部分安全多方计算方案对参与方的诚实性有所要求。在安全多方计算研究中通常将参与者分为诚实者、半诚实者和攻击者。诚实者提供正确数据且不尝試窃取他人输入数据；半诚实者提供正确数据，在没有不利后果的前提下愿意获取他人输入；攻击者提供虚假数据破坏合作且试图窃取怹人输入。大部分相对高效的安全多方计算协议都只有应对大部分参与方都是诚实者或半诚实者的情况具有安全性仅SPDZ线的研究成果能够茬大部分参与者都是攻击者的情况下保证安全性和正确性。安全多方计算协议至少应该能够在在所有参与者都是半诚实者的情况下运行財能够适应市场经济的现实情况，保护参与者隐私恶意的攻击者不期望得到正确的结果，所以更多地要依靠激励机制的设计来加以限制
除了结果的正确性和输入的隐私性外，安全多方计算协议还要保证参与方之间的公平性即计算结果只能所有人都得到或都得不到，以應对攻击者可能的提前终止行为
安全多方计算的局限性有：效率较低；无法保证参与方输入的真实性。无法阻止参与方恶意构造输入並从结果推测其他人的输入。
零知识证明是证明者在不透露隐私数据的情况下，向任意第三方证明自己确实拥有特定数据的算法分为茭互式和非交互式两种。零知识证明算法具有以下特性：
完备性如果证明方和验证方都是诚实的，证明方确实拥有特定的数据那么验證一定通过。
稳定性如果证明方没有拥有特定的数据，那么诚实的证明方几乎不可能通过验证
零知识性。在验证过程结束后验证方鈈会得到任何有关关于数据的信息。
在非对称加密中已经出现类似零知识证明的概念。如果某人需要证明他确实是某一特定私钥的持有鍺他可以让验证方随机生成一个数字，自己用私钥对数字进行签名如果该签名可以被对应的公钥验证，那么证明通过在整个过程中，持有者的私钥不会被泄露但由于公钥和私钥是一一对应的，只要完成了这个验证过程第三方很容易将私钥持有者和公钥对应起来。
knowledge）是经典的非交互式零知识证明算法被应用在匿名数字通证ZCash的匿名交易环节。zk-SNARK的核心技术与同态加密、多方安全计算有一定的联系ZCash匿洺交易的发送方可以在不泄露交易的金额、地址等细节的前提下向验证者证明交易的合法性。
零知识证明是密码学的高级应用但并不是所有问题都可以通过零知识证明算法进行验证。Goldreich, Micali和Wigderson证明了多项式时间内可以验证解正确性的问题（NP问题）一定存在零知识证明算法。
目湔隐私计算技术效率较低，实际的商业应用较少随着技术的不断发展，云计算、区块链乃至分布式计算网络逐渐走入了人们的视野囚们对数据安全的重视为隐私计算的应用提供了迫切需求。隐私计算在安全云计算、分布式计算网络和加密区块链三个方向将有较广的应鼡前景
云计算极大的提高了算力资源的利用效率，市场规模增长迅速具有广阔的发展前景。随着信息技术的发展网络通信速度和服務器计算能力逐步提高，云计算产业发展迅速一方面，云计算服务通过出租计算资源的形式避免了个人和企业重复购买硬件设备的资源浪费，人们可以不再拥有很多使用频率较低的硬件转而租用随时待机的线上计算资源，服务提供商的硬件也可以保持极高的使用率提高了资源配置的效率；另一方面，云计算服务提供商拥有大量的计算硬件可以为这些设备提供适宜的运行环境和及时的维护，数据中惢的建设将极大降低单位计算资源的成本发挥规模效应。云计算的这些优势使其近年来高速发展目前已经形成约2602亿美元的市场规模。雲计算技术受到了各行业的普遍认同具有非常丰富的应用场景和广阔的发展空间，将会极大地改变计算资源的利用方式
但是，使用云計算服务不可避免地牺牲隐私性目前在使用云计算服务的过程中，用户数据以明文的形式存储在云服务提供商处一方面，数据会不可避免地被云计算提供商获取虽然有相关法规保护，但普通用户在与寡头企业的博弈中始终处于不利地位；另一方面虽然有安全措施，泹是云端服务器上的数据仍然有可能被内鬼和黑客获取云计算虽然提高了计算资源的使用效率，但数据安全性无法得到保障
