JP2022044737A - Input person device, arithmetic support device, device, secret arithmetic device, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力者装置、演算支援装置、装置、秘匿演算装置、及びプログラムに関する。 The present invention relates to an input person device, a calculation support device, a device, a secret calculation device, and a program.
演算支援装置、及び秘匿演算装置は情報を安全に分散管理する分散管理技術に関する。また、分散管理された情報を秘匿したまま演算を行う秘匿演算技術に関する。 The arithmetic support unit and the confidential arithmetic unit relate to distributed management technology for safely distributed management of information. Further, the present invention relates to a concealment operation technique for performing an operation while concealing distributed managed information.
近年、AIなどの進歩に伴い、ニューラルネットワーク(以降、NN)の活用が期待されている。ただし、NNの活用においては、解こうとする問題が漏洩すると個人のプライバシーや企業の機密情報に影響を与える可能性がある。そのため、NNの利活用においては、その入力情報や解こうとする問題を秘匿できることが望まれる。 In recent years, with the progress of AI and the like, the utilization of neural networks (hereinafter referred to as NN) is expected. However, in the utilization of NN, if the problem to be solved is leaked, it may affect the privacy of individuals and the confidential information of companies. Therefore, in the utilization of NN, it is desired to be able to conceal the input information and the problem to be solved.
入力情報を秘匿しながら計算を実現する手法として秘匿計算技術が研究されている。秘匿計算技術を大きく分けると、主に鍵を用いてデータを秘匿する公開鍵暗号に基づく準同型暗号と、鍵を用いずにデータを秘匿する秘密分散法を用いた秘匿計算がある。ただし、準同型暗号は一般的に計算量が多く、演算の処理に多大な時間がかかるという問題がある。一方、秘密分散を用いる場合、最小2台の装置が必要であるが、秘匿計算を行おうとすれば、一般に3台以上の別々に管理された装置が必要であることが知られており、装置規模が大きくなるという問題がある。よって、高速な秘匿計算が可能で、できるだけ少ない台数、または小さな装置規模で秘匿計算が行える仕組みが必要とされている。 Confidential calculation technology is being researched as a method for realizing calculation while concealing input information. The secret calculation technology can be broadly divided into homomorphic encryption based on public key cryptography, which mainly uses a key to conceal data, and concealment calculation, which uses a secret sharing method to conceal data without using a key. However, homomorphic encryption generally requires a large amount of calculation, and has a problem that it takes a lot of time to process the calculation. On the other hand, when secret sharing is used, a minimum of two devices are required, but it is generally known that three or more separately managed devices are required for secret calculation. There is a problem that the scale becomes large. Therefore, there is a need for a mechanism that enables high-speed concealment calculation and can perform concealment calculation with as few units as possible or with a small device scale.
本発明では、小さな装置規模で効率的に秘匿計算を行える入力者装置、演算支援装置、及び秘匿演算装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide an input person device, a calculation support device, and a secret calculation device capable of efficiently performing confidential calculation on a small device scale.
請求項1に記載の発明の演算支援装置は、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおいて、秘密情報に0でない値の乱数を秘匿加算する手段と、その秘匿加算結果をそのまま秘匿演算に参加する全秘匿演算装置に送る手段と、を有することを特徴とする。
The arithmetic support unit of the invention according to
請求項2に記載の発明の装置は、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおいて、1個以上の第1の乱数を生成する手段と、第1の乱数の各々を秘密分散した分散値の各々にかける手段と、を有することを特徴とする。
In the apparatus of the invention according to
請求項3に記載の発明の秘匿演算装置は、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおいて、請求項2による異なる乱数がかかった分散値に請求項1の装置によって公開された秘匿化秘密情報を作用させる手段と、その手段の出力である同一の秘密情報に対して異なる乱数を作用させた分散値を用いて演算する手段を有することを特徴とする。
The secret arithmetic unit of the invention according to
請求項4に記載の発明の入力者装置は、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおいて、用いる秘匿演算装置の数をt、入力数をuとしたとき、nをut以上として秘密分散を行う手段と、その分散値をn/t個毎に分割して異なる乱数を乗算する手段と、その異なる乱数が乗じられた分散値n/t個から少なくとも1つの分散値を秘匿演算装置に配布する手段と、を有することを特徴とする。
The inputter device of the invention according to
請求項5に記載の発明の秘匿演算装置は、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおいて、分散値同士の乗算を行う手段と、乱数がかけられた分散値同士の積から乱数を削除する手段と、乱数が削除された分散値に対して次数変換処理を1回以上繰り返す手段と、を有することを特徴とする。
In the confidential operation device of the invention according to
請求項6に記載の発明の秘匿演算装置は、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおいて、請求項1による秘匿化秘密情報から請求項1で加算された定数を秘匿減算する手段と、その秘匿減算結果が0であるかを検証する手段と、0でないときに秘匿減算された値からその逆数を生成する手段と、を有する。
The concealment arithmetic unit of the invention according to
請求項7に記載の発明の演算支援装置は、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおいて、異なる乱数がかかった分散値を他の分散値と同じ乱数に変換する手段と、同じ乱数がかかった秘密情報を復元する、または秘匿演算装置が復元できるようにする手段と、を有する。
The arithmetic support unit of the invention according to
請求項8に記載の発明のプログラムは、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおける演算支援装置のコンピュータを、秘密情報に0でない値の乱数を秘匿加算する手段、及びその秘匿加算結果をそのまま秘匿演算に参加する全秘匿演算装置に送る手段として機能させる。
In the program of the invention according to
請求項9に記載の発明のプログラムは、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおける装置のコンピュータを、1個以上の第1の乱数を生成する手段、及び第1の乱数の各々を秘密分散した分散値の各々にかける手段として機能させる。 In the program of the invention according to claim 9, n is an integer of 2 or more, k is an integer having a minimum value of 2 and a maximum value of n, and L is an integer of 1 or more and k or less, and secret information is distributed to n pieces. Then, if k of the n distributed values are collected, the secret information can be restored, and if the number is k-L or less, the secret information cannot be restored. It functions as a means for generating a first random number and a means for multiplying each of the first random numbers by each of the secretly distributed distributed values.
請求項10に記載の発明のプログラムは、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおける秘匿演算装置のコンピュータを、請求項2による異なる乱数がかかった分散値に請求項1の装置によって公開された秘匿化秘密情報を作用させる手段、及びその手段の出力である同一の秘密情報に対して異なる乱数を作用させた分散値を用いて演算する手段として機能させる。
In the program of the invention according to
請求項11に記載の発明のプログラムは、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおける入力者装置のコンピュータを、用いる秘匿演算装置の数をt、入力数をuとしたとき、nをut以上として秘密分散を行う手段、その分散値をn/t個毎に分割して異なる乱数を乗算する手段、及びその異なる乱数が乗じられた分散値n/t個から少なくとも1つの分散値を秘匿演算装置に配布する手段として機能させる。
In the program of the invention according to
請求項12に記載の発明のプログラムは、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおける秘匿演算装置のコンピュータを、分散値同士の乗算を行う手段と、乱数がかけられた分散値同士の積から乱数を削除する手段、及び乱数が削除された分散値に対して次数変換処理を1回以上繰り返す手段として機能させる。
In the program of the invention according to
請求項13に記載の発明のプログラムは、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおける秘匿演算装置のコンピュータを、請求項1による秘匿化秘密情報から請求項1で加算された定数を秘匿減算する手段、及びその秘匿減算結果が0であるかを検証する手段と、0でないときに秘匿減算された値からその逆数を生成する手段として機能させる。
In the program of the invention according to
請求項14に記載の発明のプログラムは、nを2以上の整数、kを、最小値が2で最大値がnの整数、Lを1以上k以下の整数とし、秘密情報をn個に分散し、n個のうちk個の分散値を集めれば秘密情報を復元でき、k-L個以下では秘密情報を復元できない手段を用いて秘匿演算を行うシステムにおける演算支援装置のコンピュータを、異なる乱数がかかった分散値を他の分散値と同じ乱数に変換する手段、及び同じ乱数がかかった秘密情報を復元する、または秘匿演算装置が復元できるようにする手段として機能させる。
In the program of the invention according to
本発明は、効率的に計算を行える。 The present invention can perform calculations efficiently.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
< 第1の実施の形態>
まず、第1の実施の形態の構成を説明する。
図1に示すように、第1の実施の形態の秘密情報分散秘匿演算システムは、ネットワーク10を介して相互に接続された、入力者装置12、複数(N個)のマシン14N0~14Nn-1を備えている。マシン14N0~14Nn-1は、ニューラルネットワークマシン(NNマシン)である。なお、以下では、マシン14N0~14Nn-1の各々を、マシン14Niで標記する場合もある。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<First Embodiment>
First, the configuration of the first embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, the secret information distribution secret calculation system of the first embodiment has an
入力者装置12及びマシン14N0~14Nn-1は、同様の構成になっているので、入力者装置12の構成のみを、図2を参照して説明する。図2に示すように、入力者装置12は、コンピュータを備え、CPU22、ROM24、RAM26、メモリ28、入力装置30、送受信装置32、表示装置34がバス36を介して相互に接続されて、構成されている。入力者装置12及びマシン14N0~14Nn-1のメモリ28には、後述するプログラムが記憶されている。
Since the
次に、図3を参照して、入力者装置12のCPU22がプログラムを実行することで実現される機能について説明する。プログラムは、分散機能を備えている。CPU22がこの機能を有するプログラムを実行することで、CPU22は、図3に示すように、分散部42として機能する。なお、上記プログラムは、復元機能を備え、CPU22がこの機能を有するプログラムを実行することで、CPU22は、図示しない復元部として機能する。
Next, with reference to FIG. 3, a function realized by executing a program by the
次に、図4を参照して、マシン14N0~14Nn-1の各々のCPU22がプログラムを実行することで実現される機能について説明する。プログラムは、秘匿積和演算機能及び秘匿除算機能を備えている。CPU22がこの機能を有するプログラムを実行することで、CPU22は、図4に示すように、秘匿積和演算部44及び秘匿除算部46として機能する。
Next, with reference to FIG. 4, the functions realized by each
次に、本実施の形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
本実施の形態では、秘密分散法を用いる。最初に、秘密分散法を説明する。代表的な秘密分散法であるShamirの(k、n)閾値秘密分散法(以降、Shamir法)は、1つの秘密情報をn個の分散値に変換し、n台のサーバに分散する。Shamir法の特徴は、分散したn個の分散値から、k個の分散値を集めれば、元の秘密情報を復元することができるが、k個未満の情報からは、秘密情報に関する情報を一切得ることができないということである。Shamir法のアルゴリズムを以下に示す。また、秘密分散法を用いた秘匿計算法として以下に示すTUS方式がある。 In this embodiment, the secret sharing method is used. First, the secret sharing method will be explained. Shamir's (k, n) threshold secret sharing method (hereinafter referred to as the Shamir method), which is a typical secret sharing method, converts one secret information into n distributed values and distributes them to n servers. The feature of the Shamir method is that the original confidential information can be restored by collecting k distributed values from the distributed n distributed values, but from less than k information, no information related to the confidential information can be obtained. You can't get it. The algorithm of the Shamir method is shown below. Further, there is the TUS method shown below as a secret calculation method using the secret sharing method.
Shamirの(k、n)閾値秘密分散法
(分散処理)
ユーザはs<pかつn<pの条件を満たす任意の素数pを選択する。
Shamir's (k, n) threshold secret sharing method (distributed processing)
The user selects an arbitrary prime number p that satisfies the conditions of s <p and n <p.
ユーザはGF(p)の元からn個のxi(i=0、1、2、・・・、n-1)を選び、サーバIDとする。 The user selects n xi (i = 0, 1, 2, ..., N-1) from the source of GF (p) and uses them as server IDs.
ユーザはGF(p)の元からk-1個の乱数al(l=1、2、・・・、k-1)を選び、以下の分散式を生成する。 The user selects k-1 random numbers a ( l = 1, 2, ..., K-1) from the source of GF (p), and generates the following dispersion formula.
Wi=s+a1xi+a2xi2+・・・+ak-1xi k-1(modp) Wi i = s + a 1 x i + a 2 xi 2 + ... + a k-1 x i k-1 (modp)
ユーザは上式のxiに各サーバIDを代入し、分散値Wiを計算し、各サーバSiに送信する。 The user assigns each server ID to xi in the above equation, calculates the distribution value Wii , and sends it to each server Si .
(復元処理)
復元に用いる分散情報をWi(i=0、1、2、・・・、k-1)として、その分散情報に対応するサーバIDをxiとする。
(Restore processing)
The distributed information used for restoration is Wi ( i = 0, 1, 2, ..., K-1), and the server ID corresponding to the distributed information is xi .
分散式にxiとWiを代入し、k個の連立方程式を解いて、元の秘密情報sを復元する。ただし、秘密情報sを復元する際に、ラグランジュの補間公式を使うと便利である。 Substitute x i and Wi i into the distributed equation, solve k simultaneous equations, and restore the original secret information s. However, it is convenient to use the Lagrange interpolation formula when restoring the secret information s.
また、秘密情報をL個に分割し、分散式の係数として含ませるランプ型秘密分散方式も知られている。これによって、分散値の小型化が実現できる。 Further, a lamp type secret sharing method is also known in which secret information is divided into L pieces and included as a coefficient of the distributed type. This makes it possible to reduce the size of the variance value.
TUS方式
従来の秘匿乗算はShamir法による分散値をそのまま用いて乗算するため多項式の次数が変化し、復元に必要な分散値の数が2k-1個に増加する。しかし、以下の文献1で提案されたTUS方式は、秘密情報に乱数を乗じて秘匿化秘密情報を生成し、それを秘密分散する。秘匿乗算を行う際には、秘匿化秘密情報を一時的に復元してスカラー量として扱い、他の分散値と乗算を行う。これにより、乗算した際に多項式の次数は増加しないので、閾値を変化させない秘匿乗算を行うことができる。ただし、秘匿乗算においては秘密情報が漏洩する可能性があるため、秘密情報a、bは0を含まず、乱数も0を含まない(秘匿乗算以外では秘密情報に0を含んでもよい)。TUS方式は秘密分散の処理も含めてすべての秘匿演算はpを法として行われる。
TUS method In the conventional secret multiplication, the variance value by the Shamir method is used as it is for multiplication, so that the degree of the polynomial changes and the number of variance values required for restoration increases to 2k-1. However, the TUS method proposed in
文献1:神宮武志、岩村惠市:“除算を含む四則演算に適応可能な秘密分散法を用いた秘匿計算手法の提案”、信学技報115(122)、51-57、2015-07-02。 Reference 1: Takeshi Jingu, Keiichi Iwamura: "Proposal of a secret calculation method using a secret sharing method applicable to four arithmetic operations including division", Shingaku Giho 115 (122), 51-57, 2015-07- 02.
文献2:青井健、神宮武志、岩村惠市:“n<2k-1における秘匿計算の安全性検討及び非対称秘密分散との応用”、信学技報116(129)、237-243、2016-07-14。 Reference 2: Takeshi Aoi, Takeshi Jingu, Keiichi Iwamura: "Safety study of confidentiality calculation in n <2k-1 and application with asymmetric secret sharing", Shingaku Giho 116 (129), 237-243, 2016- 07-14.
TUS方式の問題点
TUS方式は秘匿加減算と秘匿乗除算が別々に構成され、それら単独であれば安全であることが、上記文献2に示されている。しかし、秘匿乗算と秘匿加算を組み合わせて、f(x)=ab+cのような積和演算を行う場合安全でない。以下に、手順1~5でTUS方式の秘匿乗算abを行い、手順6~10で秘匿加算ab+cを行う場合を示す。なお、秘密情報a、b、cはa、b、c∈Z/pZであり、分散処理および秘匿加算で生成する乱数αj、βj、λj、γjもαj、βj、λj、γj∈Z/pZである(ただし、乗算において一旦復元されるaと乱数は0ではない)。以下において、
Problems of the TUS method It is shown in the
はaに対する分散値を表す。秘密分散の処理も含めてすべての秘匿演算はpを法として行われる。 Represents the variance value for a. All secret operations, including secret sharing processing, are performed in modulo p.
(ab+cの秘匿演算)
入力:
(Ab + c concealment operation)
input:
出力:
output:
手順1:サーバS0はk台のサーバより
を収集し、一時的にαaのスカラー量を復元し、全サーバSiに送信する。
Step 1: Server S0 is from k servers
Is collected, the scalar amount of αa is temporarily restored, and it is transmitted to all servers Si .
