JP2019514301A - 準同型に暗号化されたデータに対する検証および演算の実行のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
機密データに対して実行される準同型暗号化/復号の演算は、図1〜5および図6A〜6Eに示すように実行できる。鍵の生成は、鍵管理システム36など、セキュアなシステムにおいて行われる。公開鍵68は、機密情報を保持するリモートデバイス20(医療用装置、クレジットカード、リモートセンサなど)を配備する前に、リモートデバイス20に事前にロードできる。代わりに、または加えて、ネットワークリソース(パブリッククラウドなど)を通じて公開鍵68をリモートデバイス20において使用可能にすることもできる。この場合は、公開鍵68にアクセスするために資格情報の検証または認可(ユーザ名およびパスワードなど)を必要とするように構成できる。リモートデバイス20の基板上、およびデータシステム120内の暗号化エンジン62は、以下に記載する準同型暗号化の手法を実装するように構成できる。鍵管理システム36における復号エンジン104は、以下に記載する準同型復号の手法を実装するように構成できる。データシステム22及び120における計算エンジン88は、等式、計算パラメータ、上限、下限、中間結果、および累算結果の保存および処理を含め、以下に記載する計算手法を実装するように構成できる。
本方法およびシステムはRLWE(Ring Learning With Errors)暗号方式を利用できる。以下では、当該方式の一般的な原理について説明する。ただし、本方式は特に制限されるものではなく、他の適切な多項式ベースの完全準同型暗号方式を使用できる。さらに、下記における相違点はいずれも、周知の技術の観点から暗号分野の当業者に十分理解されよう。
本発明の一部の例では、RLWEベースのFHE方式の代替として、NTRU式の暗号化方式を使用して計算の複雑さを低減し、演算を高速化する。以下では、この点について詳細に説明する。当該暗号化システムは以下のように動作する。
準同型暗号化システムの実施形態の応用分野として、金融取引、特にクレジットカード取引も挙げられる。近年、クレジットカードに対する攻撃は著しくエスカレートしており、大規模な侵害の事例では、数百万もの顧客レコードが流出している。いったん流出すると、顧客情報が(ダークウェブなどで)転売されたり、不正な取引、特に非対面(CNP)取引に利用されたり、販売時点情報管理(POS)システムに対する直接攻撃に利用されたりする可能性がある。
VISA(登録商標)やMasterCard(登録商標)など、主要なクレジットカード会社は、4当事者モデル(four−party model)によるクレジットカード取引を構築している。このモデルの当事者はカード保有者1500、加盟店1510(サービス提供者)、決済処理者1520(アクワイアラ)、およびカード発行者1540である。さらに、第5の当事者としてクレジットカード会社(決済ブランド)1530が存在する場合もある。これらを図15に示す。
機密性の高い医療データとともに使用するために本発明の一実施形態のさまざまな態様を具体化した、ネットワーク接続型コンピュータシステムを図1に示す。複数のリモート医療デバイス20が、ワイドエリアネットワーク24を通じて医療データシステム22に接続されている。リモート医療デバイス20は、ウェアラブルデバイス26、患者の端末28、研究室の端末30などを含み得る。ウェアラブルデバイス26は、専用の医療デバイス、スマートウォッチ、ウェアラブルコンピュータ、装着型のアクティビティトラッカ、計測機能付きの衣類などのデバイスを含み得る。ウェアラブルデバイス26は、加速度計、心拍計、体温計、呼吸モニタ、グルコースモニタ、全地球的測位システム(GPS)受信機、気圧センサなどのセンサ、およびそれらの組み合わせなどを含み得るが、これらに限定されない。患者の端末28および研究室の端末30は、スマートフォン、タブレットコンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータなどのデバイスを含み得る。ウェアラブルデバイス26、患者の端末28、および研究室の端末30などのリモート医療デバイス20を相互に区別する特徴は、本発明を制限すると考えられない。これらのデバイス26〜30の機能は重なり合う場合がある。ウェアラブルデバイス26および患者の端末28は患者から直接データを収集する。この収集は、患者が手作業で入力することなく行える。ウェアラブルデバイス26および患者の端末28では、患者32がデータを手作業で(タイプや選択などによって)入力できる。研究室の端末30では、患者32に対して行われた医学的検査などの医療処置に関連したデータ(血液検査の結果など)を入力するために、医療担当者34(臨床医、研究室の技師、看護師、医師など)による何らかの形の手動入力が必要になる場合がある。
