全同態加密 (FHE) 是什麼？如何利用隱私計算改變區塊鏈應用生態

2024/1/19

隱私是網路產業長年關注的議題，Web3 也將隱私視為剛需而促使零知識證明 (ZKP) 與安全多方運算 (MPC) 等技術的落地發展。不過近期全同態加密技術 (FHE) 也逐漸走入市場眼簾中，或許有機會改變現有隱私技術的缺口而出現全新應用。

內容目錄

全同態加密 (FHE) 介紹

應用概念：加密資料不用解密可直接計算

同態加密 (Homomorphic Encryption, HE) 是一種密碼學加密技術，其目的是為了強化資料運算安全。簡單來說，當資料被 HE 函數進行加密後，該筆資料可以在不需要解密的情況下進行其他運算，藉此提升資料運算的安全性與隱私。

根據技術成熟度與可進行的操作差異，還可以分為：

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半同態加密 (Partially Homomorphic Encryption, PHE)
近似同態加密 (Somewhat Homomorphic Encryption, SWHE)
全同態加密 (Fully Homomorphic Encryption, FHE)

而全同態加密技術相對較成熟，可以進行更複雜的加密後運算並足以商業化，因此也順勢成為區塊鏈產業關注的重點技術。

FHE 可以確保資料在傳輸、運算、回傳的過程中，全程保持加密狀態，保護資料的機密性。有別於傳統的模式，使用 FHE 加密的資料，無需在計算過程中解密資料，確保不論是電信業者、雲端計算業者、廣告分析業者，都可以在不看到明文的情況下完成任務，並將完成計算後的資料 (仍然是加密狀態) 回傳給客戶，客戶再自行解密得到目標結果。

FHE 不論是對於第三方服務業者或是客戶都有幫助。對於服務業者來說，可以減少隱私資料保管疑慮，又可以收取運算費用；而對於用戶來說，可以提升資料的安全性與隱私性。

經過 FHE 加密後的數據，可在保持加密的狀態下受第三方分析或是計算處理，得到的結果只有用戶可以進行解密。

代數概念：f(x) + f(y) = f(x+y)

全同態加密讓用戶可以將資料利用 FHE 函數加密，例如將資料 x 與資料 y 利用 f 加密變成 f(x) 與 f(y)，再傳送給外部。

外部計算者可以藉由 f(x) + f(y) 計算 f(x+y)，並將 f(x+y) 回傳給用戶，用戶擁有解密函數 g，得到結果 g(f(x+y)) = x+y。

過程中外部並不知道資料明文，但仍可以完成計算並提交給資料擁有者。

案例說明

其實同態加密已經用在許多應用上：

法國科技公司利 FHE 技術協助醫院分析病患隱私資料。
韓國政府使用 FHE、MPC 等技隱私術，進行隱私問卷調查應用實驗。
國立中山大學利用同態開發「具隱私保護暨安全資料探勘之醫療資料倉儲系統」專案計畫，研發快捷式醫療服務，將醫療數據安全上傳雲端。

全同態加密在 Web3 重要性

FHE 補足 ZKP、MPC 缺口

Web3 產業現有的零知識證明 (Zero-knowledge proof, ZKP) 與安全多方運算技術 (Secure Multi-Party Computation, MPC)、可執行安全環境 (trusted execution environment, TEE) 與 FHE 的差異是什麼？為何需要再加入一個新的技術？是否會開啟新的技術競爭？

ZKP、FHE、MPC、和 TEE 實際上是互補的技術，所使用的場景有所差異。除了競爭之外，帶來更多的是組合創新的機會：

ZKP 提供相對較強的隱私保證，因為在此架構下「未加密」的資料永遠不會離開用戶的裝置。未經資料擁有者許可，任何人都無法對這些資料進行任何計算，不過反過來說也失去了可組合性。更適合驗證計算，而不是實際運行隱私型的智能合約。
FHE 具有較強的可組合性，但隱私性較弱。因為若 FHE 需要使用在區塊鏈上，仍然需要讓驗證者或是機制下的少數方擁有解密鑰匙，才能紀錄交易資訊上鏈。不過由於其可組合性與隱私特性，在鏈上應用仍具有一定需求。
MPC 提供上述兩個方法之間的中間定位。MPC 在不透露輸入的情況下完成輸出，因此允許對隱私資料進行計算 (輸入)，比 ZKP 提供更多的可組合性，不過這種計算僅限於一小部分參與者可執行。適合用在錢包私鑰管理。
TEE 提供交易在安全環境中進行解密與運算，技術也相對成熟高效率，不過卻過於依賴執行環境的安全性。適合用在去中心化要求較低的功能上。

上述各種技術皆有獨特優勢。ZKP 適合用在驗證事情真偽，FHE 適合應用在需要將私密資料提交到合約的計算場景，MPC 適合有限制身分許可的隱私計算，TEE 適合高頻計算且安全性需求較低的應用。

未來可以預見將出現結合多種加密技術的產品出現，滿足各式功能需求。

例如資產管理工具可以使用 ZKP 驗證某用戶的資金量是否達高淨值標準，同時利用 FHE 為用戶製作資產變化表格而不必傳輸個別資產資料。