手順2:全サーバSiは以下の式を用いて、
を計算する。
Step 2: All servers Si use the following formula
To calculate.
手順3:k台のサーバSjは
と
を収集し、αjとβjを復元し、αjβjを計算する。
Step 3: k servers Sj
When
Is collected, α j and β j are restored, and α j β j is calculated.
手順4:k台のサーバSjは乱数αjβjをShamirの(k、n)閾値秘密分散法で全サーバSiに分散する。 Step 4: The k servers S j distribute the random numbers α j β j to all the servers S i by Shamir's (k, n) threshold secret sharing method.
手順5:サーバSi(i=0、1、2、・・・、n-1)は秘密情報abに関する分散情報として
を保持する。
Step 5: Server S i (i = 0, 1, 2, ..., N-1) is used as distributed information regarding the secret information ab.
To hold.
手順6:k台のサーバSjは
と
を収集し、αjβjとλjを復元する。それから、k台のサーバSjは乱数γjを生成し、サーバS0にγj/αjβj、γj/λjを送信する。
Step 6: k servers Sj
When
And restore α j β j and λ j . Then, k servers S j generate a random number γ j , and transmit γ j / α j β j and γ j / λ j to the server S 0 .
手順7:サーバS0はγj/αjβj、γj/λjを用いて、以下の式よりγ/αβ、γ/λを計算し、全サーバSiに送信する。
Step 7: Server S 0 calculates γ / αβ and γ / λ from the following equation using γ j / α j β j and γ j / λ j , and sends them to all servers S i .
手順8:全サーバSiは以下の式を用いて、
を計算する。
Step 8: All servers Si use the following formula
To calculate.
手順9:k台のサーバSjは乱数γjをShamirの(k、n)閾値秘密分散法で全サーバSiに分散する。 Step 9: The k servers S j distribute the random number γ j to all the servers S i by Shamir's (k, n) threshold secret sharing method.
手順10:サーバSi(i=0、1、2、・・・、n-1)は秘密情報ab+cに関する分散情報として
を保持する。
Step 10: The server S i (i = 0, 1, 2, ..., N-1) is used as distributed information regarding the secret information ab + c.
To hold.
(復号処理)
手順a:復元者はK台のサーバよりk個の分散情報[ab+c]jを収集する。
(Decryption process)
Procedure a: The restorer collects k pieces of distributed information [ab + c] j from K servers.
手順b:収集した分散情報の
からγ(ab+c)、γ0、・・・、γk-1を復元し、乱数
を計算する。
Step b: Of the collected distributed information
Restore γ (ab + c), γ 0, ..., γ k-1 from
To calculate.
手順c:復元した秘匿した秘密情報γ(ab+c)と乱数γを用いて、以下の式より秘密情報ab+cを復元する。
γ(ab+c)×γ-1=ab+c
Step c: The secret information ab + c is restored from the following equation using the restored secret information γ (ab + c) and the random number γ.
γ (ab + c) × γ -1 = ab + c
積和演算は3入力1出力の演算であるため、入力者は3人、出力者は1人想定される。ここで、攻撃者として復元者かつ1つの値の入力者である場合を考える。例えば、攻撃者が秘密情報bの入力者かつ復元者である場合、攻撃者は入力者が入力した秘密情報b、乱数β、演算結果を復元するための乱数γ、演算結果ab+cおよびk-1台のサーバから漏洩するαa、γ/αβ、γ/λの情報を持っている。攻撃者は乱数β、γ、γ/αβの情報を用いて、乱数αを求めることができる。攻撃者は求めた乱数αと演算途中に得られるαaより秘密情報aを計算することができる。それから、攻撃者は秘密情報a、bと演算結果ab+cを用いて、秘密情報cを知ることができる。これによって、攻撃者は入力者Bの入力情報、復元者の持つ情報およびk-1台のサーバから漏洩する情報を持っていれば、残りの入力者の情報が漏洩してしまうという問題がある。 Since the product-sum operation is a three-input, one-output operation, it is assumed that there are three inputters and one output person. Here, consider the case where the attacker is a restorer and an input person of one value. For example, when the attacker is the inputter and the restorer of the secret information b, the attacker has the secret information b, the random number β, the random number γ for restoring the calculation result, the calculation result ab + c and k-1 entered by the inputter. It has information on αa, γ / αβ, and γ / λ leaked from the server. The attacker can obtain the random number α by using the information of the random numbers β, γ, and γ / αβ. The attacker can calculate the secret information a from the obtained random number α and αa obtained during the calculation. Then, the attacker can know the secret information c by using the secret information a and b and the calculation result ab + c. As a result, if the attacker has the input information of the input person B, the information of the restorer, and the information leaked from the k-1 server, there is a problem that the information of the remaining input persons is leaked. ..
一般に、ビッグデータなどに対する秘匿計算においては、秘密情報の入力者は複数存在し、秘匿演算結果を復元する復元者も入力者と異なる、または入力者と一部同一であり、その利害は他者と対立すると想定する。それに対して、NNでは入力者はある問題を解こうとする1名または同一組織(以降、入力者と呼ぶ)であることが多く、入力者は多くの学習データを準備して、すべての秘密情報と演算結果を知る。ここでは、入力者がNNマシン及びNNマシンを監視できる攻撃者に対して入力および解こうとする問題を秘匿したい場合を想定する。秘密分散を用いる場合、最小n=2であるが、以降ではn=1をめざし、n=1、2の場合に対して有効な秘匿計算法を提案する。 Generally, in confidential calculation for big data, there are multiple inputters of confidential information, and the restorer who restores the confidential operation result is different from the input person or partly the same as the input person, and their interests are others. Suppose that it conflicts with. On the other hand, in NN, the input person is often one person or the same organization (hereinafter referred to as the input person) trying to solve a certain problem, and the input person prepares a lot of learning data and all secrets. Know information and calculation results. Here, it is assumed that the input person wants to conceal the problem of inputting and solving to the NN machine and the attacker who can monitor the NN machine. When secret sharing is used, the minimum is n = 2, but thereafter, we aim for n = 1 and propose an effective secret calculation method for the cases of n = 1 and 2.
まず、秘密分散を用いてNNマシンで問題を解こうとする場合、TUS方式以外では最小閾値であるn=k=2としたくても秘匿乗算が含まれれば、nに相当するNNマシンは3台以上必要とすることが知られている。また、TUS方式では安全な積和演算が実現できない。 First, when trying to solve a problem with an NN machine using secret sharing, even if you want to set n = k = 2, which is the minimum threshold value other than the TUS method, if secret multiplication is included, the number of NN machines corresponding to n is 3. It is known to require more than one. In addition, the TUS method cannot realize a safe product-sum calculation.
そこで、第1の実施の形態として、入力者及び復元者を同一の1名として、最小2台のNNマシンで秘匿計算を実現する場合を考える。この場合、入力者及び復元者が異なり利害が対立するとするTUS方式を上記状況に合わせて効率化することと、入力される情報に0が含まれないとは保証されないため、TUS方式では対応できなかった秘密情報に0を含む積和演算を実現することが課題となる。 Therefore, as the first embodiment, consider a case where the input person and the restorer are the same person and the concealment calculation is realized by a minimum of two NN machines. In this case, the TUS method can be used because it is not guaranteed that the input information will not contain 0 and that the TUS method, in which the input person and the restorer are different and the interests conflict with each other, will be streamlined according to the above situation. The challenge is to realize a product-sum operation that includes 0 in the secret information that did not exist.
四則演算は積和演算ab+cの組み合わせで実現できる。TUS方式では積和演算を安全に実行できなかったが、秘匿積和演算を安全に実現できれば、任意の四則演算はその組み合わせによって実現される。ただし、本実施の形態では一人の入力者が全秘密情報a、b、cを入力するとする。また、以下ではn台のNNマシンを例に説明するが、最小にしたい場合n=k=2とできる。また、前記TUS方式では秘密情報に直接乱数をかけて分散したため、秘匿乗算においてαaをスカラー量として復元したとき、秘密情報がa=0の場合、αa=0となるため秘密情報に0を含むことができなかった。また、秘匿加算ではαaを復元しないため、a=0であってもよいが、そのためαaは必ず秘密分散しておく必要があり、αを構成する乱数α0、α1、・・・、αk-1を含む全情報は全て秘密分散しておく必要があった。よって、その全秘密情報の分散及び復元に大きな手間が生じた。以下では秘密情報に直接乱数をかけるだけで分散せず、秘密情報aに1を加えることから、a=0であってもα(a+1)=0とならない。そのためα(a+1)を分散することなくそのまま配布することができる。また、入力者は全ての秘密を知るためαを直接使用できる。すなわち、α0、α1、・・・、αk-1などに分解する必要がなく、これによって秘密分散に関する手間を大きく効率化できる。 The four arithmetic operations can be realized by the combination of the product-sum operation ab + c. The TUS method could not safely execute the product-sum operation, but if the secret product-sum operation can be safely realized, any four arithmetic operations can be realized by the combination. However, in the present embodiment, it is assumed that one input person inputs all the confidential information a, b, and c. In the following, n NN machines will be described as an example, but if it is desired to minimize it, n = k = 2. Further, in the TUS method, since the secret information is directly multiplied by a random number and distributed, when αa is restored as a scalar quantity in the secret multiplication, if the secret information is a = 0, αa = 0, so the secret information includes 0. I couldn't. Further, since αa is not restored by the secret addition, a = 0 may be set, but αa must be secretly distributed, and the random numbers α0, α1, ..., Αk-1 constituting α must be secretly distributed. All information including was required to be secretly shared. Therefore, it takes a lot of time and effort to distribute and restore all the confidential information. In the following, the secret information is not dispersed only by directly applying a random number, and 1 is added to the secret information a. Therefore, even if a = 0, α (a + 1) = 0 does not hold. Therefore, α (a + 1) can be distributed as it is without being dispersed. Also, the input person can use α directly to know all the secrets. That is, it is not necessary to decompose it into α0, α1, ..., αk-1, and the like, which can greatly improve the efficiency of secret sharing.
以下において、秘密情報a、b、cは1を加えるためa、b、c<p-1であり、生成する乱数α、β、γ、δはα、β、γ、δ∈Z/pZである(ただし、乱数として0は選択されない)。また、秘密分散の処理も含めてすべての演算はpを法として行われる。また、以下の記号を定義する。また、値を公開するとは秘匿演算を行う全マシンにその値を送ることを意味する。 In the following, the secret information a, b, c is a, b, c <p-1 because 1 is added, and the generated random numbers α, β, γ, δ are α, β, γ, δ ∈ Z / pZ. Yes (however, 0 is not selected as a random number). In addition, all operations including secret sharing processing are performed using p as a method. In addition, the following symbols are defined. Also, publishing a value means sending the value to all machines that perform confidential operations.
(記号定義)
[a]iは、マシン14Niが保持する値aに対する分散値を示す。
(Symbol definition)
[A] i indicates a dispersion value with respect to the value a held by the machine 14Ni.
[分散1]
次に、図5を参照して、入力者装置12のCPU22における分散部42が実行する分散1を説明する。
[Dispersion 1]
Next, with reference to FIG. 5, the
ステップ52で、分散部42は、乱数α、β、γを生成する。なお、乱数α、β、γは、真正乱数でも疑似乱数でもよい。以下の各乱数も同様である。
In
ステップ54で、分散部42は、α(a+1)、β(b+1)、γ(c+1)を、次のように計算する。
In
α(a+1)=α×(a+1)
β(b+1)=β×(b+1)
γ(c+1)=γ×(c+1)
α (a + 1) = α × (a + 1)
β (b + 1) = β × (b + 1)
γ (c + 1) = γ × (c + 1)
ステップ56で、分散部42は、α(a+1)、β(b+1)、γ(c+1)を、全マシン14N0~14Nn-1に送信する。
In
ステップ58で、分散部42は、乱数δを生成し、ステップ60で、分散部42は、δ/αβ、δ/α、δ/β、δ/γ、δを計算し、ステップ62で、分散部42は、その秘密分散の分散値[δ/αβ]i、[δ/α]i、[δ/β]i、[δ/γ]i、[δ]iを計算する(i=0,・・・,k-1)。
In
ステップ64で、分散部42は、分散値[δ/αβ]i、[δ/α]i、[δ/β]i、[δ/γ]i、[δ]iを、対応するマシン14N0~14Nn-1中のマシン14Niに送信する。
In
なお、入力者装置12のCPU22における分散部42はδを入力者装置12のメモリ28に保存する。
The
[秘匿積和演算1]
次に、図6を参照して、マシン14N0~14Nn-1の予め定められたk台以上のマシン(マシン14Ni(i=0,・・・,k-1)のCPU22における秘匿積和演算部44が実行する秘匿積和演算1を説明する。
ステップ72で、秘匿積和演算部44は、以下を計算する。
[δ(ab+c+1)]i=α(a+1)×β(b+1)×[δ/αβ]i-α(a+1)×[δ/α]i-β(b+1)×[δ/β]i+γ(c+1)×[δ/γ]i+[δ]i
[Concealed multiply-accumulate operation 1]
Next, with reference to FIG. 6, the secret product-sum calculation unit in the
In
[Δ (ab + c + 1)] i = α (a + 1) × β (b + 1) × [δ / αβ] i −α (a + 1) × [δ / α] i −β (b + 1) × [δ / β] i + γ ( c + 1) × [δ / γ] i + [δ] i
ステップ74で、秘匿積和演算部44は、予め定められたk台以上のマシンが協力してδ(ab+c+1)を復元する。
In
ステップ76で、秘匿積和演算部44は、δ(ab+c+1)を各マシン14N0~14Nn-1のメモリ28に保存する。
In
入力者が計算結果を得る場合、入力者装置12は、δ(ab+c+1)をどれかのマシンから得て、保存しているδで割って1を引くことによって積和演算結果であるab+cを得る。もしくは、[δ]iを集めて復元し、δで割って1を引く。また、分散1では1を加えるが、加える値は1に限定されず、その他の値、例えば、2であれば下記を積和演算として計算すればよい。
When the input person obtains the calculation result, the
[δ(ab+c+2)]i=α(a+2)×β(b+2)×[δ/αβ]i-2α(a+2)×[δ/α]i-2β(b+2)×[δ/β]i+γ(c+2)×[δ/γ]i+4[δ]i [Δ (ab + c + 2)] i = α (a + 2) × β (b + 2) × [δ / αβ] i -2α (a + 2) × [δ / α] i -2β (b + 2) × [δ / β] i + γ ( c + 2) × [δ / γ] i +4 [δ] i
その他の値は、例えば、-1、-2に相当するZ/pZ上の値でもよい。入力者装置12は、δ(ab+c-1)を保存しているδで割って、1(または2等)を加えることによって積和演算結果であるab+cを得るようにしてもよい。
Other values may be, for example, values on Z / pZ corresponding to -1 and -2. The
また、秘匿積和演算1においてc=0とすれば秘匿乗算となり、a=1とすれば秘匿加算となる。また、図6のステップ72の+γ(c+1)を-γ(c+1)とすれば秘匿減算となる。秘匿積和演算1では公開されたα(a+1),β(b+1),γ(c+1)以外のステップ72における秘匿積和演算に必要な情報は分散され、入力者装置12以外知らないため、攻撃者は公開された情報以外知ることができず情報理論的に安全である。
Further, in the secret multiply-accumulate
[秘密分散1] [Secret sharing 1]
また、秘匿除算は以下のように行う。図7には、秘匿除算のための、入力者装置12のCPU22における分散部42が実行する秘密分散1のフローチャートが示されている。
In addition, confidential division is performed as follows. FIG. 7 shows a flowchart of the
ステップ82で、分散部42は、乱数α′を生成し、ステップ84で、分散部42は、α′/αを計算する。
In
ステップ86で、分散部42は、α′/αの秘密分散の分散値とα′の秘密分散値とを計算する。
In
ステップ88で、分散部42は、α′/αの秘密分散の分散値とα′の秘密分散値とを、対応するマシン14Niに送信する。
In
[秘匿除算1]
図8には、マシン14N0~14Nn-1の各々のCPU22における秘匿除算部46が実行する秘匿除算1のフローチャートが示されている。
[Confidential division 1]
FIG. 8 shows a flowchart of the
ステップ92で、秘匿除算部46は、以下を計算する。
[α’a]i=α(a+1)×[α′/α]i-[α′]i
In
[Α'a] i = α (a + 1) × [α'/ α] i- [α'] i
ステップ94で、秘匿除算部46は、他のマシンと協力して[α′a]iを復元する。
In
ステップ96で、秘匿除算部46は、α′a=0であるか否かを判断する。α′a=0であれば、秘匿除算1は終了する。
In
α′a=0でなければ、ステップ98で、秘匿除算部46は、1/α′aを計算する、
If α'a = 0, in
ステップ100で、秘匿除算部46は、1/α′aをα(a+1)として秘匿積和演算1のために秘匿積和演算部44に送る。これにより、秘匿積和演算部44により、乗算を除算に変えた結果が得られる。ただし、秘匿積和演算1のステップ72における-β(b+1)×[δ/β]iの計算は1/α′aに1が足されていないため省略される。
In
上記秘匿除算においてα′a=0である場合、a=0であることが漏洩するが、除数が0の場合演算できず、それを検知して演算を中止する必要があるので、除算において除数が0であることがわかるのは問題ない。よって、入力者があらかじめ[α′a]iを生成しておき、必要な時に入力してもよい。 In the above secret division, when α'a = 0, it leaks that a = 0, but when the divisor is 0, the calculation cannot be performed and it is necessary to detect it and stop the calculation. Therefore, the division is divided. It is no problem to know that is 0. Therefore, the input person may generate [α'a] i in advance and input it when necessary.