Claims (99)
- 暗号化状態のデータを完全に復号することなく、前記データからの情報をセキュアに伝送および抽出するための方法であって、
データ要求を受信するステップを含み、
前記データ要求の少なくとも一部が準同型暗号化方式に従って暗号化され、
前記データ要求の前記暗号化部分が少なくとも機密データ群を含み、
前記方法がさらに、1つ以上の暗号化状態の比較データ群をデータベースから取得するステップを含み、
暗号化状態の比較データ群それぞれが準同型暗号化方式に従って暗号化され、
前記方法がさらに、1つ以上の準同型演算を使用することによって、前記データ要求からの暗号化状態の前記機密データ群を暗号化状態の比較データ群それぞれと比較し、暗号化状態の前記機密データ群に一致する暗号化状態の比較データ群を判別するステップ、および一致したときに前記機密データ群を検証するステップと、
前記機密データ群の検証の成否を示す暗号化状態の指標を生成するステップと、
前記データ要求に関連付けられた当事者に前記暗号化状態の指標を転送するステップと
を含み、
本方法の中で前記機密データ群が一切復号されない、方法。 - 前記準同型暗号化方式が完全準同型暗号化方式であるかsomewhat準同型暗号化方式である、請求項1に記載の方法。
- 前記データ要求がさらに、少なくとも1つの非機密データ群を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記データ要求が複数の機密データ群を含む、請求項1に記載の方法。
- 検証対象の機密データ群を判別するステップの実行をさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記データ要求の一部が前記比較データ群と比較され、前記比較データ群のサイズを削減した後に暗号化状態の前記機密データ群を比較する、請求項1に記載の方法。
- 前記1つ以上の準同型演算を組み合わせてXNOR演算を構成する、請求項1に記載の方法。
- 前記機密データ群が身分証明書、パスポート、運転免許証、セキュリティカード、キャッシュカード、クレジットカード、および健康保険証のいずれかに由来する、請求項1に記載の方法。
- 前記暗号化状態の指標が、前記データ要求の送信元である前記当事者と異なる当事者に送信される、請求項1に記載の方法。
- データシステムであって、
ネットワークに接続して複数のリモートデータデバイスから準同型暗号化状態のデータを受信するためのネットワークインタフェースを備え、
前記準同型暗号化状態のデータが、前記リモートデータデバイスに関連付けられたユーザに関連付けられ、
前記データシステムがさらに、前記ネットワークインタフェースに接続される計算エンジンを備え、
前記計算エンジンが、前記データに対する準同型計算を実行して、選択的に復号可能な計算結果を得るように構成される、
データシステム。 - 前記計算エンジンが離散計算を実行するように構成される、請求項10に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが連続計算を実行するように構成される、請求項10に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが関係演算を実行するように構成される、請求項10に記載のシステム。
- 前記準同型暗号化状態のデータが公開鍵を使用して暗号化され、前記公開鍵が、分析のために計算結果を選択的に復号するために使用される秘密鍵に対応する、請求項10に記載のシステム。
- 前記秘密鍵を保存する鍵管理システムをさらに含み、前記鍵管理システムが、許可された当事者のために計算結果を選択的に復号する目的で前記秘密鍵を提供するように構成される、請求項14に記載のシステム。
- 前記鍵管理システムが、アナリスト端末における出力のために計算結果を選択的に復号する目的で前記秘密鍵を提供するように構成される、請求項15に記載のシステム。
- 前記計算結果に基づいてアラートを出力するように構成されるアラートトリガをさらに含む、請求項10に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが、中国の剰余定理(CRT)、数論変換(NTT)、1つ以上の記憶装置ブロック、1つ以上の記憶装置インタフェース、行列の乗算、行列の加算、またはこれらの組み合わせを実装するように構成されるハードウェア装置を含む、請求項10に記載のシステム。