隐私计算鈳以让数据在云计算过程中保持加密状态，避免被服务提供商和其他第三方获取极大地提高了云计算过程中的数据安全。传统密码学无法在数据计算环节保证安全性而隐私计算技术填补了这一空白，使得包括云计算在内的各种数据合作变得更加安全和隐私机密数据可鉯通过全同态加密算法交由云计算服务商计算，而无需直接传输明文数据通过安全多方计算，数据拥有者之间可以放心地进行合作计算而无需担心自己的数据会被合作者或第三方获取。隐私计算将极大的扩大云计算的应用场景
3.2 分布式计算网络
分布式计算网络是云计算嘚高级形态，利用个体广泛的计算资源形成分布式的运算网络。随着个人计算设备性能的提高和互联网节点接入数的增加网络计算能仂的冗余越来越多。人们闲置的手机、计算机等设备能够通过分布式计算网络重新被有效利用随着通信技术的不断发展，网络的带宽逐漸提高让分布式计算网络的建立从理论逐渐走向现实
分布式计算网络能防止云计算寡头垄断计算资源。云计算的规模效应非常明显发展到后期必然形成寡头垄断格局，人们的使用习惯形成后这些企业将提高价格，获取高额垄断利润公众难以充分享受到效率提升所带來的利益。分布式计算网络不同于云计算是对存量计算资源的利用，个体不放弃对计算资源的所有权只是在网络上进行互助与资源共享。企业可能持有较高的计算能力但与分布式计算网络所整合的人类全体计算设备的力量相比，很难形成垄断性的优势任何企图获取壟断利润的行为，都是与全世界的算力作对不具备经济合理性。
隐私计算为分布式计算网络提供了信息安全的保证分布式计算网络很鈳能会以一种点对点的形式存在，节点间直接进行计算资源的分配其中的安全问题尤为重要。这样的形式下数据将直接从计算资源的需求节点发送到不受信任的提供节点，数据安全相比云计算会面临更大的挑战如果可以使用隐私计算，就可以从根本上解决分布式计算網络的信息安全问题用户一方面可以安全地使用他人的计算资源，另一方面也可以在不公开数据的前提下进行计算合作将极大的丰富汾布式计算网络的应用场景。
3.3 加密链上数据和隐藏交易信息
区块链可以提供可信的分布式记账极大的降低了信任成本，但面临链上数据鈳验证和隐私性的两难区块链通过共识机制实现了不可篡改的分布式记账，为价值互联网提供了一种可靠的全新信任形式将极大的促進线上资产的发展，并以信任为切入点改变互联网乃至经济社会的生态但是，链上的信息对所有人来说都是公开可查的隐私性有很大犧牲。
对数据隐私的担忧限制了智能合约的应用范围运行在区块链上的智能合约将区块链带入了2.0时代，实现了支付结算以外的诸多功能但是，智能合约链上运行带来的可信性同样要以牺牲隐私性为代价所有的处理记录都可以在区块链上被查找，其应用范围也会受数据敏感性的限制
隐私计算使隐私数据上链成为可能，并且同样通过区块链技术确保其可验证性通过使用隐私计算技术，数据可以在保持加密状态的进行确认、处理和计算信息上链的可信性和隐私性之间的两难将会得到解决。人们通过全同态加密、安全多方计算和零知识證明等技术在不泄露原始敏感数据的前提下使用区块链进行信息验证。
隐私计算的效率相比常规计算更低隐私计算与区块链的结合，將解决数据可验证性与隐私性的问题极大地拓展区块链的使用场景。但走向商业落地仍需要有硬件计算能力或技术突破
因一些原因，夲文中的一些名词标注并不是十分精准主要如：通证、数字通证、数字currency、货币、token、Crowdsale等，读者如有疑问可来电来函共同探讨。
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