演算を連続する場合、復元したδ(ab+c+1)を、α(a+1)、β(b+1)、γ(c+1)の1つとし、同様の演算によって計算された他の秘匿演算結果をα(a+1)、β(b+1)、γ(c+1)の残りとすればよい。また、新たにδを生成し、α、β、γとなった乱数に対してδ/αβ、δ/α、δ/β、δ/γ、δを計算すればよい。 When the operations are continuous, the restored δ (ab + c + 1) is set as one of α (a + 1), β (b + 1), and γ (c + 1), and the other concealed operation results calculated by the same operation are α (a + 1). , Β (b + 1), γ (c + 1). Further, δ may be newly generated, and δ / αβ, δ / α, δ / β, δ / γ, and δ may be calculated for the random numbers that have become α, β, and γ.
また、以上によって入力を秘匿することができるが、四則演算は積和演算の組み合わせで表せることから、解きたい問題をダミーの積和演算(a=b=c=0とすれば加算用のダミー積和演算処理となり、a=b=0、c=1とすれば乗算用のダミー積和演算処理となる)を含めて定型の秘匿積和演算の繰り返しで表すことにより、解こうとする問題も秘匿することができる。 In addition, although the input can be concealed by the above, since the four rules operation can be expressed by a combination of product-sum operations, if the problem to be solved is a dummy product-sum operation (a = b = c = 0, a dummy for addition). It is a product-sum operation process, and if a = b = 0 and c = 1, it is a dummy product-sum operation process for multiplication). Can also be kept secret.
また、入力者装置12のCPU22における分散部42は、演算を繰り返す場合、分散1(図5参照)において、新たにδを生成し新たにα、β、γとなった乱数に対してδ/αβ、δ/α、δ/β、δ/γ、δを計算するが、演算手順が予め分かっている場合、予め計算しておくこともできる。
Further, when the calculation is repeated, the
ただし、この場合、分散部42が演算手順に応じて予め計算しておく必要があり、分散部42の負担が大きい可能性がある。よって、分散部42の負担を減らしたい場合、以下によって分散部42は乱数を生成して分散するだけでよく、以降の処理はマシン14N0~14Nn-1だけで実行できる。以下では、n=kとしてn台のマシンの中から演算を行うマシン14Niは定まっているとし、αを構成する乱数を直接マシンに送付する場合を説明する。分散1’と秘匿積和演算1’が連続して行われず、演算を行うマシン14Niが定まっていない場合は、αi、βi、γi(i=0、・・・、k-1)などをn台のマシンに秘密分散し、秘匿演算時に演算に参加するマシンがその中から対応する乱数のk個の分散値を集めて復元してもよい。
However, in this case, the
[分散1′]
次に、上記の場合において入力者装置12のCPU22における分散部42が実行する分散1′を、図9を参照して説明する。
[Dispersion 1']
Next, the dispersion 1'executed by the
ステップ102で、分散部42は、k個の乱数の組α0、α1、・・・、αk-1及びβ0、β1、・・・、βk-1、γ0、γ1、・・・、γk-1を生成する。
In
ステップ104で、分散部42は、以下を計算する。
In
まず、分散部42は、α=α0×α1×・・・×αk-1を計算し、α(a+1)=α×(a+1)を計算する。
First, the
分散部42は、β=β0×β1×・・・×βk-1を計算し、β(b+1)=β×(b+1)を計算する。
The
分散部42は、γ=γ0×γ1×・・・×γk-1を計算し、γ(c+1)=γ×(c+1)を計算する。
The
ステップ106で、分散部42は、α(a+1)、β(b+1)、γ(c+1)を、全マシン14N0~14Nn-1に送信する。
In
ステップ110で、分散部42は、αi、βi、γi(i=0、・・・、k-1)を、対応するマシン14Niに送信する。
In
ステップ112で、分散部42は、k個の乱数の組ε0、ε1、・・・、εk-1及びφ0、φ1、・・・、φk-1、λ0、λ1、・・・、λk-1、η0、η1、・・・、ηk-1、μ0、μ1、・・・、μk-1を生成する。
In
ステップ114で、分散部42は、以下を計算する。
In
ε=ε0×ε1×・・・×εk-1
φ=φ0×φ1×・・・×φk-1
λ=λ0×λ1×・・・×λk-1
η=η0×η1×・・・×ηk-1
μ=μ0×μ1×・・・×μk-1
ステップ116で、分散部42は、ε、φ、λ、η、μの分散値[ε]i、[φ]i、[λ]i、[η]i、[μ]iを計算する。
ε = ε 0 × ε 1 × ・ ・ ・ × ε k-1
φ = φ 0 × φ 1 × ・ ・ ・ × φ k-1
λ = λ 0 × λ 1 × ・ ・ ・ × λ k-1
η = η 0 × η 1 × ・ ・ ・ × η k-1
μ = μ 0 × μ 1 × ・ ・ ・ × μ k-1
In
ステップ118で、分散部42は、分散値[ε]i、[φ]i、[λ]i、[η]i、[μ]iとεi、φi、λi、ηi、μiを、対応するマシンに送信する。
In
[秘匿積和演算1’]
次に、マシン14N0~14Nn-1の各々のCPU22における秘匿積和演算部44が実行する秘匿積和演算1’を、図10を参照して、説明する。
[Confidential multiply-accumulate operation 1']
Next, the secret product-sum calculation 1'executed by the secret product-
ステップ122で、秘匿積和演算部44は、乱数δiを生成する。
In step 122, the secret product-
ステップ124で、秘匿積和演算部44は、δi/αiβiεi、δi/αiφi、δi/βiλi、δi/γiηi、δiμiを計算する。
In
ステップ126で、秘匿積和演算部44は、δi/αiβiεi、δi/αiφi、δi/βiλi、δi/γiηi、δiμiを、予め定められたマシン14N0に送信する(n=k=2のとき、2台のマシン間で互いに交換してもよい)。
In
図11に示すように、予め定められたマシン14N0のCPU22における秘匿積和演算部44は、ステップ142で、以下のδ/αβε、δ/αφ、δ/βλ、δ/γη、μを計算し、ステップ146で、ステップ142で当該計算された各値を、全マシンに送信する(ステップ126で互いに値を交換した場合、図11の処理は不要で、全マシンがδ/αβε、δ/αφ、δ/βλ、δ/γη、μを計算する。すなわち、ステップ128は「δ/αβε、δ/αφ、δ/βλ、δ/γη、μを計算」に変更される)。
As shown in FIG. 11, the secret product-
なお、「φ」と
とは同じである。
In addition, with "φ"
Is the same as.
ステップ128で、秘匿積和演算部44は、予め定められたマシン14N0から送信されたδ/αβε、δ/αφ、δ/βλ、δ/γη、μを受信する。
In
ステップ130で、秘匿積和演算部44は、以下を計算する。
[αβε(a+1)(b+1)]i=α(a+1)×β(b+1)×[ε]i
[αφ(a+1)]i=α(a+1)×[φ]i、[βλ(b+1)]i=β(b+1)×[λ]i、[γη(c+1)]i=γ(c+1)×[η]i
In
[Αβε (a + 1) (b + 1)] i = α (a + 1) × β (b + 1) × [ε] i
[Αφ (a + 1)] i = α (a + 1) × [φ] i , [βλ (b + 1)] i = β (b + 1) × [λ] i , [γη (c + 1)] i = γ (c + 1) × [ η] i
ステップ132で、秘匿積和演算部44は、以下を計算する。
[δ(ab+c+1)]i=δ/αβε×[αβε(a+1)(b+1)]i-δ/αφ×[αφ(a+1)]i-δ/βλ×[βλ(b+1)]i+δ/γη×[γη(c+1)]i+δ/μ×[μ]i
In
[Δ (ab + c + 1)] i = δ / αβε × [αβε (a + 1) (b + 1)] i -δ / αφ × [αφ (a + 1)] i -δ / βλ × [βλ (b + 1)] i + δ / γη × [Γη (c + 1)] i + δ / μ × [μ] i
分散1’におけるステップ112~118で生成され各マシンに送付される([ε]i、εi)、([φ]i、φi)、([λ]i、λi)、([η]i、ηi)、([μ]i、μi)は後述するように変換用乱数と呼ぶが、入力者装置が必ず生成する必要はなく、第3の実施の形態に示されるようにマシン間または他のマシンによって生成されてもよい。また、([ε]i、εi)、([φ]i、φi)、([λ]i、λi)、([η]i、ηi)、([μ]i、μi)は予め準備されているとしてもよい。秘匿積和演算1’では次のα,β,γに相当するδは演算中に分散され、新たなδも演算中にマシン14N0~14Nn-1が生成するため、演算途中で分散部42の処理がなくても演算継続できる。
Generated in
近年、NNマシンを公開して自由に利用できるようにする動きが広がっている。このようなパブリックのNNマシンが2台あったとき、第1の実施の形態によって全NNマシンの情報が漏洩しない限り安全であり、準備するNNマシンも2台で済むという従来法では実現できない利点を実現できる。また、TUS方式では安全にできなかった積和演算の定型の組み合わせによって解いている問題も秘匿しながら、効率的に秘匿演算結果を得ることができる。また、入力者装置が復元者装置であり、すべての情報を知るため多くの処理を効率化できる。これによって、個人または同一組織が自分の秘密情報及び解こうとする問題をNNマシンまたは攻撃者に漏らすことなく、公開されたNNマシンを利用して望む秘匿演算を実行できるようになる。 In recent years, there has been a growing movement to make NN machines publicly available for free use. When there are two such public NN machines, it is safe as long as the information of all NN machines is not leaked according to the first embodiment, and only two NN machines are prepared, which is an advantage that cannot be realized by the conventional method. Can be realized. In addition, it is possible to efficiently obtain the concealed operation result while concealing the problem solved by the fixed combination of the product-sum operation that could not be safely performed by the TUS method. Further, the input person device is a restorer device, and many processes can be streamlined because all the information is known. This allows an individual or the same organization to use a publicly available NN machine to perform desired concealment operations without leaking their confidential information and the problem they are trying to solve to an NN machine or attacker.
<第2の実施の形態>
第2の実施の形態の秘密情報分散秘匿演算システムは、第1の実施の形態と同様の構成であるので、同様の構成部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。ただし、入力者装置12は、演算支援装置でもある。
<Second embodiment>
Since the secret information distribution secret calculation system of the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, the same components are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. However, the
また、第2の実施の形態では、マシン14N0~14Nn-1の内の予め定められた1台のマシン14NNが秘匿演算を行う。 Further, in the second embodiment, one predetermined machine 14NN among the machines 14N0 to 14Nn-1 performs the concealment operation.
秘密分散法においては、秘密情報の分散数と演算を行うマシン数は同じである。本実施の形態においては、演算を行うマシン数と秘密分散における分散数が異なるため、演算を行うマシン数をN(本実施の形態では1)台とし、秘密分散に関する分散数と閾値はn及びkで表現する(n,kは任意の数を選択できるが、以下では説明を簡単にするため最小値のn=k=2とする)。 In the secret sharing method, the number of distributed secret information and the number of machines performing operations are the same. In this embodiment, since the number of machines performing operations and the number of variances in secret sharing are different, the number of machines performing operations is set to N (1 in this embodiment), and the number of variances and thresholds related to secret sharing are n and. It is expressed by k (n and k can be any number, but in the following, the minimum value is n = k = 2 for the sake of simplicity).
秘密分散を用いた秘匿演算を1台のマシン14NNでいかに安全に実行させるか、または演算を行うマシン数と秘密情報の分散数が異なる場合どのように秘匿演算を行うかは大きな課題であり、今までそれを実現した例はない。 How to safely execute a secret operation using secret sharing on one machine 14NN, or how to perform a secret operation when the number of machines to perform the operation and the number of distributed secret information are different is a big issue. No example has ever achieved that.
第2の実施の形態では、1台のNNマシンで秘密分散を安全に実行するために、詳細には後述するが、2つの乱数δ0、δ1を導入し、分散値毎に異なる乱数をかけて演算を行うことが特徴である。 In the second embodiment, in order to safely execute secret sharing on one NN machine, two random numbers δ 0 and δ 1 are introduced, which will be described in detail later, and different random numbers are generated for each distribution value. It is characterized by performing calculations by multiplying.