- 前記ハードウェア装置が少なくとも1つのグラフィック処理装置(GPU)を含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記ハードウェア装置が少なくとも1つのフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記ハードウェア装置が少なくとも1つの特定用途向け集積回路(ASIC)を含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記計算エンジンがさらに、プライバシー保護データクラスタリングを実行するように構成される、請求項10に記載のシステム。
- 前記計算エンジンがさらに、プライバシー保護機械学習を実行するように構成される、請求項10に記載のシステム。
- 準同型計算を実行するための装置であって、前記装置が記憶装置および少なくとも1つのプロセッサを備え、前記装置が、準同型計算を多項式級数としてモデル化し、暗号化状態のデータを使用することによって前記多項式級数の値を計算して暗号化状態の結果を得るように構成され、前記暗号化状態のデータが暗号化方式に従って暗号化され、前記装置がさらに、準同型関係演算を実行して前記暗号化状態の結果を暗号化状態の条件と比較するように構成され、前記暗号化状態の条件が前記暗号化方式に従って暗号化され、前記装置がさらに、前記比較の結果を出力するように構成される、装置。
- 少なくとも1つのグラフィック処理装置(GPU)を備える、請求項24に記載の装置。
- 少なくとも1つのフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を備える、請求項24に記載の装置。
- 少なくとも1つの特定用途向け集積回路(ASIC)を備える、請求項24に記載の装置。
- 中国の剰余定理(CRT)、数論変換(NTT)、1つ以上の記憶装置ブロック、1つ以上の記憶装置インタフェース、行列の乗算、行列の加算、またはこれらの組み合わせを実装するように構成される、請求項24に記載の装置。
- 前記計算が医療分野の計算であり、前記暗号化状態のデータが、患者の測定された生理的データを表す、請求項24に記載の装置。
- 前記暗号化方式がRLWE準同型暗号化方式を含む、請求項24に記載の装置。
- 前記暗号化方式がNTRU準同型暗号化方式を含む、請求項24に記載の装置。
- 前記装置がさらに、プライバシー保護データクラスタリングを実行するように構成される、請求項24に記載の装置。
- 前記装置がさらに、プライバシー保護機械学習を実行するように構成される、請求項24に記載の装置。
- コンピュータによる読み込みが可能な一時的でないメディアであって、
コンピュータによる読み込みが可能な命令を含み、
前記命令がコンピュータプロセッサによる実行時に実行する方法が、
データ要求を受信し、前記データ要求の少なくとも一部が準同型暗号化方式に従って暗号化されたデータを検証するステップを含み、
前記データ要求が少なくとも1つの機密データ群を含み、
前記方法がさらに、1つ以上の暗号化状態の比較データ群をデータベースから取得するステップを含み、
暗号化状態の比較データ群それぞれが準同型暗号化方式に従って暗号化され、
前記方法がさらに、1つ以上の準同型演算を使用することによって、前記機密データ群を暗号化状態の比較データ群それぞれと比較し、前記機密データ群に一致する暗号化状態の比較データ群を判別するステップ、および一致したときに前記機密データ群を検証するステップと、
前記機密データ群の検証の成否を示す暗号化状態の指標を生成するステップと、
前記データ要求に関連付けられた当事者に前記暗号化状態の指標を転送するステップと
を含み、
前記機密データ群が一切復号されない方法
であるメディア。 - 前記準同型暗号化方式が完全準同型暗号化方式であるかsomewhat準同型暗号化方式である、請求項34に記載の方法。
- 前記データ要求がさらに、少なくとも1つの非機密データ群を含む、請求項34に記載の方法。
- 前記データ要求が複数の機密データ群を含む、請求項34に記載の方法。
- 検証対象の機密データ群を判別するステップの実行をさらに含む、請求項37に記載の方法。
- 前記データ要求の一部が前記比較データ群と比較され、前記比較データ群のサイズを削減した後に暗号化状態の前記機密データ群を比較する、請求項34に記載の方法。
