浅析数据安全之密态化计算

习近平总书记指出“没有网络安全就没有国家安全”，网络安全主要包括数据、信息系统、智能系统、信息物理融合等多方面的广义安全，其中“数据安全”作为网络安全的基础，近几年一些企业以及政企系统频发数据安全泄漏问题^[1-5]，已经引起整个社会群体对于数据使用的担忧，数据安全引起整个社会的高度重视。

数据安全应保证数据产生、存储、传输、访问、使用、销毁、公开等全生命周期安全，并且需要做到保证数据处理过程的保密性、完整性、可用性。如何安全采集用户数据，并且实现安全地对用户数据进行使用，主要包括在整个数据周期中保证安全，即在数据的生产、传输、存储、访问、销毁等全生命周期的数据安全。

图1：数据端云交互过程的泄露场景

数据安全在整个社会发展中不可忽略，随着网络技术的发展，越来越多的网民开始关注个人的数据隐私，大型企业也因为担心数据被窃取导致泄漏事件发生，对企业造成负面的影响，并且企业之间很难进行数据元素的流通，从而导致“数据孤岛”现状。

随着国家对数据安全的重视，各企业告别数据明文时代，启程数据密态时代，根据专家判断，数据密态时代大致发展为三个阶段，计算密态化、大数据密态化以及数据要素密态化，考虑到目前大多数企业正在进行明文计算向密文计算转换的初始阶段，即：计算密态化。目前各行业在计算密态化阶段主要应用在较为基础和经典的场景，采用“隐私计算”的相关技术。

“隐私计算”一系列技术的提出，主要用于解决海量数据之间的安全流动，既需要保证数据发挥价值，又需要保护数据隐私安全，防止数据信息泄漏，隐私计算主要是指在数据全生命周期中，实现数据的“可用不可见”，兼顾数据流通与隐私保护两大方面，目前隐私计算想要实现的功能主要涵盖为两点：数据可用不可见，数据不动模型动。

隐私计算的技术主要分为三类：

3.1 安全多方计算的起源

安全多方计算最早起源于百万富翁问题，华裔图灵奖获得者中国科学家姚期智^[10]在1982年提出使用安全两方计算技术可以用来解决百万富翁问题。

百万富翁问题是指，在没有可信第三方的前提下，两个百万富翁如何不泄露自己的真实财产状况来比较谁更有钱。

图2：百万富翁难题原型

姚提到使用混淆电路构造比较函数f(a,b)，参与比较的两方分别输入a和b，经过混淆电路构造的函数f(a,b)的计算，根据输入值a与b的大小关系，输出0或1。

图3：解决百万富翁难题的功能函数

为了实现安全计算，姚提出在电路计算过程中对所有门电路上的计算值进行加密，针对每条线路，随机选取两个“混淆密钥”来对线路α和线路β的比特值进行加密，使用“双重加密”的方式，对于输出线路γ，保证电路的计算安全。下图所示为“或”门的双重加密过程：

图4：姚氏混淆电路中“或”门输入输出线路比特组合值表

图5：姚氏混淆电路中“或”门双重加密表

针对不同电路门运算，生成对应的电路加密表，并且需要保证电路加密表经过置换顺序后进行排列，防止由于位置导致泄露电路的输入信息，同时需要保存随机混淆值与对应真实值之间的映射关系，即“解密运算表”，用于在解密时，将电路的拓扑每层解密，实现电路的完整计算。

3.2 安全多方计算简介

安全多方计算作为隐私计算的核心技术，其主要功能简述为：在无可信第三方的前提下，多个计算节点在分布式计算环境中，各自输入数据，共同完成某个功能函数的计算，并不泄漏各个参与方的输入，并且所有参与方可以共享功能函数的输出函数值。

图6：安全多方计算过程示意图

上述过程中，各个参与方是将各自数据加密后再进行计算的，其中参与方在将数据分布式加密后再输入到功能函数的计算模块，充分保证明文的安全性。

安全多方计算本质上为功能函数的设计与计算结果的输出，在该过程，需要考虑到异地通讯部署计算节点的网络带宽问题，并且需要考虑待计算数据库的量级，以及功能函数计算时的性能和安全性，目前常用秘密共享、同态加密、不经意传输以及混淆电路这四类技术混合使用来完成多方计算函数的构造，其中秘密共享和同态加密技术将计算任务看作是函数；使用不经意传输构造的计算任务可以看作是查询功能；使用混淆电路构造的计算任务主要是电路的构造。上述四类技术在构造多方安全计算函数时，均有利弊，通常在构造时，混合使用上述几类技术。

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