次に、第2の実施の形態における入力者装置12のCPU22がプログラムを実行することで実現される機能について説明する。プログラムは、分散機能及び演算支援機能を備えている。CPU22がこれらの機能を有するプログラムを実行することで、CPU22は、図12に示すように、分散部42及び演算支援部150として機能する。
Next, the function realized by executing the program by the
[分散2]
まず、図13を参照して、入力者装置12のCPU22における分散部42が実行する分散2を説明する。
[Dispersion 2]
First, with reference to FIG. 13, the
ステップ152で、分散部42は、乱数α、β、γを生成する。
In
ステップ154で、分散部42は、α(a+1)、β(b+1)、γ(c+1)を、以下のように計算する。
α(a+1)=α×(a+1)
β(b+1)=β×(b+1)
γ(c+1)=γ×(c+1)
In
α (a + 1) = α × (a + 1)
β (b + 1) = β × (b + 1)
γ (c + 1) = γ × (c + 1)
ステップ156で、分散部42は、α(a+1)、β(b+1)、γ(c+1)を1台のマシン14NNに送信する。
In
ステップ158で、分散部42は、乱数δ0、δ1を生成する。
In
ステップ160で、分散部42は、δ0/αβ、δ0/α、δ0/β、δ0/γの秘密分散の分散値を計算し、[δ0/αβ]0、[δ0/α]0、[δ0/β]0、[δ0/γ]0とδ0/αβ]1、[δ0/α]1、[δ0/β]1、[δ0/γ]1を得る。
In
ステップ162で、分散部42は、以下を計算する(δ=δ0δ1)。
[δ/αβ]1=δ1×[δ0/αβ]1
[δ/α]1=δ1×[δ0/α]1
[δ/β]1=δ1×[δ0/β]1
[δ/γ]1=δ1×[δ0/γ]1
ステップ164で、分散部42は、[δ0/αβ]0、[δ0/α]0、[δ0/β]0、[δ0/γ]0と[δ/αβ]1、[δ/α]1、[δ/β]1、[δ/γ]1をマシン14NNに送信する。
In
[Δ / αβ] 1 = δ 1 × [δ 0 / αβ] 1
[Δ / α] 1 = δ 1 × [δ 0 / α] 1
[Δ / β] 1 = δ 1 × [δ 0 / β] 1
[Δ / γ] 1 = δ 1 × [δ 0 / γ] 1
In
[積和演算2] [Multiply-accumulate calculation 2]
次に、マシン14NNのCPU22における秘匿積和演算部44が実行する積和演算2を、図14を参照して説明する。
Next, the product-
ステップ172で、秘匿積和演算部44は、以下を計算する。
[δ0(ab+c)]0=α(a+1)×β(b+1)×[δ0/αβ]0-α(a+1)×[δ0/α]0-β(b+1)×[δ0/β]0+γ(c+1)×[δ0/γ]0
[δ(ab+c)]1=α(a+1)×β(b+1)×[δ/αβ]1-α(a+1)×[δ/α]1-β(b+1)×[δ/β]1+γ(c+1)×[δ/γ]1
In
[Δ 0 (ab + c)] 0 = α (a + 1) × β (b + 1) × [δ 0 / αβ] 0 -α (a + 1) × [δ 0 / α] 0 -β (b + 1) × [δ 0 / β ] 0 + γ (c + 1) × [δ 0 / γ] 0
[Δ (ab + c)] 1 = α (a + 1) × β (b + 1) × [δ / αβ] 1 -α (a + 1) × [δ / α] 1 -β (b + 1) × [δ / β] 1 + γ ( c + 1) × [δ / γ] 1
[演算支援2] [Calculation support 2]
次に、演算を継続または終了する場合、入力者装置12のCPU22における演算支援部150が実行する演算支援2を、図15を参照して説明する。
Next, when the calculation is continued or terminated, the
ステップ182で、演算支援部150は、[δ0(ab+c)]0と[δ(ab+c)]1を収集する。
In
ステップ184で、演算支援部150は、[δ(ab+c)]0=δ1[δ0(ab+c)]0を計算する。
In
ステップ186で、演算支援部150は、δ(ab+c)を復元する。
In
ステップ187で、演算支援部150は、演算を継続するか否かを判断する。これは実行している演算処理がそこで終わるか、継続する処理があるかによって判断される、すなわち入力者が設定したプログラムによる。演算を継続する場合には、ステップ188で、演算支援部150は、δ(ab+c+1)=δ(ab+c)+δを計算する。
In
その後、ステップ190で、演算支援部150は、δ(ab+c+1)をマシン14NNに送信する。
Then, in
演算を継続せず演算結果を得る場合は、ステップ192で、演算支援部150は、δ(ab+c)をδで割って、ab+cを計算する。
When the calculation result is obtained without continuing the calculation, in
ただし、加減算を継続する演算を行う場合、演算支援2を行わずに他の[δ0(ab+c)]0,[δ(ab+c)]1と係数を合わせて加減算を継続してもよい。また、乗除残においてもα(a+1)×β(b+1)のように直接繰り返すことができる。すなわち、加減算または乗除算の繰返しにおいては演算支援処理を行わなくてもよく、積和演算のような加減算と乗除算を組み合わせる場合に1度行えば良い。積和演算2において計算される[δ0(ab+c)]0,[δ(ab+c)]1は独立に定められた異なる乱数δ0,δがかかっているため、k=2であっても正しく復元できず、情報理論的安全性が達成できる。
However, when performing an operation to continue addition / subtraction, the addition / subtraction may be continued by combining the coefficients with other [δ 0 (ab + c)] 0 and [δ (ab + c)] 1 without performing the
[演算支援2′] [Operation support 2']
次に、入力者装置12のCPU22における演算支援部150が実行する演算支援2′を、図16を参照して説明する。
Next, the calculation support 2'executed by the
ステップ202で、演算支援部150は、[δ0(ab+c)]0と[δ(ab+c)]1を収集する。
In
ステップ203で、演算支援部150は、以下を計算する。
[δ0(ab+c+1)]0=[δ0(ab+c+1)]0+[0]0+δ0
[δ(ab+c+1)]1=[δ(ab+c+1)]1+[0]1+δ
ここで、[0]0、[0]1は定数項0の分散値であり、事前に準備できる。
In
[Δ 0 (ab + c + 1)] 0 = [δ 0 (ab + c + 1)] 0 + [0] 0 + δ 0
[Δ (ab + c + 1)] 1 = [δ (ab + c + 1)] 1 + [0] 1 + δ
Here, [0] 0 and [0] 1 are variance values of the
ステップ204で、演算支援部150は、演算を継続するか否かを判断する。
In
演算を継続する場合には、ステップ205で計算結果をマシン14NNに送信する。
If the calculation is to be continued, the calculation result is transmitted to the machine 14NN in
演算を継続しない場合(ステップ204:N)、ステップ206で、演算支援部150は、[δ0(ab+c+1)]0にδ1を掛けて[δ(ab+c+1)]0を生成する。その後、ステップ207で、[δ(ab+c+1)]0と[δ(ab+c+1)]1からδ(ab+c+1)を復元してδで割って1を引きab+cを得る。
When the calculation is not continued (step 204: N), in
このようにすれば、演算支援2′により最終の演算結果を得る場合以外、入力者装置12の復元の手間はなくなる。
By doing so, the trouble of restoring the
演算を継続する場合、マシン14NNはδ(ab+c+1)を復元し、それをα(a+1)、β(b+1)、γ(c+1)の1つとすれば、演算が連続できることは明らかである。 If the machine 14NN restores δ (ab + c + 1) and makes it one of α (a + 1), β (b + 1), and γ (c + 1), it is clear that the operation can be continued.
また、秘匿積和演算においてc=0とすれば秘匿乗算となり、a=1とすれば秘匿加算となる。また、図14のステップ172で、ab+cの+を-とし、ab-cとする、すなわち+γ(c+1)を-γ(c+1)とすれば秘匿減算となる。
Further, in the secret multiply-accumulate operation, if c = 0, it is a secret multiplication, and if a = 1, it is a secret addition. Further, in
[秘匿除算2] [Confidential division 2]
次に、入力者装置12のCPU22における演算支援部150(分散部42でもよい)が実行する秘匿除算2を、図17を参照して説明する。なお、秘匿除算のための、入力者装置12のCPU22における分散部42は、図7のステップ82~86を実行する。
Next, the
ステップ220で、演算支援部150は、乱数α″を生成する。
In
ステップ222で、演算支援部150は、以下を計算する。
[α″/α]1=(α″/α′)[α′/α]1
[α″]1=(α″/α′)[α′]1
In
[Α ″ / α] 1 = (α ″ / α ′) [α ′ / α] 1
[Α ″] 1 = (α ″ / α ′) [α ′] 1
ステップ226で、秘匿除算部46は、[α′/α]0、[α′]0、[α″/α]1、[α″]1をマシン14NNに送信する。
In
マシン14NNは、以下を計算して、入力者装置12に送る。
The machine 14NN calculates the following and sends it to the
[α′a]0=α(a+1)×[α′/α]0-[α′]0
[α″a]1=α(a+1)×[α″/α]1-[α″]1
[Α'a] 0 = α (a + 1) × [α'/ α] 0- [α'] 0
[Α ″ a] 1 = α (a + 1) × [α ″ / α] 1- [α ″] 1
そこで、ステップ228で、演算支援部150は、[α′a]0、[α″a]1を受信する。
Therefore, in
ステップ230で、演算支援部150は、[α″a]0=(α″/α′)[α′a]0と[α″a]1からα″aを復元する。
In
ステップ232で、演算支援部150は、α″a=0であるか否かを判断する。α″a=0であれば、秘匿除算2を終了する。
In step 232, the
α″a=0でなければ、ステップ234で、演算支援部150は、1/α″aを計算する。
If α "a = 0, the
ステップ236で、演算支援部150は、1/α″aをα(a+1)として秘匿積和演算2のために秘匿積和演算部44に送る。これにより、秘匿積和演算部44により、乗算を除算に変えた結果が得られる。ただし、1/α″aには1が加えられていないため、秘匿積和演算2のステップ172においてβ(b+1)を減算する計算は省略される。
In
秘匿除算2において、図17のステップ222~228は事前に実行でき、ステップ230~236が秘匿除算における演算支援となる。また、ステップ228~236の処理を演算支援部が行わず、そのままマシン14NNが行ってもよい。
In the
また、分散2の図13のステップ156の後に、α、β、γを秘密分散する処理を加え、ステップ164の後に、α、β、γを復元する処理を加えれば、分散2のステップ152~156と、ステップ158~164との間の実行開始時間が大きく異なっても、入力者装置12のCPU22における分散部42は、秘密情報の秘匿に用いたα、β、γを記憶しておくことなく実行でき、ステップ158~164を事前に計算しておかなくても、演算支援として演算中に処理できる。
Further, if the process of secretly dispersing α, β, and γ is added after
第2の実施の形態によってマシン14NNが1台しかなくても、入力者装置12の秘密情報及び解こうとする問題が漏洩しないようにすることができる。従来、1台のNNマシンしかないとき、秘密分散法は適用できず膨大な計算量を必要とする準同型暗号を用いるしかなかったが、第2の実施の形態によってこの問題を解決できる。
According to the second embodiment, even if there is only one machine 14NN, the confidential information of the
<第3の実施の形態>
次に、第3の実施の形態を説明する。第3の実施の形態の構成は、第1の実施の形態の構成と同様の部分を有するので、同様の部分には、同様の符号を付してその詳細な説明を省略する。
<Third embodiment>
Next, a third embodiment will be described. Since the configuration of the third embodiment has the same parts as the configuration of the first embodiment, the same parts are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
図18に示すように、第3の実施の形態の秘密情報分散秘匿演算システムは、ネットワーク10を介して相互に接続された、複数、例えば、3台の入力者装置12A~12C、複数(N個)のマシン14N0~14Nn-1、及び復元者装置18を備えている。第3の実施の形態では、秘密情報a、b、cをそれぞれ有する3台の入力者装置12A~12Cを備え、下記復元者装置18を備えている点で、第1の実施の形態と異なる。
As shown in FIG. 18, the secret information distribution secret calculation system of the third embodiment is connected to each other via the
次に、第3の実施の形態における復元者装置18のCPU22がプログラムを実行することで実現される機能について説明する。プログラムは、分散値を集めて秘密情報の復元を行う復元機能を備えている。CPU22がこれらの機能を有するプログラムを実行することで、復元者装置18のCPU22は、図19に示すように、復元部242として機能する。
Next, the function realized by executing the program by the
次に、第3の実施の形態におけるマシン14N0~14Nn-1の各々のCPU22がプログラムを実行することで実現される機能について説明する。プログラムは、変換用乱数生成機能、秘匿積和演算機能及び秘匿除算機能を備えている。CPU22がこの機能を有するプログラムを実行することで、CPU22は、図20に示すように、変換用乱数生成部244、秘匿積和演算部44及び秘匿除算部46として機能する。
Next, the functions realized by each
マシン14N0~14Nn-1は更に、変換用乱数生成部として機能する。 The machines 14N0 to 14Nn-1 further function as a conversion random number generator.
第3の実施の形態では、複数(例えば、3台)の入力者装置12A~12Cと、結果を知る復元者装置18とが異なり、複数(最小はn=k=2)のマシン14N0~14Nn-1で秘匿計算する場合を考える。
In the third embodiment, the plurality of (for example, three)
TUS方式では秘匿加算と秘匿乗算は単独では安全であるが、積和演算のように乗算と加算を組み合わせると、入力者の秘密情報が漏洩するなど安全性に問題があることが知られている。そこで、そのような場合においても安全に秘匿計算が実現できるように変換用乱数の生成が課題となる。なお、第1、2の実施の形態では同一の入出力者装置を仮定するため、TUS方式で積和演算を行っても利害が対立する複数の入出力者が存在しないので、上記問題が発生しなかった。 In the TUS method, secret addition and secret multiplication are safe by themselves, but it is known that if multiplication and addition are combined like a product-sum operation, there is a safety problem such as leakage of confidential information of the input person. .. Therefore, even in such a case, the generation of a random number for conversion becomes an issue so that the confidential calculation can be safely realized. Since the same input / output person device is assumed in the first and second embodiments, the above problem occurs because there are no plurality of input / output persons having conflicting interests even if the product-sum operation is performed by the TUS method. I didn't.
ここでは、秘密情報a,b,cをもつ入力者装置(以下、第3の実施の形態では、「入力者」ともいう)が異なり、復元者装置(以下、第3の実施の形態では、「復元者」ともいう)も異なり、利害が対立する場合を考える。また、マシンは複数(最小はN=n=k=2)あるとする。また、他の入力者や復元者から自らの秘密情報を守るために以下の変換用乱数を生成する。この変換用乱数は複数の信頼できない入力者によって秘密に生成する方法は知られていなかった。例えば、第1の実施の形態の分散1’の図9のステップ112~118のように一台の入力者が生成する方法は知られているが、この入力者は変換用乱数の値を知る。よって、入力者装置が攻撃者であれば、それを用いた秘匿計算は安全ではなく、第1の実施の形態のように入力者装置は信頼できなければならない。それに対して信頼できる入力者がいない場合でも、変換用乱数が特定されない生成方法を以下に示す。
Here, the input person device having the confidential information a, b, and c (hereinafter, also referred to as “input person” in the third embodiment) is different, and the restorer device (hereinafter, also referred to as “input person” in the third embodiment) is different. (Also called "restorer") is also different, and consider the case where interests conflict. Further, it is assumed that there are a plurality of machines (minimum is N = n = k = 2). It also generates the following conversion random numbers to protect its confidential information from other inputters and restorers. It was not known how to secretly generate this conversion random number by multiple untrusted inputters. For example, as in
下記文献3、文献4において、2k次の多項式を用いて生成された分散値をk次の多項式に対する分散値に変換する方法が示されている。例えば文献3の手法では、ある規則によって生成された定数を要素とする下記行列Aを用いて、2k次の多項式に対する分散値ベクトルW=(W0,W1,・・・,W2k-1)に対してR=W・Aを計算し、k次の多項式に対する分散値ベクトルR=(R0,R1,・・・,R2k-1)に変換することができる(文献4の手法もほぼ同様の処理で実現できる)。ただし、文献3、4の手法はマシン台数NがN≧2k-1の場合に有効であるが、本実施例ではN<2k-1、すなわち実際のマシン台数NがN≧2k-1を満たさない場合を扱う。
文献3:M. Ben-Or, S. Goldwasser, and A. Wigderson, “Completeness theorems for non-cryptographic fault-tolerant distributed computation,” STOC ’88, 1988, pp. 1-10, ACM Press. Reference 3: M. Ben-Or, S. Goldwasser, and A. Wigderson, “Completeness theorems for non-cryptographic fault-tolerant distributed computation,” STOC '88, 1988, pp. 1-10, ACM Press.
文献4:Rosario Gennaro, Michael O. Rabin, and Tal Rabin, “Simplified VSS and fast-track multiparty computations with applications to threshold cryptography,” In Brian A. Coen and Yehuda Afek, editors, PODC, 1998, pp. 101-111, ACM. Reference 4: Rosario Gennaro, Michael O. Rabin, and Tal Rabin, “Simplified VSS and fast-track multiparty computations with applications to threshold cryptography,” In Brian A. Coen and Yehuda Afek, editors, PODC, 1998, pp. 101- 111, ACM.
以下に、u人の入力者による変換用乱数生成部がN=t=k台のマシンの変換用乱数生成部244を用いて変換用乱数を生成する場合を、図21を参照して説明する。以下において、入力者は入力者装置を意味し、Siはマシン14Niとすることができる。ただし、この入力者及びSiなどは後述の秘匿積和演算を行う各装置と同じである必要はなく、他の秘匿演算システムによって生成されてもよいし、そのシステム自体を変換用乱数生成システムとして専用化してもよい。
Hereinafter, a case where the conversion random number generation unit by u inputters generates the conversion random number using the conversion random
[変換用乱数生成3] [Random number generation for conversion 3]
(処理3(1))
入力者i(i=0,・・・,u-1)は乱数λi,0,・・・,λi,t-1,αi,0,・・・,αi,t-1,βi,0,・・・,βi,t-1,・・・,γi,0,・・・,γi,t-1を生成し、以下を計算する。
λi=λ,0×・・・×λi,t-1,αi=αi,0×・・・×αi,t-1,βi=βi,0×・・・×βi,t-1,・・・,γi=γi,0×・・・×γi,t-1
(Process 3 (1))
The input person i (i = 0, ..., U-1) is a random number λ i, 0 , ..., λ i, t-1 , α i, 0 , ..., α i, t-1 , Generate β i, 0 , ..., β i, t-1 , ..., γ i, 0 , ..., γ i, t-1 , and calculate the following.
λ i = λ , 0 × ・ ・ ・ × λ i, t-1 , α i = α i, 0 × ・ ・ ・ × α i, t-1 , β i = β i, 0 × ・ ・ ・ × β i, t-1 , ..., γ i = γ i, 0 × ... × γ i, t-1
(処理3(2))
入力者iはk=t、n=ut(厳密にはn=u(k-1)+1以上)として、λiをShamir法を用いて秘密分散し、[λi]0,・・・,[λi]ut-1を得る。
(Process 3 (2))
The input person i is k = t, n = ut (strictly speaking, n = u (k-1) + 1 or more), and λ i is secretly distributed using the Shamir method, and [λ i ] 0 , ..., [Λ i ] Obtain ut-1 .
(処理3(3)) (Process 3 (3))
入力者iは生成した分散値をt毎に分割して以下のように乱数を乗じる。
[αiλi]t=αi×[λi]t,・・・,[αiλi]2t-1=αi×[λi]2t-1,
[βiλi]2t=βi×[λi]2t,・・・,[βiλi]3t-1=βi×[λi]3t-1,
:
[γiλi](u-1)t=γi×[λi](u-1)t,・・・,[γiλi]ut-1=γi×[λi]ut-1
The input person i divides the generated variance value every t and multiplies it by a random number as follows.
