CN112953700A - 一种提升安全多方计算效率的方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机技术领域，公开了一种提升安全多方计算效率的方法、系统及存储介质，所述提升安全多方计算效率的方法用于、第一计算方和第二计算方：第一计算方随机生成乘法三元组第一分片，并生成随机值掩盖所述分片；所述第一计算方将生成随机值与掩盖后的值发送给第二计算方；所述第二计算方接收所述第一计算方发送随机值与掩盖值，并生成乘法三元组第二分片；通过与第二分片计算得到u、v，将u与v发送给第一计算方；所述第一计算方接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c₀，并将c₀存储在本地。本发明极大的降低了计算开销与通信开销，具有可拓展性；具有严格的密码学理论作为支撑，在计算方不相互勾结情况下可保证不泄露隐私。

Description

一种提升安全多方计算效率的方法、系统及存储介质

技术领域

本发明属于计算机技术领域，尤其涉及一种提升安全多方计算效率的方法、系统及存储介质。

背景技术

大量的数据收集有助于提升机器学习算法的性能，进而产生社会与经济价值。通常机器学习会采用集中学习的方式，就是在训练模型前需收集各方数据于训练方，由训练方进行模型的训练，虽然操作方便，但是其中隐私问题不容忽视。

而安全多方计算可解决机器学习的隐私问题，目前，安全多方计算可以使不公开任何参与方的私密输入的情况下共同执行计算，参与者只需同意计算一个函数，就使用安全多方计算协议在不泄露私密输入的条件下获得该函数正确的输出。

安全多方计算其实为一些密码学协议的聚合，其中主要有同态加密、不经意传输、混淆电路等方式，其中同态加密基本运算是模幂计算，模幂计算会带来巨大的计算开销，而加密后密文比明文数据量会大很多会造成通信开销；不经意传输是基于非对称密码体系，也会有巨大的计算开销；混淆电路会产生巨大的网络通讯信息以及加解密的开销。如何改进这些协议进而提升安全多方计算的计算效率是一个关键的问题，因此，亟需一种能够提升安全多方计算效率的方法与系统。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现如今安全多方计算实现方案会有很大的计算开销与通信开销。

本发明将不使用开销巨大的同态加密、不经意传输等协议，使用掩码的方式使得计算双方协商乘法三元组，在保护用户隐私前提下，可以有效加快乘法计算的计算效率，进而提升安全多方计算的计算效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升安全多方计算效率的方法、系统及存储介质。

本发明是这样实现的，一种提升安全多方计算效率的方法，所述提升安全多方计算效率的方法用于第一计算方和第二计算方，包括：第一计算方随机生成乘法三元组第一分片，并生成随机值掩盖所述分片；所述第一计算方将生成随机值与掩盖后的值发送给第二计算方；所述第二计算方接收所述第一计算方发送随机值与掩盖值，并生成乘法三元组第二分片；通过与第二分片计算得到u、v，将u与v发送给第一计算方；所述第一计算方接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c₀，并将c₀存储在本地。

进一步，所述提升安全多方计算效率的方法包括以下步骤：

步骤一，第一计算方随机生成乘法三元组第一分片a₀、b₀保存在本地，并将a₀、b₀变换为向量X(1,b₀,a₀,a₀b₀,-1)，并生成随机向量R(r₁,r₂,r₃,r₄,r₅)掩盖向量X，生成掩盖向量Z(z₁,z₂,z₃,z₄,z₅)，随机生成随机数r计算向量W，将向量R与W发送第二计算方；

步骤二，第二计算方随机生成乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁存储本地，并将a₁、b₁、c₁变换为向量Y(a₁b₁,a₁,b₁,1,c₁)，其中第二分片与第一分片不同；所述第二计算方接收所述第一计算方发送向量R与W，计算u与v，将u与v发送给第一计算方，完成协商乘法三元组第二分片；

步骤三，第一计算方将接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c₀，并将c₀存储在本地，完成协商乘法三元组第一分片。