- 前記1つ以上の準同型演算を組み合わせてXNOR演算を構成する、請求項34に記載の方法。
- 前記機密データ群が身分証明書、パスポート、運転免許証、セキュリティカード、キャッシュカード、クレジットカード、および健康保険証のいずれかに由来する、請求項34に記載の方法。
- 前記暗号化状態の指標が、前記データ要求の送信元である前記当事者と異なる当事者に送信される、請求項34に記載の方法。
- セキュアな金融取引を処理する方法であって、
金融取引を完了するための、少なくとも部分的に準同型に暗号化された要求を受信するステップを含み、
前記要求が格子ベース完全準同型暗号化(FHE)方式に従って準同型に暗号化され、
前記取引要求が、口座番号を含む機密カード保有者データ、非機密カード保有者データ、および取引データを含み、
前記方法がさらに、格子ベースFHE方式に従って暗号化された、1つ以上の準同型暗号化状態の比較用カード保有者データ群を取得するステップと、
1つ以上の準同型演算を使用することによって前記機密カード保有者データを前記比較用カード保有者データ群それぞれと比較することで、前記機密カード保有者データに一致する比較用カード保有者データ群を判別するステップ、および前記機密カード保有者データを検証するステップと、
少なくとも前記機密カード保有者データの前記検証に基づいて前記金融取引を完了するための前記要求の認可または拒否を示す指標を生成および暗号化するステップと、
前記金融取引を完了するための前記要求の認可または拒否を示す前記暗号化状態の指標を、前記金融取引を完了するための認可を求めている当事者に転送するステップと
を含み、
本方法の中で前記機密カード保有者データが一切復号されない、方法。 - 前記機密カード保有者データが口座番号の一部、前記口座番号、有効期限、およびカード検証値(CVV)の数値のうち1つ以上を含む、請求項43に記載の方法。
- 前記非機密カード保有者データが銀行名、カード保有者名、銀行識別番号(BIN)、および前記口座番号の下4桁のうち1つ以上を含む、請求項43に記載の方法。
- 前記取引データが取引額、取引日、および加盟店識別子のうち1つ以上を含む、請求項43に記載の方法。
- 前記取引データを取得するステップの実行と、1つ以上の準同型演算を使用することによって前記取引データを比較し、前記取引額を認可できるかどうかを判別するステップの実行とをさらに含む、請求項43に記載の方法。
- 公開鍵の使用によって前記非機密カード保有者データが暗号化される、請求項43に記載の方法。
- 前記金融取引を完了するための前記要求を行う当事者が前記公開鍵を保持し、前記金融取引を完了するための前記要求を受信する当事者が秘密鍵を保持する、請求項48に記載の方法。
- 前記1つ以上の準同型演算を組み合わせてXNOR演算を構成する、請求項43に記載の方法。
- 前記金融取引がクレジットカード取引である、請求項43に記載の方法。
- 前記金融取引を完了するための前記要求が、銀行、クレジットカード会社、カード発行者、または決済処理者のうち1つ以上によって受信される、請求項43に記載の方法。
- コンピュータによる読み込みが可能な一時的でないメディアであって、
コンピュータによる読み込みが可能な命令を含み、
前記命令がコンピュータプロセッサによる実行時に実行する方法が、
金融取引を完了するための、少なくとも部分的に準同型に暗号化された要求を受信するステップを含み、
前記要求が格子ベース完全準同型暗号化(FHE)方式に従って準同型に暗号化され、
前記取引要求が、口座番号を含む機密カード保有者データ、非機密カード保有者データ、および取引データを含み、
前記方法がさらに、格子ベースFHE方式に従って暗号化された、1つ以上の準同型暗号化状態の比較用カード保有者データ群を取得するステップと、
1つ以上の準同型演算を使用することによって前記機密カード保有者データを前記比較用カード保有者データ群それぞれと比較することで、前記機密カード保有者データに一致する比較用カード保有者データ群を判別するステップ、および前記機密カード保有者データを検証するステップと、
少なくとも前記機密カード保有者データの前記検証に基づいて前記金融取引を完了するための前記要求の認可または拒否を示す指標を生成および暗号化するステップと、
前記金融取引を完了するための前記要求の認可または拒否を示す前記暗号化状態の指標を、前記金融取引を完了するための認可を求めている当事者に転送するステップと
を含み、
本方法の中で前記機密カード保有者データが一切復号されない方法