[Α i λ i ] t = α i × [λ i ] t , ..., [α i λ i ] 2t-1 = α i × [λ i ] 2t-1 ,
[Β i λ i ] 2t = β i × [λ i ] 2t , ..., [β i λ i ] 3t-1 = β i × [λ i ] 3t-1 ,
:
[Γ i λ i ] (u-1) t = γ i × [λ i ] (u-1) t , ..., [γ i λ i ] ut-1 = γ i × [λ i ] ut- 1
(処理3(4))
入力者iは[λi]j,[αiλi]j+t,[βiλi]j+2t,・・・,[γiλi]j+(u-1)t,λi,j,αi,j,βi,j,・・・,γi,jをマシン14NjであるマシンSj(j=0,・・・,t-1)に送る。
(Process 3 (4))
The input person i is [λ i ] j , [α i λ i ] j + t , [β i λ i ] j + 2t , ..., [γ i λ i ] j + (u-1) t , λ i, j , α. i, j , β i, j , ..., γ i, j are sent to machine S j (j = 0, ..., t-1) which is machine 14Nj.
(処理3(5))
Si(i=0,・・・,t-1)は以下を計算する。ただし、下記乗算は分散値同士の乗算であるので、乗算結果はk=u(t-1)+1、n=utとしたShamir法による分散値と等価である。
[λ0λ1・・・λ3]i=[λ0]i×[λ1]i×・・・×[λu-1]i,
(Process 3 (5))
S i (i = 0, ..., T-1) calculates the following. However, since the following multiplication is a multiplication of variance values, the multiplication result is equivalent to the variance value by the Shamir method in which k = u (t-1) + 1 and n = ut.
[Λ 0 λ 1 ... λ 3 ] i = [λ 0 ] i × [λ 1 ] i × ・ ・ ・ × [λ u-1 ] i ,
[α0α1・・・α3λ0λ1・・・λ3]i+t=[α0λ0]i+t×[α1λ1]i+t×・・・×[αu-1λu-1]i+t
[β0β1・・・β3λ0λ1・・・λ3]i+2t=[β0λ0]i+2t×[β1λ1]i+2t×・・・×[βu-1λu-1]i+2t
:
[γ0γ1・・・γ3λ0λ1・・・λ3]i+(u-1)t=[γ0λ0]i+(u-1)t×[γ1λ1]i+(u-1)t×・・・×[γu-1λu-1]i+(u-1)t
[Α 0 α 1 ... α 3 λ 0 λ 1 ... λ 3 ] i + t = [α 0 λ 0 ] i + t × [α 1 λ 1 ] i + t × ・ ・ ・ × [α u-1 λ u- 1 ] i + t
[Β 0 β 1 ... β 3 λ 0 λ 1 ... λ 3 ] i + 2t = [β 0 λ 0 ] i + 2t × [β 1 λ 1 ] i + 2t × ・ ・ ・ × [β u-1 λ u- 1 ] i + 2t
:
[Gamma 0 γ 1 ... γ 3 λ 0 λ 1 ... λ 3 ] i + (u-1) t = [γ 0 λ 0 ] i + (u-1) t × [γ 1 λ 1 ] i + ( u-1) t × ・ ・ ・ × [γ u-1 λ u-1 ] i + (u-1) t
(処理3(6))
Si(i=0,・・・,t-1)はα0,i×α1,i・・・×αu-1,i,β0,i×β1,i・・・×βu-1,i,・・・,γ0,i×γ1,i・・・×γu-1,iを計算し、S0に送る。また、λ′i=λ0,i×λ1,i×λ2,i×・・・×λu-1,iを計算する。
(Process 3 (6))
S i (i = 0, ..., t-1) is α 0, i × α 1, i ... × α u-1, i , β 0, i × β 1, i ... × β u-1, i , ..., γ 0, i × γ 1, i ... × γ u-1, i is calculated and sent to S 0 . In addition, λ'i = λ 0, i × λ 1, i × λ 2, i × ... × λ u-1, i is calculated.
(処理3(7)) (Process 3 (7))
S0は送られてきた全てのα0,i×α1,i・・・×αu-1,iをかけあわせα0α1・・・αu-1を、β0,i×β1,i・・・×βu-1をかけあわせβ0β1・・・βu-1を、・・・、γ0,i×γ1,i・・・×γu-1,iをかけあわせγ0γ1・・・γu-1を計算し、全マシンに送る。 S 0 is the product of all the sent α 0, i × α 1, i ... × α u-1, i , and α 0 α 1 ... α u-1 , β 0, i × β. 1, i ... × β u-1 is multiplied to β 0 β 1 ... β u-1 , ..., γ 0, i × γ 1, i ... × γ u-1, i Multiply γ 0 γ 1 ... γ u-1 is calculated and sent to all machines.
(処理3(8)) (Process 3 (8))
Si(i=0,・・・,t-1)は以下を計算する。ただし、λ=λ0λ1・・・λu-1とする。
[λ]i+t=[α0α1・・・α3λ0λ1・・・λ3]i+t/(α0α1・・・α3)
[λ]i+2t=[β0β1・・・β3λ0λ1・・・λ3]i+2t/(β0β1・・・β3)
:
[λ]i+(u-1)t=[γ0γ1・・・γ3λ0λ1・・・λ3]i+(u-1)t/(γ0γ1・・・γ3)
S i (i = 0, ..., T-1) calculates the following. However, λ = λ 0 λ 1 ... λ u-1 .
[Λ] i + t = [α 0 α 1 ... α 3 λ 0 λ 1 ... λ 3 ] i + t / (α 0 α 1 ... α 3 )
[Λ] i + 2t = [β 0 β 1 ... β 3 λ 0 λ 1 ... λ 3 ] i + 2t / (β 0 β 1 ... β 3 )
:
[Λ] i + (u-1) t = [γ 0 γ 1 ... γ 3 λ 0 λ 1 ... λ 3 ] i + (u-1) t / (γ 0 γ 1 ... γ 3 )
(処理3(9))
Si(i=0,・・・,t-1)は0をk=u(t-1)/2+1,n=ut/2としてShamir法を用いて秘密分散した[0i]jを計算し、以下を計算してRi,j,Ri,j+t,・・・,Ri,j+u‘tをSjに送る。ただし、h=0,・・・,2t-1,u’=u/4であり、ai,hは行列Aの各要素である。
Ri,h=ai,h×[λ]i+ai+t,h×[λ]i+t+ai+2t,h×[λ]i+2t+・・・+ai+(u-1)t,h×[λ]i+(u-1)t+[0i]h,
(Process 3 (9))
S i (i = 0, ..., T-1) calculates [0 i ] j secretly distributed using the Shamir method with 0 as k = u (t-1) / 2 + 1, n = ut / 2. Then, the following is calculated and R i, j , R i, j + t , ..., R i, j + u't are sent to S j . However, h = 0, ..., 2t-1, u'= u / 4, and ai and h are elements of the matrix A.
R i, h = ai, h × [λ] i + a i + t, h × [λ] i + t + a i + 2t, h × [λ] i + 2t + ... + a i + (u-1) t, h × [λ ] I + (u-1) t + [0 i ] h ,
(処理3(10)) (Process 3 (10))
Si(i=0,・・・,t-1)は以下を計算して得られた[λ]i,・・・,[λ]i+u”-1を次数が半減された(u”+1,ut/2)における分散値とする。ただし、u”=u(t-1)/2
[λ]i=R0,i+・・・+Rt-1,i,[λ]i+u′=R0,i+u′+・・・+Rt-1,i+u′,,・・・,
S i (i = 0, ..., T-1) is obtained by calculating the following [λ] i , ..., [λ] i + u "-1 and the order is halved (u" + 1 , Ut / 2). However, u "= u (t-1) / 2
[Λ] i = R 0, i + ... + R t-1, i , [λ] i + u' = R 0, i + u' + ... + R t-1, i + u' ,,,
(処理3(11)) (Process 3 (11))
Si(i=0,・・・,t-1)は必要な次数になるまで(9)(10)の次数変換処理を繰り返し、変換用乱数{λ}i=([λ]i,λ′i)を生成する。 S i (i = 0, ..., T-1) repeats the order conversion process of (9) and (10) until the required order is reached, and the conversion random number {λ} i = ([λ] i , λ). ′ I ) is generated.
上記は記述が複雑であるので、u=4,N=t=k=2の場合を以下に具体的に記す(図22も参照)。 Since the above description is complicated, the case of u = 4, N = t = k = 2 will be specifically described below (see also FIG. 22).
[変換用乱数生成3’]
(処理3′(1))
入力者0は乱数λ0,0,λ0,1,α0,0,α0,1,β0,0,β0,1,γ0,0,γ0,1を生成し、以下を計算する。
λ0=λ0,0×λ0,1,α0=α0,0×α0,1,β0=β0,0×β0,1,γ0=γ0,0×γ0,1
[Random number generation for conversion 3']
(Processing 3'(1))
λ 0 =
(処理3′(2))
入力者0はλ0を(2,8)Shamir法で秘密分散し、[λ0]0,・・・,[λ0]7を得る。
(Processing 3'(2))
The
(処理3′(3))
入力者0は以下を計算する。
[α0λ0]2=α0×[λ0]2,[α0λ0]3=α0×[λ0]3
[β0λ0]4=β0×[λ0]4,[β0λ0]5=β0×[λ0]5
[γ0λ0]6=γ0×[λ0]6,[γ0λ0]7=γ0×[λ0]7
(Processing 3'(3))
[Α 0 λ 0 ] 2 = α 0 × [λ 0 ] 2 , [α 0 λ 0 ] 3 = α 0 × [λ 0 ] 3
[Β 0 λ 0 ] 4 = β 0 × [λ 0 ] 4 , [β 0 λ 0 ] 5 = β 0 × [λ 0 ] 5
[Γ 0 λ 0 ] 6 = γ 0 × [λ 0 ] 6 , [γ 0 λ 0 ] 7 = γ 0 × [λ 0 ] 7
(処理3′(4))
入力者0は[λ0]0,[α0λ0]2,[β0λ0]4,[γ0λ0]6,λ0,0,α0,0,β0,0,γ0,0をマシンS0に送る。
(Processing 3'(4))
(処理3′(5))
入力者0は[λ0]1,[α0λ0]3,[β0λ0]5,[γ0λ0]7,λ0,1,α0,1,β0,1,γ0,1をマシンS1に送る。
(Processing 3'(5))
(処理3′(6))
入力者1は乱数λ1,0,λ1,1,α1,0,α1,1,β1,0,β1,1,γ1,0,γ1,1を生成し、以下を計算する。
λ1=λ1,0×λ1,1,α1=α1,0×α1,1,β1=β1,0×β1,1,γ1=γ1,0×γ1,1
(Processing 3'(6))
λ 1 = λ 1,0 × λ 1,1 , α 1 = α 1,0 × α 1,1 , β 1 = β 1,0 × β 1,1 , γ 1 = γ 1,0 × γ 1, 1
(処理3′(7))
入力者1はλ1を(2,8)Shamir法で秘密分散し、[λ1]0,・・・,[λ1]7を得る。
(Processing 3'(7))
The
(処理3′(8))
入力者1は以下を計算する。
[α1λ1]2=α1×[λ1]2,[α1λ1]3=α1×[λ1]3
[β1λ1]4=β1×[λ1]4,[β1λ1]5=β1×[λ1]5
[γ1λ1]6=γ1×[λ1]6,[γ1λ1]7=γ1×[λ1]7
(Processing 3'(8))
[Α 1 λ 1 ] 2 = α 1 × [λ 1 ] 2 , [α 1 λ 1 ] 3 = α 1 × [λ 1 ] 3
[Β 1 λ 1 ] 4 = β 1 × [λ 1 ] 4 , [β 1 λ 1 ] 5 = β 1 × [λ 1 ] 5
[Γ 1 λ 1 ] 6 = γ 1 × [λ 1 ] 6 , [γ 1 λ 1 ] 7 = γ 1 × [λ 1 ] 7
(処理3′(9))
入力者1は[λ1]0,[α1λ1]2,[β1λ1]4,[γ1λ1]6,λ1,0,α1,0,β1,0,γ1,0をマシンS0に送る。
(Processing 3'(9))
(処理3′(10))
入力者1は[λ1]1,[α1λ1]3,[β1λ1]5,[γ1λ1]7,λ1,1,α1,1,β1,1,γ1,1をマシンS0に送る。
(Processing 3'(10))
(処理3′(12))
入力者2,3も同様の処理を行う。よって、S0は以下を保持する。
(Processing 3'(12))
Inputters 2 and 3 also perform the same processing. Therefore, S 0 holds the following.
[λ0]0,[λ1]0,[λ2]0,[λ3]0,[α0λ0]2,[α1λ1]2,[α2λ2]2,[α3λ3]2,[β0λ0]4,[β1λ1]4,[β2λ2]4,[β3λ3]4,[γ0λ0]6,[γ1λ1]6,[γ2λ2]6,[γ3λ3]6,
λ0,0,λ1,0λ2,0λ3,0,α0,0,α1,0,α2,0,α3,0,β0,0,β1,0,β2,0,β3,0,γ0,0,γ1,0,γ2,0,γ3,0
[Λ 0 ] 0 , [λ 1 ] 0 , [λ 2 ] 0 , [λ 3 ] 0 , [α 0 λ 0 ] 2 , [α 1 λ 1 ] 2 , [α 2 λ 2 ] 2 , [α 3 λ 3 ] 2 , [β 0 λ 0 ] 4 , [β 1 λ 1 ] 4 , [β 2 λ 2 ] 4 , [β 3 λ 3 ] 4 , [γ 0 λ 0 ] 6 , [γ 1 λ 1 ] 6 , [γ 2 λ 2 ] 6 , [γ 3 λ 3 ] 6 ,
λ 0 , 0,
(処理3′(13))
S1は以下を保持する。
(Processing 3'(13))
S 1 holds the following.
[λ0]1,[λ1]1,[λ2]1,[λ3]1,[α0λ0]3,[α1λ1]3,[α2λ2]3,[α3λ3]3,[β0λ0]5,[β1λ1]5,[β2λ2]5,[β3λ3]5,[γ0λ0]7,[γ1λ1]7,[γ2λ2]7,[γ3λ3]7,
λ0,1,λ1,1λ2,1λ3,1,α0,1,α1,1,α2,1,α3,1,β0,1,β1,1,β2,1,β3,1,γ0,1,γ1,1,γ2,1,γ3,1
[Λ 0 ] 1 , [λ 1 ] 1 , [λ 2 ] 1 , [λ 3 ] 1 , [α 0 λ 0 ] 3 , [α 1 λ 1 ] 3 , [α 2 λ 2 ] 3 , [α 3 λ 3 ] 3 , [β 0 λ 0 ] 5 , [β 1 λ 1 ] 5 , [β 2 λ 2 ] 5 , [β 3 λ 3 ] 5 , [γ 0 λ 0 ] 7 , [γ 1 λ 1 ] 7 , [γ 2 λ 2 ] 7 , [γ 3 λ 3 ] 7 ,
λ 0 , 1,
(処理3′(14))
S0は以下を計算する。乗算結果は(5,8)Shamir法による分散値と等価である。
[λ0λ1λ2λ3]0=[λ0]0×[λ1]0×[λ2]0×[λ3]0,
[α0α1α2α3λ0λ1λ2λ3]2=[α0λ0]2×[α1λ1]2×[α2λ2]2×[α3λ3]2
[β0β1β2β3λ0λ1λ2λ3]4=[β0λ0]4×[β1λ1]4×[β2λ2]4×[β3λ3]4
[γ0γ1γ2γ3λ0λ1λ2λ3]6=[γ0λ0]6×[γ1λ1]6×[γ2λ2]6×[γ3λ3]6
(Processing 3'(14))
S 0 calculates the following. The multiplication result is equivalent to the variance value by the (5,8) Shamir method.
[Λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 ] 0 = [λ 0 ] 0 × [λ 1 ] 0 × [λ 2 ] 0 × [λ 3 ] 0 ,
[Α 0 α 1 α 2 α 3 λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 ] 2 = [α 0 λ 0 ] 2 × [α 1 λ 1 ] 2 × [α 2 λ 2 ] 2 × [α 3 λ 3 ] 2
[Β 0 β 1 β 2 β 3 λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 ] 4 = [β 0 λ 0 ] 4 × [β 1 λ 1 ] 4 × [β 2 λ 2 ] 4 × [β 3 λ 3 ] 4
[Gamma 0 γ 1 γ 2 γ 3 λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 ] 6 = [γ 0 λ 0 ] 6 × [γ 1 λ 1 ] 6 × [γ 2 λ 2 ] 6 × [γ 3 λ 3 ] 6
(処理3′(15)) (Processing 3'(15))
S1は以下を計算する。乗算結果は(5,8)Shamir法による分散値と等価である。
[λ0λ1λ2λ3]1=[λ0]1×[λ1]1×[λ2]1×[λ3]1,
[α0α1α2α3λ0λ1λ2λ3]3=[α0λ0]3×[α1λ1]3×[α2λ2]3×[α3λ3]3
[β0β1β2β3λ0λ1λ2λ3]5=[β0λ0]5×[β1λ1]5×[β2λ2]5×[β3λ3]5
[γ0γ1γ2γ3λ0λ1λ2λ3]7=[γ0λ0]7×[γ1λ1]7×[γ2λ2]7×[γ3λ3]7
S 1 calculates the following. The multiplication result is equivalent to the variance value by the (5,8) Shamir method.
[Λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 ] 1 = [λ 0 ] 1 × [λ 1 ] 1 × [λ 2 ] 1 × [λ 3 ] 1 ,
[Α 0 α 1 α 2 α 3 λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 ] 3 = [α 0 λ 0 ] 3 × [α 1 λ 1 ] 3 × [α 2 λ 2 ] 3 × [α 3 λ 3 ] 3
[Β 0 β 1 β 2 β 3 λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 ] 5 = [β 0 λ 0 ] 5 × [β 1 λ 1 ] 5 × [β 2 λ 2 ] 5 × [β 3 λ 3 ] 5
[Gamma 0 γ 1 γ 2 γ 3 λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 ] 7 = [γ 0 λ 0 ] 7 × [γ 1 λ 1 ] 7 × [γ 2 λ 2 ] 7 × [γ 3 λ 3 ] 7
(処理3′(16)) (Processing 3'(16))
S0はα0,0×α1,0×α2,0×α3,0,β0,0×β1,0×β2,0×β3,0,γ0,0×γ1,0×γ2,0×γ3,0を計算する。また、λ′0=λ0,0×λ1,0×λ2,0×λ3,0を計算する。 S 0 is α 0,0 × α 1,0 × α 2,0 × α 3,0 , β 0,0 × β 1,0 × β 2,0 × β 3,0 , γ 0,0 × γ 1 , 0 × γ 2,0 × γ 3,0 is calculated. In addition, λ ′ 0 = λ 0,0 × λ 1,0 × λ 2,0 × λ 3,0 is calculated.
(処理3′(17)) (Processing 3'(17))
S1はα0,1×α1,1×α2,1×α3,1,β0,1×β1,1×β2,1×β3,1,γ0,1×γ1,1×γ2,1×γ3,1を計算してS0に送る。また、λ′1=λ0,1×λ1,1×λ2,1×λ3,1を計算する。 S 1 is α 0,1 × α 1,1 × α 2,1 × α 3,1 , β 0,1 × β 1,1 × β 2,1 × β 3,1 , γ 0,1 × γ 1 , 1 × γ 2,1 × γ 3,1 is calculated and sent to S0 . Also, λ ′ 1 = λ 0,1 × λ 1,1 × λ 2,1 × λ 3,1 is calculated.
(処理3′(18))
S0は以下を計算し、S1に送る。
(Processing 3'(18))
S 0 calculates the following and sends it to S 1 .
α0α1α2α3=α0,0α1,0α2,0α3,0×α0,1α1,1α2,1α3,1,
β0β1β2β3=β0,0β1,0β2,0β3,0×β0,1β1,1β2,1β3,1,
γ0γ1γ2γ3=γ0,0γ1,0γ2,0γ3,0×γ0,1γ1,1γ2,1γ3,1
(処理3′(19))
S0は以下を計算する。ただし、λ=λ0λ1λ2λ3とする。
α 0 α 1 α 2 α 3 = α 0,0 α 1,0 α 2,0 α 3,0 × α 0,1 α 1,1 α 2,1 α 3,1 ,
β 0 β 1 β 2 β 3 = β 0,0 β 1,0 β 2,0 β 3,0 × β 0,1 β 1,1 β 2,1 β 3,1 ,
γ 0 γ 1 γ 2 γ 3 = γ 0,0 γ 1,0 γ 2,0 γ 3,0 × γ 0,1 γ 1,1 γ 2,1 γ 3,1
(Processing 3'(19))
S 0 calculates the following. However, λ = λ 0 λ 1 λ 2 λ 3
(処理3′(20))
S1は以下を計算する。
(Processing 3'(20))
S1 calculates the following.
(処理3′(21)) (Processing 3'(21))
S0は0を(3,4)Shamir法で秘密分散した[00]jを計算し、以下を計算してR0,1とR0,3をS1に送る。ただし、ai,jは4次式を2次式に変換する行列Aにおける位置i,jにおける要素である。
R0,0=a0,0×[λ]0+a2,0×[λ]2+a4,0×[λ]4+a6,0×[λ]6+[00]0,
R0,1=a0,1×[λ]0+a2,1×[λ]2+a4,1×[λ]4+a6,1×[λ]6+[00]1,
R0,2=a0,2×[λ]0+a2,2×[λ]2+a4,2×[λ]4+a6,2×[λ]6+[00]2,
R0,3=a0,3×[λ]0+a2,3×[λ]2+a4,3×[λ]4+a6,3×[λ]6+[00]3,
For S 0 , 0 is secretly distributed by the (3,4) Shamir method [0 0 ] j is calculated, and the following is calculated to send R 0 , 1 and R 0 , 3 to S 1 . However, ai and j are elements at positions i and j in the matrix A that transforms a quaternary expression into a quadratic expression.
R 0,0 = a 0,0 × [λ] 0 + a 2,0 × [λ] 2 + a 4,0 × [λ] 4 + a 6,0 × [λ] 6 + [0 0 ] 0 ,
R 0,1 = a 0,1 x [λ] 0 + a 2,1 x [λ] 2 + a 4,1 x [λ] 4 + a 6,1 x [λ] 6 + [0 0 ] 1 ,
R 0,2 = a 0,2 x [λ] 0 + a 2,2 x [λ] 2 + a 4,2 x [λ] 4 + a 6,2 x [λ] 6 + [0 0 ] 2 ,
R 0,3 = a 0,3 x [λ] 0 + a 2,3 x [λ] 2 + a 4,3 x [λ] 4 + a 6,3 x [λ] 6 + [0 0 ] 3 ,
(処理3′(22)) (Processing 3'(22))
S1は0を(3,4)Shamir法で秘密分散した[01]jを計算し、以下を計算してR1,0とR1,2をS0に送る。
S 1 calculates [0 1 ] j in which 0 is secretly distributed by the (3, 4) Shamir method, calculates the following, and sends
R1,0=a1,0×[λ]1+a3,0×[λ]3+a5,0×[λ]5+a7,0×[λ]7+[01]0,
R1,1=a1,1×[λ]1+a3,1×[λ]3+a5,1×[λ]5+a7,1×[λ]7+[01]1,
R1,2=a1,2×[λ]1+a3,2×[λ]3+a5,2×[λ]5+a7,2×[λ]7+[01]2,
R1,3=a1,3×[λ]1+a3,3×[λ]3+a5,3×[λ]5+a7,3×[λ]7+[01]3,
R 1,0 = a 1,0 x [λ] 1 + a 3,0 x [λ] 3 + a 5,0 x [λ] 5 + a 7,0 x [λ] 7 + [0 1 ] 0 ,
R 1,1 = a 1,1 x [λ] 1 + a 3,1 x [λ] 3 + a 5,1 x [λ] 5 + a 7,1 x [λ] 7 + [0 1 ] 1 ,
R 1,2 = a 1,2 x [λ] 1 + a 3,2 x [λ] 3 + a 5,2 x [λ] 5 + a 7,2 x [λ] 7 + [0 1 ] 2 ,
R 1,3 = a 1,3 x [λ] 1 + a 3,3 x [λ] 3 + a 5,3 x [λ] 5 + a 7,3 x [λ] 7 + [0 1 ] 3 ,
(処理3′(23))
S0は[λ]0=R0,0+R1,0,[λ]2=R0,2+R1,2を(3,4)Shamir法における分散値とし、(2,2)Shamir法で秘密分散した[00]jを計算して以下を計算する。S0はR′0,1をS1に送る。ただし、a′i,jは2次式を1次式に変換する行列A’における位置i,jにおける要素である。
R′0,0=a′0,0×[λ]0+a′2,0×[λ]2+[00]0,
R′0,1=a′0,1×[λ]0+a′2,1×[λ]2+[00]1,
(Processing 3'(23))
For S 0 , [λ] 0 = R 0,0 + R 1,0 , [λ] 2 = R 0,2 + R 1 , 2 are the dispersion values in the (3,4) Shamir method, and the (2,2) Shamir method. Calculate the secret-shared [0 0 ] j in and calculate the following. S 0 sends R'0,1 to S1. However, a'i, j are elements at positions i , j in the matrix A'that transforms a quadratic expression into a linear expression.
R'0,0 = a'0,0 x [λ] 0 + a'2,0 x [λ] 2 + [0 0 ] 0 ,
R ′ 0,1 = a ′ 0,1 × [λ] 0 + a ′ 2,1 × [λ] 2 + [0 0 ] 1 ,
(処理3′(24)) (Processing 3'(24))
S1は[λ]1=R0,1+R1,1,[λ]3=R0,3+R1,3を(3,4)Shamir法における分散値とし、(2,2)Shamir法で秘密分散した[00]jを計算して以下を計算する。S1はR′1,0をS0に送る。
R′1,0=a′1,0×[λ]1+a′3,0×[λ]3+[01]0,
R′1,1=a′1,1×[λ]1+a′3,1×[λ]3+[01]1,
For S 1 , [λ] 1 = R 0,1 + R 1,1 , [λ] 3 = R 0,3 + R 1,3 are used as the variance values in the (3,4) Shamir method, and the (2,2) Shamir method is used. Calculate the secret-shared [0 0 ] j in and calculate the following. S 1 sends R'1,0 to S0 .
R'1,0 = a'1,0 x [λ] 1 + a'3,0 x [λ] 3 + [0 1 ] 0 ,
R'1,1 = a'1,1 x [λ] 1 + a'3,1 x [λ] 3 + [0 1 ] 1 ,
(処理3′(25))
S0は[λ]0=R′0,0+R′1,0を(2,2)Shamir法における分散値とし、{λ}0=([λ]0,λ′0)を変換用乱数とする。
(Processing 3'(25))
For S 0 , [λ] 0 = R'0,0 + R'1,0 is the dispersion value in the (2,2) Shamir method, and {λ} 0 = ([λ] 0 , λ'0 ) is a random number for conversion. And.
(処理3′(26))
S1は[λ]1=R′0,1+R′1,1を(2,2)Shamir法における分散値とし、{λ}1=([λ]1,λ′1)を変換用乱数とする。
(Processing 3'(26))
For S 1 , [λ] 1 = R'0,1 + R'1,1 is the variance value in the (2,2) Shamir method, and {λ} 1 = ([λ] 1 , λ'1) is a random number for conversion. And.
変換用乱数生成3においてu=2,k=2であれば、(7)においてα0α1が復元されるが、入力者が1台のマシンを観察できれば、それから自らが入力した例えばα0でα0α1を割った結果がもう一人の入力者のα1であることがわかる。よって、もう一人の入力者の秘密情報はα1で秘匿されているが、それが解除され2つの分散値が判るため秘密情報λ1が復元され漏洩する。入力者が3人以上であればα0α1α2が復元されるが、残りの乱数を分解できないため各入力者の秘密情報は漏洩しない。ただし、u=2としたい場合、一人の入力者が入力者0,1となり、もう一人の入力者が入力者2,3となって4つの秘密情報及び乱数を用いれば、例えば入力者0,1は入力者2,3のα2α3を分解できないので、個別の秘密情報は漏洩しない。よって、マシンS0,S1が各々入力者0,1及び入力者2,3となれば変換用乱数をマシン間で自動的に生成できる。逆に、u>4であっても、(1)~(4)の処理を各入力者が行うことにより実現できることは明らかである。また例えば、u=3,t=4,k=3として入力者i(i=0,1,2)は秘密情報λiを(3,12)Shamir法で秘密分散し、3つの分散値を乗算して(7,12)Shamir法に対応する乗算結果を得るが、1回次数変換処理を行えば(4,6)Shamir法に対応する変換用乱数を得ることができる。この(4,6)Shamir法に対応する変換用乱数を各マシンが1つずつ持つことにより(4,4)Shamir法に対応する変換用乱数とできる。よって、演算を行うマシン数tとkは同じとする必要はなく、最終的に設定されるkも当初のkと変えることができる。また、(9)~(10)の次数変換を行う回数もu,t,kの設定及び最終的に必要な分散式の次数により異なる。変換用乱数生成3’においてu=4とする理由は上記よりu>2である必要があり、u=3,t=k=2であれば乗算結果はu(k-1)より3次式となり、半減できないためである。
If u = 2 and k = 2 in the
また、変換用乱数生成の安全性としては以下が言える。変換用乱数生成3’において、例えばS0は一つの秘密情報λ3について[λ3]0,[α3λ3]2,[β3λ3]4,[γ3λ3]6と4個の分散値を持つが、これらは異なる乱数がかけられているため、k=2であっても解くことができない。また、処理3′(19)、(20)において乱数が外され、例えばS0は[λ]0,[λ]2,[λ]4,[λ]6の4個の分散値を持つが、この分散値は分散値同士の乗算結果であるので、5個集めなければ解けない。また、(23)において次数が半減され3個集めればよくなるが、S0は[λ]0,[λ]2の2個しか持たない。最後に、もう1度次数削減され、2個集めればよくなるが、S0は[λ]0しか持たないので解けない。よって、この手法によって生成された変換用乱数の値は二人以上の入力者が結託しないならば、誰も知らない値となる。よって、この手法は情報理論的安全性をもつといえる。ただし上記において、行列AとA’の積をA”としてその各要素をかけて2回の次数変換を1回にしてもよい。
In addition, the following can be said as the security of random number generation for conversion. In the conversion random number generation 3', for example, S 0 is [λ 3 ] 0 , [α 3 λ 3 ] 2 , [β 3 λ 3 ] 4 , [γ 3 λ 3 ] 6 and 4 for one secret information λ 3 . Although they have individual dispersion values, they cannot be solved even if k = 2 because they are multiplied by different random numbers. Further, the random numbers are removed in the processes 3'(19) and (20), for example, S 0 has four variance values of [λ] 0 , [λ] 2 , [λ] 4 , and [λ] 6 . Since this variance value is the result of multiplication of the variance values, it cannot be solved unless five are collected. Further, in (23), the order is halved and it is sufficient to collect three pieces, but S 0 has only two pieces, [λ] 0 and [λ] 2 . Finally, the order is reduced once more, and it is sufficient to collect two, but S 0 has only [λ] 0 , so it cannot be solved. Therefore, the value of the conversion random number generated by this method is a value that no one knows unless two or more inputrs collude. Therefore, it can be said that this method has information-theoretic security. However, in the above, the product of the matrices A and A'may be set as A', and each element thereof may be multiplied to perform two degree conversions once.
以下では上記変換用乱数生成処理によって、変換用乱数
が事前に準備されているとする。
In the following, the conversion random number is generated by the above conversion random number generation process.
Is prepared in advance.
[分散3] [Dispersion 3]
次に、入力者装置12AのCPU22における分散部42が実行する分散3を、図23を参照して説明する。
Next, the
ステップ402で、分散部42は、k個の乱数α0、α1、・・・、αk-1を生成する。
In
ステップ404で、分散部42は、以下を計算する。
In
α(a+1)=α×(a+1)(α=α0α1・・・αk-1) α (a + 1) = α × (a + 1) (α = α 0 α 1 ... α k-1 )
ステップ406で、分散部42は、α=α0α1・・・αk-1を構成する乱数αiを対応するマシン14Niに送信する。
In
入力者装置12B、12Cも、図23と同様の処理を実行する。例えば、ステップ404では、入力者装置12B、12Cの分散部42はそれぞれ、β0、β1、・・・、βk-1、γ0、γ1、・・・、γk-1を生成し、以下を計算する。
The
β(b+1)=β×b(β=β0β1・・・βk-1) β (b + 1) = β × b (β = β 0 β 1 ... β k-1 )
γ(c+1)=γ×c(γ=γ0γ1・・・γk-1) γ (c + 1) = γ × c (γ = γ 0 γ 1 ... γ k-1 )
αi、βi、γi(i=0、・・・、k-1)を秘密分散して、必要時にマシンSiがαi、βi、γiを復元してもよい。 α i , β i , γ i (i = 0, ..., K-1) may be secretly distributed, and the machine S i may restore α i , β i , γ i when necessary.