进一步，步骤一中，使用随机向量R与随机数r掩盖所述第一计算方生成乘法三元组第一分片a₀、b₀。

进一步，步骤一中，所述掩盖向量Z＝X-R＝(z₁,z₂,z₃,z₄,z₅)，所述向量W＝r*Z。

进一步，步骤二中，所述第二计算方生成乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁构成向量Y直接与所述第一计算方发送向量R与W计算。

进一步，步骤二中，所述u＝R·Y，v＝W·Y。

进一步，步骤三中，所述c₀＝u+v/r，其中a₀+a₁＝a，b₀+b₁＝b，c₀+c₁＝c，且a*b＝c。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的提升安全多方计算效率的方法的提升安全多方计算效率的系统，所述提升安全多方计算效率的系统包括：应用于第一计算方系统和应用于第二计算方系统；

所述应用于第一计算方系统，包括：

生成模块，用于生成随机数a₀、b₀，随机向量R和随机数r；

第一计算模块，用于通过生成向量X、R、r计算出对应W；

发送模块，用于将R、W向量发送所述第二计算方；

接收模块，用于接收所述第二计算方发送数据u、v；

第二计算模块，用于通过接收所述第二数据方发送u、v后计算得到c₀；

保存模块，用于将本地生成a₀，b₀与通过第二计算方数据计算出来的c₀存储至本地。

所述应用于第二计算方系统，包括：

生成模块，用于生成随机数乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁；

接收模块，用于接收所述第一计算方发送向量数据R、W；

计算模块，用于通过接收所述第一数据方发送R、W后计算得到u、v；

发送模块，用于将u、v数据发送所述第一计算方；

保存模块，用于将本地乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁存储至本地。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的提升安全多方计算效率的方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的提升安全多方计算效率的方法。

结合上述的所有技术方案与表1所示，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的提升安全多方计算效率的方法，不引入可信第三方，使用掩码的方式使得计算双方协商乘法三元组，可以有效加快乘法计算的计算效率并保护用户的隐私；不使用开销巨大的同态加密、不经意传输等方案，极大的降低了计算开销与通信开销；分离了计算模块、通信模块与存储模块，具有可拓展性；具有严格的密码学理论作为支撑，在计算方不相互勾结情况下可保证不泄露隐私；可有多个参与方通过秘密共享方式分发给计算方，并不局限于两方。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的提升安全多方计算效率的方法流程图。

图2(a)-图2(b)是本发明实施例提供的提升安全多方计算效率的系统结构框图。

图3是本发明实施例提供的提升安全多方计算效率的方法的示例性流程图。

表1是本发明实施例提供的提升安全多方计算效率的方法与现有方法复杂性对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升安全多方计算效率的方法、系统及存储介质，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的提升安全多方计算效率的方法包括以下步骤：

S101，第一计算方随机生成乘法三元组第一分片a₀、b₀保存在本地，并将a₀、b₀变换为向量X(1,b₀,a₀,a₀b₀,-1)，并生成随机向量R(r₁,r₂,r₃,r₄,r₅)掩盖向量X，生成掩盖向量Z(z₁,z₂,z₃,z₄,z₅)，随机生成随机数r计算向量W，将向量R与W发送第二计算方；

S102，第二计算方随机生成乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁存储本地，并将a₁、b₁、c₁变换为向量Y(a₁b₁,a₁,b₁,1,c₁)，其中第二分片与第一分片不同；所述第二计算方接收所述第一计算方发送向量R与W，计算u与v，将u与v发送给第一计算方，完成协商乘法三元组第二分片；

S103，第一计算方将接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c₀，并将c₀存储在本地，完成协商乘法三元组第一分片。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1

本说明书实施例的一个方面提供一种提升安全多方计算效率的方法，应用于第一计算方方法如下：所述第一计算方随机生成乘法三元组第一分片a₀、b₀保存在本地，并将其转换为向量X＝(1,b₀,a₀,a₀b₀,-1),并生成随机向量R＝(r₁,r₂,r₃,r₄,r₅)掩盖向量X，生成掩盖向量Z＝X–R＝(z₁,z₂,z₃,z₄,z₅)，随机生成随机数r计算向量W＝r*Z，将向量R与W发送第二计算方；所述第一计算方接收第二计算方发送其计算后数据u、v；通过计算c₀＝u+v/r，将c₀存储在本地；完成协商乘法三元组第一分片。