であるメディア。 - 前記機密カード保有者データが前記口座番号の一部、口座番号、有効期限、およびカード検証値(CVV)の数値のうち1つ以上を含む、請求項53に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 前記非機密カード保有者データが銀行名、カード保有者名、銀行識別番号(BIN)、および前記口座番号の下4桁のうち1つ以上を含む、請求項53に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 前記取引データが取引額、取引日、および加盟店識別子のうち1つ以上を含む、請求項53に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 前記取引データを取得するステップの実行と、1つ以上の準同型演算を使用することによって前記取引データを比較し、前記取引額を認可できるかどうかを判別するステップの実行とをさらに含む、請求項53に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 公開鍵の使用によって前記非機密カード保有者データが暗号化される、請求項53に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 前記金融取引を完了するための前記要求を行う当事者が前記公開鍵を保持し、金融取引を完了するための前記要求を受信する当事者が秘密鍵を保持する、請求項58に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 前記1つ以上の準同型演算を組み合わせてXNOR演算を構成する、請求項53に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 前記金融取引がクレジットカード取引である、請求項53に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 前記金融取引を完了するための前記要求が、銀行、クレジットカード会社、カード発行者、または決済処理者のうち1つ以上によって受信される、請求項53に記載のコンピュータによる読み込みが可能なメディア。
- 暗号化状態のデータとの比較を実行する方法であって、前記方法が、
計算を多項式級数としてモデル化し、
暗号化状態のデータを使用することによって前記多項式級数の値を計算して暗号化状態の結果を得るステップを含み、
前記暗号化状態のデータが暗号化方式に従って暗号化され、
前記方法がさらに、準同型関係演算を実行することで前記暗号化状態の結果を暗号化状態/非暗号化状態の条件と比較するステップを含み、
前記暗号化状態の条件が前記暗号化方式に従って暗号化され、
前記方法がさらに、前記比較の結果を出力するステップを含む、
方法。 - 前記計算が医療分野の計算であり、前記暗号化状態のデータが、患者の測定された生理的データを表す、請求項63に記載の方法。
- 前記結果の出力が前記結果の復号を含む、請求項64に記載の方法。
- 前記結果の出力がアラートのトリガを含む、請求項64に記載の方法。
- 前記暗号化方式がRLWE準同型暗号化方式を含む、請求項63に記載の方法。
- 前記暗号化方式がNTRU準同型暗号化方式を含む、請求項63に記載の方法。
- 前記計算および実行が、中国の剰余定理(CRT)、数論変換(NTT)、1つ以上の記憶装置ブロック、1つ以上の記憶装置インタフェース、行列の乗算、行列の加算、またはこれらの組み合わせを使用するハードウェア装置によって実行される、請求項63に記載の方法。
- 請求項63〜69に記載のいずれかの方法を実行するように構成される、システム。
- 医療データシステムであって、
ネットワークに接続して複数のリモート医療デバイスから準同型暗号化状態のデータを受信するためのネットワークインタフェースを備え、
前記準同型暗号化状態のデータが、前記リモート医療デバイスに関連付けられた患者の測定された生理的データを表し、
前記医療データシステムがさらに、前記ネットワークインタフェースに接続される計算エンジンを備え、
前記計算エンジンが、前記データに対する準同型計算を実行して、選択的に復号可能な計算結果を得るように構成される、