[秘匿積和演算3] [Concealed multiply-accumulate calculation 3]
次に、マシン14N0~14Nn-1のCPU22における秘匿積和演算部44が実行する秘匿積和演算3を、図24を参照して説明する。
Next, the secret product-
ステップ412で、秘匿積和演算部44は、以下を計算する。
[φωαβ(a+1)(b+1)]i=α(a+1)×β(b+1)×[φ]i
[εηα(a+1)]i=α(a+1)×[ε]i
[λμβ(b+1)]i=β(b+1)×[μ]i
[τργ(c+1)]i=γ(c+1)×[ρ]i
In
[Φωαβ (a + 1) (b + 1)] i = α (a + 1) × β (b + 1) × [φ] i
[Εηα (a + 1)] i = α (a + 1) × [ε] i
[Λμβ (b + 1)] i = β (b + 1) × [μ] i
[Τργ (c + 1)] i = γ (c + 1) × [ρ] i
ステップ414で、秘匿積和演算部44は、乱数δj∈Z/pZを生成する。
In
ステップ416で、秘匿積和演算部44は、以下を計算し、ステップ418で、秘匿積和演算部44は、以下の計算値を、予め定めたマシン14N0に送信する。
In
予め定めたマシン14N0は、以下を計算し、他のマシンに送信するので、ステップ420で、秘匿積和演算部44は、以下の計算値を受信する。
Since the predetermined machine 14N0 calculates the following and transmits it to another machine, in
ステップ422で、秘匿積和演算部44は、以下を計算する。
In
ステップ424で、秘匿積和演算部44は、δjを保存する。
In
δjをSjが秘密分散して、権限をもつ復元者が必要時に復元してもよい。 δ j may be secret-shared by S j and restored by an authorized restorer when necessary.
演算結果を得るには復元者装置18の復元部242は[δ(ab+c)]iをk個集めて復元し、保存しているδiを集めて、復元したδで割れば積和演算結果であるab+cが得られる。
To obtain the calculation result, the
また、秘匿積和演算においてc=0とすれば秘匿乗算となり、a=1とすれば秘匿加算となる。また、ステップ422のγ(c+1)の前の+を-とすれば秘匿減算となる。
Further, in the secret multiply-accumulate operation, if c = 0, it is a secret multiplication, and if a = 1, it is a secret addition. Further, if the + before γ (c + 1) in
(秘匿除算3) (Confidential division 3)
また、秘匿除算は以下のように行う。ただし、分散3においてマシン14Niは徐算用の分散値[α′a]iとα′を構成するα′iをもつとする。
In addition, confidential division is performed as follows. However, in the
予め定められたマシン14N0は、k台のサーバより[α′a]iを収集し、一時的にα′aを復元する。このとき、α′a=0となった場合、除数が0であるので演算を中止する。α′a=0でない場合、マシン14N0は、1/α′aを計算し、他のマシンに送信する。その後、積和演算3において1/α′aをα(a+1)として扱うことによって、秘匿除算が実行される。ただし、1/α′aは1が加えられていないので、ステップ422でμβ(b+1)を削減する処理は省略される。
The predetermined machine 14N0 collects [α'a] i from k servers and temporarily restores α'a. At this time, when α'a = 0, the divisor is 0, so the calculation is stopped. If α'a = 0, the machine 14N0 calculates 1 / α'a and sends it to another machine. After that, the concealment division is executed by treating 1 / α'a as α (a + 1) in the product-
演算の連続及び演算の秘匿も第1の実施の形態と同様に実現できることは明らかである。また、変換用乱数は誰も知らないので、攻撃者となる1入力の入力者と復元者が結託した場合でも秘密情報にかけられた乱数を知ることができず、TUS方式の問題点で説明した解析ができなくなり、利害関係が対立する入出力者間であっても情報理論的に安全な秘匿積和演算が実現される。 It is clear that the continuity of the operations and the concealment of the operations can be realized in the same manner as in the first embodiment. In addition, since no one knows the random number for conversion, even if the one-input inputter who is the attacker and the restorer collude, it is not possible to know the random number applied to the secret information, which was explained in the problem of the TUS method. It becomes impossible to analyze, and information-theoretic safe secret product-sum operation is realized even between input / output parties with conflicting interests.
第3の実施の形態によって多くの人または組織が協力してNNマシンの学習などを実現することができる。これによって、各入力者装置の入力情報は他の入力者装置及び復元者装置に漏えいせず、その学習結果などを公開できるようになる。また、第3の実施の形態は最小n=k=2台のNNマシンによって実現でき、少なくとも1つのNNマシンの情報が漏えいしなければ安全であり、一般のビッグデータへの応用が可能である。よって、第3の実施の形態によって、TUS方式で実現できなかった積和演算を含むどのような場合にも適用できる安全な秘匿演算を実現する。 According to the third embodiment, many people or organizations can cooperate to realize learning of the NN machine. As a result, the input information of each input person device is not leaked to other input person devices and the restorer device, and the learning result and the like can be disclosed. Further, the third embodiment can be realized by a minimum of n = k = 2 NN machines, is safe as long as the information of at least one NN machine is not leaked, and can be applied to general big data. .. Therefore, according to the third embodiment, a secure concealment operation that can be applied in any case including a product-sum operation that could not be realized by the TUS method is realized.
<第4の実施の形態> <Fourth Embodiment>
第4の実施の形態の構成は、図25に示すように、第3の実施の形態の構成(図18)と同様の構成があるので、同一部分には同一の符号を付して、その説明を省略し、異なる部分を説明する。第4の実施の形態では、演算支援装置16を備えている。第4の実施の形態における入力者装置12A0~12C0は、演算支援部を備えていない。演算支援装置16が、演算支援部を備えている。第4の実施の形態では、マシン14N0~14Nn-1の内の予め定められた1台のマシン14NN(マシン数N=1、n=k=2)が秘匿演算を行う。ただし、演算支援装置16は後述するように復元処理も行えるので、復元者装置18はなくてもよい。第2の実施の形態と同様に秘密分散に関するn及びkは最小値である2(任意の数を選択できる)として説明する。
As shown in FIG. 25, the configuration of the fourth embodiment has the same configuration as the configuration of the third embodiment (FIG. 18), so that the same parts are designated by the same reference numerals. The explanation is omitted and the different parts are explained. In the fourth embodiment, the
入力者装置12A~12Cの各々のCPU22の機能部は、図3に示すように、分散部42を備える。マシン14NNのCPU22の機能部は、図4に示すように、秘匿積和演算部44及び秘匿除算部46を備える。演算支援装置16のCPU22の機能部は、図12に示すように、分散部42と演算支援部150を備える。
As shown in FIG. 3, the functional unit of each
第4の実施の形態では、複数の秘密情報の入力者装置12A~12Cと、結果を知る復元者装置18とが異なり、かつ1台の演算支援装置と1台のマシン14NNで秘匿演算を実行する。
In the fourth embodiment, the plurality of confidential
第4の実施の形態では、利害が対立する入力者装置12A~12Cの間で1台のマシン14NNによって秘匿計算を実現するために、信頼できる演算支援装置が1台あるとする。また、各入力者装置12A~12Cはその演算支援装置と暗号などを用いた安全な通信路を確保しているとする。
In the fourth embodiment, it is assumed that there is one reliable calculation support device in order to realize the confidential calculation by one machine 14NN between the
演算支援装置はマシン14N0~14Nn-1に比べて非常に小さな処理でよく、マシン14NNの処理は攻撃者が知ることができるが、演算支援装置の処理は漏えいしないとする。 The arithmetic support device may require much smaller processing than the machines 14N0 to 14Nn-1, and the attacker can know the processing of the machine 14NN, but the processing of the arithmetic support device is not leaked.
詳細は後述するが、1台のNNマシンで秘匿計算を行う第2の実施の形態との大きな違いは入力者からの攻撃を想定する点である。第2の実施の形態における入力者は全ての情報を知るため攻撃する必要はなく、NNマシン及びそれを観察できる者だけが攻撃者であった。それに対して、本実施の形態における入力者は部分的な情報しか知らず、他の入力者及び演算結果を知るための攻撃を行う可能性がある、よって、積和演算自体を入力者から秘匿するため、1のような定数ではなく、第1の乱数a1を秘密情報に加算して第2の乱数αを乗じたα(a+a1)を公開する。これによって、入力者による攻撃を防ぐ。 The details will be described later, but the major difference from the second embodiment in which the concealment calculation is performed by one NN machine is that an attack from an input person is assumed. The input person in the second embodiment does not need to attack in order to know all the information, and only the NN machine and the person who can observe it were the attackers. On the other hand, the input person in the present embodiment knows only partial information and may make an attack to know other input persons and the operation result. Therefore, the product-sum operation itself is concealed from the input person. Therefore, instead of a constant such as 1, the first random number a1 is added to the secret information and α (a + a1) multiplied by the second random number α is disclosed. This prevents attacks by the input person.
[分散4] [Dispersion 4]
各入力者装置12A~12Cから安全な通信路を介して得た秘密情報a,b,cに対する演算支援装置のCPU22における分散部42が実行する分散4を、図26を参照して説明する。
The
ステップ432で、分散部42は、乱数α、β、γと乱数a1、b1、c1を生成する。
In
ステップ434で、分散部42は、以下を計算する。
α(a+a1)=α×(a+a1)
β(b+b1)=β×(b+b1)
γ(c+c1)=γ×(c+c1)
In
α (a + a1) = α × (a + a1)
β (b + b1) = β × (b + b1)
γ (c + c1) = γ × (c + c1)
ステップ436で、分散部42は、α(a+a1)、β(b+b1)、及びγ(c+c1)を、1台のマシン14NNに送信する。
In
ステップ438で、分散部42は、乱数δ0、δ1を生成する。
In step 438, the
ステップ440で、分散部42は、δ0/αβ、δ0b1/α、δ0a1/β、δ0/γを計算する。
In
ステップ442で、分散部42は、δ0/αβ、δ0b1/α、δ0a1/β、δ0/γの秘密分散における以下の分散値[δ0/αβ]0、[δ0b1/α]0、[δ0a1/β]0、[δ0/γ]0と[δ0/αβ]1、[δ0b1/α]1、[δ0a1/β]1、[δ0/γ]1を計算する。
In
ステップ444で、分散部42は、以下の計算(δ=δ0δ1)をする。
[δ/αβ]1=δ1[δ0/αβ]1
[δb1/α]1=δ1[δ0b1/α]1
[δa1/β]1=δ1[δ0a1/β]1
[δ/γ]1=δ1[δ0/γ]1
In
[Δ / αβ] 1 = δ 1 [δ 0 / αβ] 1
[Δb1 / α] 1 = δ 1 [δ 0 b1 / α] 1
[Δa1 / β] 1 = δ 1 [δ 0 a1 / β] 1
[Δ / γ] 1 = δ 1 [δ 0 / γ] 1
ステップ446で、分散部42は、[δ0/αβ]0、[δ0b1/α]0、[δ0a1/β]0、[δ0/γ]0と[δ/αβ]1、[δb1/α]1、[δa1/β]1、[δ/γ]1を1台のマシン14NNに送信する。
In
[積和演算4]
次に、マシン14NNのCPU22における秘匿積和演算部44が実行する積和演算4を、図27を参照して説明する。
[Multiply-accumulate calculation 4]
Next, the product-
ステップ452で、秘匿積和演算部44は、以下の計算をする。
[δ0{(ab+c)-(a1b1-c1)}]0=α(a+a1)×β(b+b1)×[δ0/αβ]0-α(a+a1)×[δ0b1/α]0-β(b+b1)×[δ0a1/β]0+γ(c+c1)×[δ0/γ]0
[δ{(ab+c)-(a1b1-c1)}]1=α(a+1)×β(b+1)×[δ/αβ]1-α(a+1)×[δb1/α]1-β(b+1)×[δa1/β]1+γ(c+1)×[δ/γ]1
In
[Δ 0 {(ab + c)-(a1b1-c1)}] 0 = α (a + a1) × β (b + b1) × [δ 0 / αβ] 0 -α (a + a1) × [δ 0 b1 / α] 0 -β (B + b1) × [δ 0 a1 / β] 0 + γ (c + c1) × [δ 0 / γ] 0
[Δ {(ab + c)-(a1b1-c1)}] 1 = α (a + 1) × β (b + 1) × [δ / αβ] 1 -α (a + 1) × [δb1 / α] 1 -β (b + 1) × [Δa1 / β] 1 + γ (c + 1) × [δ / γ] 1
[演算支援4]
次に、演算支援装置16のCPU22における演算支援部が実行する演算支援4を、図28を参照して説明する。
[Operation support 4]
Next, the
ステップ462で、演算支援部は、[δ0{(ab+c)-(a1b1-c1)}]0と[δ{(ab+c)-(a1b1-c1)}]1を収集する。
In
ステップ464で、演算支援部は、以下を計算する。
[δ{(ab+c)-(a1b1-c1)]0=δ1[δ0{(ab+c)-(a1b1-c1)}]0
In
[Δ {(ab + c)-(a1b1-c1)] 0 = δ 1 [δ 0 {(ab + c)-(a1b1-c1)}] 0
ステップ466で、演算支援部は、[δ{(ab+c)-(a1b1-c1)}]0と[δ{(ab+c)-(a1b1-c1)}]1からδ{(ab+c)-(a1b1-c1)を復元する。
In
ステップ468で、演算支援部は、δ(ab+c+d1)を計算する。ここで、d1=(c1-a1b1)としてもよいが、δ{(ab+c)-(a1b1-c1)}にδ(a1b1-c1)を足して、新たに生成した乱数δd1を足してもよい。 In step 468, the calculation support unit calculates δ (ab + c + d1). Here, d1 = (c1-a1b1) may be set, but δ (a1b1-c1) may be added to δ {(ab + c)-(a1b1-c1)}, and a newly generated random number δd1 may be added.
ステップ470で、演算支援部は、演算を継続するか否かを判断し、演算を継続しない場合には、ステップ472で、演算支援部は、上記においてδd1を足さずにδで割ることによりab+cを計算する。 In step 470, the calculation support unit determines whether or not to continue the calculation, and if the calculation is not continued, in step 472, the calculation support unit divides by δ without adding δd1 in the above. Calculate ab + c.
演算を継続する場合、分散4の図26のステップ438~444の処理は演算手順が判っていれば事前に実行できる。よって、演算中に行われる必須の演算支援処理は演算支援処理4のみとなる。また、演算支援処理は積和演算毎に実行しなくても必要に応じて実行すればよい。例えば、Σδ0(ai+1)(bi+1)などの処理では演算後に1度演算支援処理をするだけでよい。
When the calculation is continued, the processing of steps 438 to 444 of FIG. 26 of the
[秘匿除算4]
次に、演算支援装置16のCPU22における演算支援部254が実行する秘匿除算4を説明する。本実施の形態における秘匿除算4は、前述した秘匿除算2(図17)において、入力者装置12のCPU22における演算支援部150が実行した処理を、演算支援装置16のCPU22における演算支援部254が実行する点のみが異なるので、その説明を省略する。
[Confidential division 4]
Next, the
第4の実施の形態によって1台のマシン14NNと1台の演算支援装置の組み合わせによって、入力者装置及び復元者装置などの利害関係が対立しても安全な秘匿計算が実現できるようになる。一般に、マシン14NNはその制御を担当するICチップまたは専用の制御装置などとセットで動作する場合が多い。よって、そのICチップまたは専用の制御装置に耐タンパ性を持たせ、第4の実施の形態による演算支援機能を追加すれば、大きなシステム変更を伴わず本実施の形態が実現できる。すなわち、マシン14NNは高速演算器として動作し、その動作を観察されてもICチップまたは制御装置が安全であれば、入力情報や解こうとする問題が漏えいしないシステムが構成できる。ただし、演算支援装置16は第2の実施の形態における1個の入力者装置と同様に全ての情報を知るので、演算支援装置16が解析されると秘密情報及び秘匿演算結果が漏洩する。
According to the fourth embodiment, the combination of one machine 14NN and one arithmetic support device enables safe concealment calculation even if the interests of the input person device and the restorer device conflict with each other. In general, the machine 14NN often operates as a set with an IC chip in charge of its control or a dedicated control device. Therefore, if the IC chip or the dedicated control device is provided with tamper resistance and the calculation support function according to the fourth embodiment is added, the present embodiment can be realized without major system changes. That is, the machine 14NN operates as a high-speed arithmetic unit, and if the IC chip or the control device is safe even if the operation is observed, a system can be configured in which the input information and the problem to be solved are not leaked. However, since the
<第5の実施の形態>
次に、第5の実施の形態を説明する。
第5の実施の形態の構成は、第4の実施の形態の構成(図25参照)と同様であるので、その説明を省略する。
<Fifth Embodiment>
Next, a fifth embodiment will be described.