本说明书实施例的一个方面提供一种提升安全多方计算效率的方法，应用于第二计算方方法如下：所述第二计算方随机生成乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁存储本地并将其变换为向量Y＝(a₁b₁,a₁,b₁,1,c₁),其中第二分片与第一分片不同；所述第二计算方接收所述第一计算方发送向量R、W；计算u＝R·Y，v＝W·Y；将u与v发送给所述第一计算方；完成协商乘法三元组第二分片；

本说明书实施例的一个方面提供一种提升安全多方计算效率的系统，应用于第一计算方系统如下：生成模块，用于生成随机数a₀、b₀，随机向量R和随机数r；第一计算模块，通过生成向量X、R、r计算出对应W；发送模块，将R、W向量发送所述第二计算方；接收模块，接收所述第二计算方发送数据u、v；第二计算模块，通过接收所述第二数据方发送u、v后计算得到c₀；保存模块，将本地生成a₀，b₀与通过第二计算方数据计算出来的c₀存储至本地。

本说明书实施例的一个方面提供一种提升安全多方计算效率的系统，应用于第二计算方系统如下：生成模块，用于生成随机数乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁；接收模块，用于接收所述第一计算方发送向量数据R、W；计算模块，通过接收所述第一数据方发送R、W后计算得到u、v；发送模块，用于将u、v数据发送所述第一计算方；保存模块，将本地乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁存储至本地。

本说明书实施例的一个方面提供一种提升安全多方计算效率的装置，其中包括不限于处理器，所述处理器主要用于执行上述方法。

本说明书实施例的一个方面提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当计算机读取存储介质中的计算机指令后，计算机运行如上所述的任一项提升安全多方计算效率的方法。

实施例2

图2(a)所示的是提升安全多方计算效率的系统100的模块图。

如图2(a)所示，该模块包括110生成模块、120第一计算模块、130发送模块、140接收模块、150第二计算模块与存储模块160。该模块主要应用于第一计算方。

在一些实例中，所述生成模块110用于生成随机数，生成乘法三元组第一分片a0、b0，并且生成随机向量R与值r。

在一些实例中，所述第一计算模块120用于计算向量X与向量W。

在一些实例中，所述发送模块130用于发送向量R、W。

在一些实例中，所述接收模块140用于接收所述第二计算方发送数据u、v。

在一些实例中，所述第二计算模块150用于计算出乘法三元组第一分片c₀。

在一些实例中，所述存储模块160用于将乘法三元组第一分片a₀、b₀、c₀，存储至本地。

图2(b)所示的是提升安全多方计算效率的系统200的模块图。

如图2(b)所示，该模块包括210生成模块、220接收模块、230计算模块、240发送模块和250存储模块。该模块主要应用于第二计算方。

在一些实例中，所述生成模块210用于生成随机数，生成乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁。

在一些实例中，所述接收模块220用于接收所述第一计算方发送向量R、W。

在一些实例中，所述计算模块230用于计算所述第一计算方发送向量R、W，与生成向量Y相乘得到u、v。

在一些实例中，所述发送模块240用于发送所述第二计算方计算数据u、v。

在一些实例中，所述存储模块250用于将乘法三元组第一分片a₁、b₁、c₁，存储至本地。

应当理解，图2所示的系统及其模块可以利用各种方式来实现。例如，图2所述的模块可以通过软件、硬件或者是二者结合方式实现；其中软件部分是指其存储在存储器的系统指令例如在计算机处理器执行；而硬件部分则可以由专用逻辑实现。