医療データシステム。 - 前記計算エンジンが心房細動脳卒中リスクスコアの計算を実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが心血管リスクスコアの計算を実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが遺伝子型の計算を実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが離散計算を実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが連続計算を実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが関係演算を実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 前記準同型暗号化状態のデータが公開鍵を使用して暗号化され、前記公開鍵が、分析のために計算結果を選択的に復号するために使用される秘密鍵に対応する、請求項71に記載のシステム。
- 前記秘密鍵を保存する鍵管理システムをさらに備え、前記鍵管理システムが、許可された当事者のために計算結果を選択的に復号する目的で前記秘密鍵を提供するように構成される、請求項78に記載のシステム。
- 前記鍵管理システムが、アナリスト端末における出力のために計算結果を選択的に復号する目的で前記秘密鍵を提供するように構成される、請求項79に記載のシステム。
- 前記計算結果に基づいてアラートを出力するように構成されるアラートトリガをさらに備える、請求項71に記載のシステム。
- 前記計算エンジンが、中国の剰余定理(CRT)、数論変換(NTT)、1つ以上の記憶装置ブロック、1つ以上の記憶装置インタフェース、行列の乗算、行列の加算、またはこれらの組み合わせを実装するように構成されるハードウェア装置を含む、請求項71に記載のシステム。
- 前記ハードウェア装置が少なくとも1つのグラフィック処理装置(GPU)を含む、請求項82に記載のシステム。
- 前記ハードウェア装置が少なくとも1つのフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を含む、請求項82に記載のシステム。
- 前記ハードウェア装置が少なくとも1つの特定用途向け集積回路(ASIC)を含む、請求項82に記載のシステム。
- 前記計算エンジンがさらに、プライバシー保護データクラスタリングを実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 前記計算エンジンがさらに、プライバシー保護機械学習を実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 前記計算エンジンがさらに、非医療データに対するセキュアな計算を実行するように構成される、請求項71に記載のシステム。
- 準同型計算を実行するための装置であって、前記装置が記憶装置および少なくとも1つのプロセッサを備え、前記装置が、準同型計算を多項式級数としてモデル化し、暗号化状態のデータを使用することによって前記多項式級数の値を計算して暗号化状態の結果を得るように構成され、前記暗号化状態のデータが暗号化方式に従って暗号化され、前記装置がさらに、準同型関係演算を実行して前記暗号化状態の結果を暗号化状態の条件と比較するように構成され、前記暗号化状態の条件が前記暗号化方式に従って暗号化され、前記装置がさらに、前記比較の結果を出力するように構成される、装置。
- 少なくとも1つのグラフィック処理装置(GPU)を備える、請求項89に記載の装置。
- 少なくとも1つのフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を備える、請求項89に記載の装置。
- 少なくとも1つの特定用途向け集積回路(ASIC)を備える、請求項89に記載の装置。
- 中国の剰余定理(CRT)、数論変換(NTT)、1つ以上の記憶装置ブロック、1つ以上の記憶装置インタフェース、行列の乗算、行列の加算、またはこれらの組み合わせを実装するように構成される、請求項89に記載の装置。
- 前記計算が医療分野の計算であり、前記暗号化状態のデータが、患者の測定された生理的データを表す、請求項89に記載の装置。
- 前記暗号化方式がRLWE準同型暗号化方式を含む、請求項89に記載の装置。
- 前記暗号化方式がNTRU準同型暗号化方式を含む、請求項89に記載の装置。
- 前記装置がさらに、プライバシー保護データクラスタリングを実行するように構成される、請求項89に記載の装置。
- 前記装置がさらに、プライバシー保護機械学習を実行するように構成される、請求項89に記載の装置。
- 前記装置がさらに、非医療データに対するセキュアな計算を実行するように構成される、請求項89に記載の装置。
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