Since the configuration of the fifth embodiment is the same as the configuration of the fourth embodiment (see FIG. 25), the description thereof will be omitted.
第5の実施の形態において、第4の実施の形態のように演算支援装置を絶対としなくても第3の実施の形態のような安全性が実現できる手法を考える。第4の実施の形態においては演算支援装置が解析できれば、全ての秘密情報が漏洩する。これは、演算支援装置が第2の実施の形態における入力者のように全ての情報を1元的に管理するためである。これに第3の実施の形態の要素を加え、秘密分散における処理量がNNマシンは大きく演算支援装置は小さいという特徴を生かしながら、1台のマシン14NNと演算支援装置の両方を解析しなければ秘密情報が漏洩しないようにすることが課題である。第5の実施の形態においてもN=1,n=k=2として説明する。 In the fifth embodiment, consider a method that can realize the safety as in the third embodiment without making the arithmetic support device absolute as in the fourth embodiment. In the fourth embodiment, if the arithmetic support device can be analyzed, all the confidential information will be leaked. This is because the arithmetic support device centrally manages all the information like the input person in the second embodiment. By adding the elements of the third embodiment to this, it is necessary to analyze both one machine 14NN and the calculation support device while taking advantage of the feature that the processing amount in secret sharing is large for the NN machine and the calculation support device is small. The challenge is to prevent the leakage of confidential information. Also in the fifth embodiment, it will be described as N = 1, n = k = 2.
第4の実施の形態では演算支援装置は全ての秘密情報を知るため、演算支援装置だけ攻撃できれば全秘密情報が漏えいする。そこで、第4の実施の形態のように利害が対立する入力者装置間でも1台のマシンで演算可能で、かつ第3の実施の形態のように1台のマシンと演算支援装置の2つが解析されない限り安全な実施の形態を示す。また、第3の実施の形態と同様に変換用乱数を生成するが、演算支援装置は信頼できるとするので、第1の実施の形態の(1-2)と同等に変換用乱数は演算支援装置が生成する。よって、分散5において変換用乱数{μ′}i、{ν′}i、{ε′}i、{ρ′}i、{ω′}iは準備されているとする。
In the fourth embodiment, since the calculation support device knows all the secret information, if only the calculation support device can attack, all the secret information will be leaked. Therefore, as in the fourth embodiment, it is possible to perform calculation with one machine even between inputter devices having conflicting interests, and as in the third embodiment, one machine and a calculation support device are used. An embodiment that is safe unless analyzed is shown. Further, the conversion random number is generated in the same manner as in the third embodiment, but since the calculation support device is reliable, the conversion random number is calculated and supported in the same manner as in (1-2) of the first embodiment. Generated by the device. Therefore, it is assumed that the conversion random numbers {μ'} i, {ν'} i, {ε'} i, {ρ'} i, and {ω'} i are prepared in the
[分散5]
分散5を、入力者装置12Aの分散5のプログラムのフローチャート(図29A)、入力者装置12Bの分散5のプログラムのフローチャート(図29B)、入力者装置12Cの分散5のプログラムのフローチャート(図29C)、演算支援装置16の分散5のプログラムのフローチャート(図29D)、マシン14NNの分散5のプログラムのフローチャート(図29E)、及び分散5のシーケンス図(図29F)を参照して説明する。
[Dispersion 5]
The
(分散5(1))
入力者装置12Aは乱数α′0、α′1を生成して以下を計算してα′(a+1)をマシン14NNと演算支援装置16に送信し、マシン14NNにα′0を送信し、演算支援装置16にα′1を送信する(図29Aのステップ502A~508A、図29Dのステップ512、図29Eのステップ552も参照)。
α′=α′0×α′1、 α′(a+1)=α′×(a+1)
(Dispersion 5 (1))
The
α ′ = α ′ 0 × α ′ 1 , α ′ (a + 1) = α ′ × (a + 1)
入力者装置12Bは乱数β′0、β′1を生成して以下を計算してβ′(b+1)をマシン14NNと演算支援装置16に送信し、マシン14NNにβ′0を送信し、演算支援装置16にβ′1を送信する(図29Bのステップ502B~508B、図29Dのステップ514、図29Eのステップ554も参照)。
β′=β′0×β′1、 β′(b+1)=β′×(b+1)
The
β ′ = β ′ 0 × β ′ 1 , β ′ (b + 1) = β ′ × (b + 1)
入力者装置12Cは乱数γ′0、γ′1を生成して以下を計算してγ′(c+1)をマシン14NNと演算支援装置16に送信し、マシン14NNにγ′0を送信し、演算支援装置16にγ′1を送信する(図29Cのステップ502C~508C、図29Dのステップ516、図29Eのステップ556も参照)。
γ′=γ′0×γ′1、 γ′(c+1)=γ′×(c+1)
The inputter device 12C generates random numbers γ'0 and γ'1 and calculates the following to send γ'(c + 1 ) to the machine 14NN and the
γ' = γ'0 x γ'1, γ'(c + 1 ) = γ'x (c + 1)
α′i、β′i、γ′i(i=0、・・・、k-1)を秘密分散して、必要時にマシン14NN及び演算支援装置16がα′i、β′i、γ′iを復元してもよい。
α'i, β'i, γ'i ( i = 0, ..., k-1) are secretly distributed, and when necessary, the machine 14NN and the
(分散5(2)) (Dispersion 5 (2))
マシン14NNは、2以上の乱数a00、a01を生成し、a0=a00×a01を計算して、a0からa0′=a0-1を計算し、乱数ξa0、0、ξa0.1とξ′a0、0、ξ′a0.1を生成して、ξa0=ξa0、0×ξa0.1、ξ′a0=ξa0×a0を計算し、ξ′a0×a0′と、ξa0.1、ξ′a0、1、a01を演算支援装置16に送信する(図29Eのステップ558~568、図29Dのステップ518参照)。
The machine 14NN generates two or more random numbers a0 0 , a01 1 , calculates a0 = a0 0 × a01 1 , calculates a0'= a0-1 from a0, and random numbers ξ a0 , 0, ξ a0. 1 and ξ'a0 , 0, ξ'a0.1 are generated, ξ a0 = ξ a0, 0 × ξ a0.1, ξ'a0 = ξ a0 × a0 is calculated, and ξ'a0 × a0 ' , Ξ a0.1 , ξ'a0 , 1 ,
(分散5(3)) (Dispersion 5 (3))
演算支援装置16は、0でない乱数a10、a11、ξa1、0、ξa1.1を生成してa1=a10×a11、ξa1=ξa1、0×ξa1.1を計算してξa1×a1とξa1、0をマシン14NNに送信する(図29Dのステップ520~524、図29Eのステップ570参照)。
The
マシン14NNは乱数α0、α′0を生成し(図29Eのステップ572参照)、演算支援装置16は乱数α1、α′1を生成し(図29Dのステップ526)、マシン14NNは、以下を計算し(図29Eのステップ574)、演算支援装置16は以下を計算し、マシン14NNに送る(図29Dステップ528、図29Eのステップ576参照)(以降、マシン14NNはi=0、演算支援装置16はi=1に対応する計算を行う)。
The machine 14NN generates random numbers α 0 and α ′ 0 (see
(分散5(4)) (Dispersion 5 (4))
マシン14NNは、 Machine 14NN
をi=0,1について掛け合わせ、(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、即ち、それぞれ Is multiplied for i = 0, 1 and (A), (B), (C), (D), (E), that is, each
を計算して、演算支援装置16に送る(図29Eのステップ578、580、図29Dのステップ530参照)。
Is calculated and sent to the calculation support device 16 (see
(分散5(5)) (Dispersion 5 (5))
マシン14NNはi=0に対応する下記式を計算し(図29Eのステップ582)、演算支援装置16はi=1に対応する下記式を計算する(図29Dのステップ532)。ただし、a0+a1=a2とする。
The machine 14NN calculates the following equation corresponding to i = 0 (step 582 in FIG. 29E), and the
(分散5(6)) (Dispersion 5 (6))
演算支援装置16はi=1に対応する[α″a2]1、[α(a+a2)]1をマシン14NNに送信し(図29Dのステップ534、図29Eのステップ584参照)、マシン14NNはα″a2、α(a+a2)を復元する(図29Eのステップ586参照)。
The
(分散5(7)) (Dispersion 5 (7))
マシン14NNと演算支援装置16は分散5(1)~(6)をb、cに対しても実行し、β(b+b2)、β″b2、γ(c+c2)、γ″c2を得る(図29Dのステップ536、図29Eのステップ588、図29A~29Cも参照)。
The machine 14NN and the
(分散5(8)) (Dispersion 5 (8))
演算支援装置16は乱数χと乱数ε、τ、ω、λ、κ、ζを生成して、ε、τ、ω、λ、κ、ζを秘密分散して以下を計算し、変換用乱数{ε}、{τ}、{ω}、{λ}、{κ}、{ζ}をマシン14N0に送る(図29Dのステップ540、542参照)。
[χε]1=χ×[ε]1
[χτ]1=χ×[τ]1
[χφω]1=χ×[φ]1
[χλ]1=χ×[λ]1
[χκ]1=χ×[κ]1
[χζ]1=χ×[ζ]1
{ε}=([ε]0、[χε]1、ε0)
{ρ}=([ρ]0、[χρ]1、ρ0)
{ω}=([ω]0、[χω]1、ω0)
{μ}=([μ]0、[χμ]1、μ0)
{ν}=([ν]0、[χν]1、ν0)
{ζ}=([ζ]0、[χζ]1、ζ0)
The
[Χε] 1 = χ × [ε] 1
[Χτ] 1 = χ × [τ] 1
[Χφω] 1 = χ × [φ] 1
[Χλ] 1 = χ × [λ] 1
[Χκ] 1 = χ × [κ] 1
[Χζ] 1 = χ × [ζ] 1
{Ε} = ([ε] 0 , [χε] 1 , ε 0 )
{Ρ} = ([ρ] 0 , [χρ] 1 , ρ 0 )
{Ω} = ([ω] 0 , [χω] 1 , ω 0 )
{Μ} = ([μ] 0 , [χμ] 1 , μ 0 )
{Ν} = ([ν] 0 , [χν] 1 , ν 0 )
{Ζ} = ([ζ] 0 , [χζ] 1 , ζ 0 )
第3の実施の形態で説明した複数の入力者による変換用乱数生成3’を用いて変換用乱数が生成されている場合、S1に相当する演算支援装置16が最終結果である例えば[ε]1とε1を得、S0に相当するマシン14N0が[ε]0とε0を既に得ている。この場合、演算支援装置16はステップ538の乱数生成を省略でき、ステップ540の処理を行った後、ステップ542において例えば[χε]1のみをマシン14N0に送ればよい(他のτ、ω、λ、κ、ζも同様)。
[秘匿積和演算5]
When the conversion random number is generated using the conversion random number generation 3'by the plurality of inputters described in the third embodiment, the
[Concealed multiply-accumulate calculation 5]
次に、マシン14NNのCPU22における秘匿積和演算部44が実行する秘匿積和演算5と、演算支援装置16のCPU22における演算支援部150が実行する演算支援5とをそれぞれ、図30、図31を参照して説明する。
Next, the secret product-
図30のステップ602で、マシン14NNの秘匿積和演算部44は、乱数δ0∈Z/pZを生成する。
In
図31のステップ612で、演算支援装置16の演算支援部150は、乱数δ1∈Z/pZを生成する。
In
図30のステップ604で、マシン14NNの秘匿積和演算部44は、i=0として以下を計算する。
In
を送信する。 To send.
図31のステップ614で、演算支援装置16の演算支援部150は、i=1として以下を計算して、ステップ616でマシン14NNに送る。
In
図30のステップ606で、マシン14NNのCPU22における秘匿積和演算部44は、上記2つの式(i=0,1)を掛け合わせ、以下を計算する。
In
図30のステップ608で、マシン14NNのCPU22における秘匿積和演算部44は、以下を計算する。
In
[演算支援処理5]
次に、演算支援装置16のCPU22における演算支援部150が実行する演算支援処理5を、図32を参照して、説明する。
[Operation support process 5]
Next, the
ステップ622で、演算支援部150は、[δ0(ab+c)]0と[δ(ab+c)]1を収集する。
In
ステップ624で、演算支援部150は、以下を計算する。
[δ{(ab+c)]0=δ1[δ0(ab+c)]0
In
[Δ {(ab + c)] 0 = δ 1 [δ 0 (ab + c)] 0
ステップ626で、演算支援部150は、[δ(ab+c)]0と[δ(ab+c)]1からδ(ab+c)を復元する。
In
演算を継続する場合、マシン14N0と演算支援装置16は新たにa0、a1に相当する乱数を生成し、それらを秘匿加算したものを新たなα″a2、さらに復元したδ(ab+c)とα″a2を秘匿加算したものを新たなα(a+a2)とすればよい。
When the calculation is continued, the machine 14N0 and the
秘匿徐算はa2を秘匿徐算4におけるa1とすれば、同様に実現可能である。
Concealment graduation can be similarly realized if a2 is a1 in
本実施の形態において演算支援装置16は秘密情報a,b,cを知らず、それらを復元することなく、演算支援装置16はとマシン14NNによって生成された乱数の秘匿加算を行い、入力者が知らない第1の乱数の加算と第2の乱数の乗算を行う。よって、攻撃者が演算支援装置16を攻撃しただけでは秘密情報は漏洩せず、マシン14NNも一緒に解析しなければ秘密情報は漏洩しない。よって、第5の実施の形態によって演算支援装置のみが解析されても安全なシステムが構築できる。
In the present embodiment, the
また、第2、第4の実施の形態において演算を継続する場合、入力者装置12は新たなα,β,γに対して新たなδ0を生成し、δ0/αβ、δ0/α、δ0/β、δ0/γを計算する必要があるが、本実施の形態と同様に、例えば{ε}=([ε]0、[χε]1、ε0)となる変換用乱数をマシン14NNに送り(他の変換用乱数も同様)、秘匿積和演算2及び4において秘匿積和演算5と同様の演算を行えば、演算を継続するためにδ0/αβ、δ0/α、δ0/β、δ0/γを演算中に計算する必要がなくなる(ただし、図30でa0=b0=0、α″=β″=γ″=0であり、第2の実施の形態のみa1=b1=c2=1とする。それに伴いa0、b0等に関する図30、31の演算は省略される)。すなわち、{ε}=([ε]0、[χε]1、ε0)の形式の変換用乱数が事前に準備されていればよい。
Further, when the calculation is continued in the second and fourth embodiments, the
第1の実施の形態~第5の実施の形態では、秘匿演算するマシンが1台または2台を例として説明されたが、1台または2台のマシンを用いて秘匿計算を行う場合に汎用的に用いることができる。 In the first embodiment to the fifth embodiment, one or two machines for concealment calculation have been described as an example, but general purpose is used when concealment calculation is performed using one or two machines. Can be used as a target.
以上より、秘匿演算するマシンが1台の場合、入力者装置が1台であれば第2の実施の形態が最も高速であり、複数台であり演算支援装置が耐タンパ性を有していれば第4の実施の形態が、複数名であり演算装置も解析される可能性がある場合、第5の実施の形態が推奨される。 From the above, when there is one machine for confidential calculation, the second embodiment is the fastest if there is one inputter device, and there are multiple machines and the calculation support device has tamper resistance. For example, when the fourth embodiment has a plurality of names and there is a possibility that the arithmetic unit may also be analyzed, the fifth embodiment is recommended.
また、秘匿演算するマシンを2台利用できる場合、入力者装置が1台であれば第1の実施の形態が最も高速であり、複数台であれば第3の実施の形態が推奨される。 Further, when two machines for confidential calculation can be used, the first embodiment is the fastest if there is one inputter device, and the third embodiment is recommended if there are a plurality of machines.
12 入力者装置
14N0~14Nn-1 マシン
12 Input user device 14N0-14Nn-1 machine
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