需要注意的是，以上对于提升安全多方计算效率的系统100和提升安全多方计算效率的系统200及其模块的描述，仅为描述方便，并不能把本说明书限制在所举实施例范围之内。应当理解，对于计算机技术领域的工作人员来说，在了解该系统的原理后，在不背离这一原理的情况下，对各个模块进行任意组合，或者构成子系统与其他模块连接。例如，图2(a)中披露的第一接收模块110、存储模块120、第二接收模块130以及计算模块130可以是一个系统中的不同模块，也可以是一个模块实现上述的两个模块的功能。又例如，提升安全多方计算效率的系统100和提升安全多方计算效率的系统200中各个模块可以共用一个存储模块，各个模块也可以分别具有各自的存储模块。诸如此类的变形，均在本说明书的保护范围之内。

图3所示的是提升安全多方计算效率的方法300的流程图。所述方法用于第一和第二计算方。

如图3所示，主要流程包括：

在流程301中，主要是由第一计算方完成。所述第一计算方生成乘法三元组第一分片a₀，b₀变换为向量X＝(1,b₀,a₀,a₀b₀,-1),并生成随机向量R＝(r₁,r₂,r₃,r₄,r₅)掩盖向量X，生成掩盖向量Z＝X–R＝(z₁,z₂,z₃,z₄,z₅)，随机生成随机数r计算向量W＝r*Z，将向量R与W发送第二计算方；

该流程301主要由模块110、模块120和模块130完成。

在流程302中，主要是由第二计算方完成。所述第二计算方接收所述第一计算方发送向量R与W，并生成乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁变换为向量Y＝(a₁b₁,a₁,b₁,1,c₁),其中第二分片与第一分片不同，计算u＝R·Y，v＝W·Y，将u与v发送给第一计算方，并将乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁保存在本地。

该流程302主要由模块210、模块220、模块230、模块240和模块250完成。

在流程303中，主要是由第一计算方完成。所述第一计算方将接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c_0＝u+v/r。并将乘法三元组第一分片a₀、b₀、c₀保存在本地。

该流程302主要由模块140、模块150和模块160完成。

在一些实施例中，乘法三元组可以用于实现安全多方计算中的乘法运算，以下将对乘法三元组实现安全多方计算中的乘法运算的具体过程进行说明：

假设安全多方计算中的乘法计算为X*Y＝Z，保证隐私不泄露的条件下，在计算过程中会将X、Y用秘密共享的方式分发给计算双方，所述第一计算方获得分片x₀、y₀，所述第二计算方获得分片x₁、y₁，其中X＝x₀+x₁、Y＝y₀+y₁。而乘法三元组也用秘密共享方式分发给计算双方，所述第一计算方获得分片a₀、b₀、c₀，所述第二计算方获得分片a₁、b₁、c₁，其中(a₀+a₁)*(b₀+b₁)＝(c₀+c₁)。

基于安全多方计算乘法计算协议，所述第一计算方公开x₀+a₀、y₀+b₀；所述第二计算方公开x₁+a₁，y₁+b₁；那么计算双方均可以获得e＝x+a、f＝y+b；那么第一计算方就可以获得Z的第一个分片z₀＝-f*a₀–e*b₀+c₀，第二计算方就可以获得Z的第二个分片z₁＝-f*a₀–e*b₀+c₀。

表1所示是本发明实施例提供的提升安全多方计算效率的方法与现有方法复杂性对比。

实验环境基于Ubuntu20，CPU型号为I5-8500，内存为8G，在局域网环境下测试。

其中环大小

时间单位为μs，数据量单位为Bytes，测试100000组乘法，平均到每组数据。实验数据表明，无论是运行时间还是数据通信量，本发明方案均要优于原有方案。

表1

	时间	数据量
			同态加密(Paillier)	4925.37	1581
不经意传输	8.33	3072
			本发明方案	0.312	96

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提升安全多方计算效率的方法，其特征在于，所述提升安全多方计算效率的方法用于第一计算方和第二计算方，包括：第一计算方随机生成乘法三元组第一分片，并生成随机值掩盖所述分片；所述第一计算方将生成随机值与掩盖后的值发送给第二计算方；所述第二计算方接收所述第一计算方发送随机值与掩盖值，并生成乘法三元组第二分片；通过与第二分片计算得到u、v，将u与v发送给第一计算方；所述第一计算方接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c₀，并将c₀存储在本地。

2.如权利要求1所述的提升安全多方计算效率的方法，其特征在于，所述提升安全多方计算效率的方法包括以下步骤：

步骤一，第一计算方随机生成乘法三元组第一分片a₀、b₀保存在本地，并将a₀、b₀变换为向量X(1,b₀,a₀,a₀b₀,-1)，并生成随机向量R(r₁,r₂,r₃,r₄,r₅)掩盖向量X，生成掩盖向量Z(z₁,z₂,z₃,z₄,z₅)，随机生成随机数r计算向量W，将向量R与W发送第二计算方；

步骤二，第二计算方随机生成乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁存储本地，并将a₁、b₁、c₁变换为向量Y(a₁b₁,a₁,b₁,1,c₁)，其中第二分片与第一分片不同；所述第二计算方接收所述第一计算方发送向量R与W，计算u与v，将u与v发送给第一计算方，完成协商乘法三元组第二分片；

步骤三，第一计算方将接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c₀，并将c₀存储在本地，完成协商乘法三元组第一分片。

3.如权利要求2所述的提升安全多方计算效率的方法，其特征在于，步骤一中，使用随机向量R与随机数r掩盖所述第一计算方生成乘法三元组第一分片a₀、b₀。

4.如权利要求2所述的提升安全多方计算效率的方法，其特征在于，步骤一中，所述掩盖向量Z＝X-R＝(z₁,z₂,z₃,z₄,z₅)，所述向量W＝r*Z。

5.如权利要求2所述的提升安全多方计算效率的方法，其特征在于，步骤二中，所述第二计算方生成乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁构成向量Y直接与所述第一计算方发送向量R与W计算。

6.如权利要求2所述的提升安全多方计算效率的方法，其特征在于，步骤二中，所述u＝R·Y，v＝W·Y。

7.如权利要求2所述的提升安全多方计算效率的方法，其特征在于，步骤三中，所述c₀＝u+v/r，其中a₀+a₁＝a，b₀+b₁＝b，c₀+c₁＝c，且a*b＝c。

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：第一计算方随机生成乘法三元组第一分片，并生成随机值掩盖所述分片；所述第一计算方将生成随机值与掩盖后的值发送给第二计算方；所述第二计算方接收所述第一计算方发送随机值与掩盖值，并生成乘法三元组第二分片；通过与第二分片计算得到u、v，将u与v发送给第一计算方；所述第一计算方接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c₀，并将c₀存储在本地。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：第一计算方随机生成乘法三元组第一分片，并生成随机值掩盖所述分片；所述第一计算方将生成随机值与掩盖后的值发送给第二计算方；所述第二计算方接收所述第一计算方发送随机值与掩盖值，并生成乘法三元组第二分片；通过与第二分片计算得到u、v，将u与v发送给第一计算方；所述第一计算方接收所述第二计算方发送数值u、v，计算c₀，并将c₀存储在本地。

10.一种实施权利要求1～7任意一项所述的提升安全多方计算效率的方法的提升安全多方计算效率的系统，其特征在于，所述提升安全多方计算效率的系统包括：应用于第一计算方系统和应用于第二计算方系统；

所述应用于第一计算方系统，包括：

生成模块，用于生成随机数a₀、b₀，随机向量R和随机数r；

第一计算模块，用于通过生成向量X、R、r计算出对应W；

发送模块，用于将R、W向量发送所述第二计算方；

接收模块，用于接收所述第二计算方发送数据u、v；

第二计算模块，用于通过接收所述第二数据方发送u、v后计算得到c₀；

保存模块，用于将本地生成a₀，b₀与通过第二计算方数据计算出来的c₀存储至本地；

所述应用于第二计算方系统，包括：

生成模块，用于生成随机数乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁；

接收模块，用于接收所述第一计算方发送向量数据R、W；

计算模块，用于通过接收所述第一数据方发送R、W后计算得到u、v；

发送模块，用于将u、v数据发送所述第一计算方；

保存模块，用于将本地乘法三元组第二分片a₁、b₁、c₁存储至本地。

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