问题

FATE联邦学习框架中基于RSA的PSI(隐私集合交)真的比RAW(只基于哈希)的版本更安全吗?

回答
在FATE联邦学习框架中,关于基于RSA的PSI(私密集合交,Private Set Intersection)是否比RAW(只基于哈希)的版本更安全,这是一个值得深入探讨的问题。理解这一点,我们需要先剖析这两种PSI实现的核心原理,以及它们各自在安全与效率上的权衡。

RAW(只基于哈希)PSI:简单与高效的基石

RAW PSI,顾名思义,其核心在于利用哈希函数。在FATE的实现中,RAW PSI通常采用的是OT(Oblivious Transfer,遗忘传输)协议作为基础。遗忘传输是一种特殊的密码学工具,它允许一个发送方(通常是Alice)向接收方(通常是Bob)传输一系列数据,但Bob只能获得他选择的那一个数据,而Alice无法得知Bob选择了哪个,Bob也无法获得除他选择数据之外的任何信息。

RAW PSI的流程大致是这样的:

1. 参与方准备数据: 假设Alice拥有一个集合A,Bob拥有一个集合B。
2. 哈希处理: 双方各自将其集合中的元素进行哈希处理。这里通常会使用一些可抗碰撞的哈希函数,比如SHA256。
3. OT阶段:
Alice(作为OT发送方)为集合A中每个元素的哈希值生成一个“承诺”(commitment)。
Bob(作为OT接收方)持有他的集合B中元素的哈希值。
Bob通过OT协议,让Alice将对应于他集合B中元素哈希值的承诺发送给他。请注意,OT协议的关键在于Bob可以“选择性地”接收信息,而Alice无法知道他选择了什么。
4. 匹配与交集: Bob接收到这些承诺后,将其与他自己集合A中元素的哈希值进行比对。如果一个哈希值出现在Alice的承诺列表中,并且Bob也拥有对应元素的哈希值,那么他就找到了一个交集元素。

RAW PSI的安全性分析:

RAW PSI的安全性主要依赖于哈希函数的安全性和OT协议本身的安全性。

抗碰撞性: 如果哈希函数是安全的,那么找到两个不同输入产生相同输出(即碰撞)的概率非常低,这保证了单个元素的哈希值不会轻易被伪造或泄露。
OT协议的安全性: 遗忘传输协议本身被设计成能够提供“隐私性”和“半诚实”安全。
隐私性(Privacy): 保证了Alice不知道Bob选择了哪个输入,Bob也只能获得他选择的那个输入。
半诚实(SemiHonest)安全: 这是指参与方严格遵守协议的指令,但会尽可能地利用所获得的信息来推断秘密。在这种模型下,RAW PSI被认为是安全的。

RAW PSI的优势:

效率高: 相较于依赖复杂公钥密码学操作的PSI方案,基于哈希和OT的RAW PSI在计算和通信开销上通常更低,尤其适合大规模数据集。
实现相对简单: 核心是哈希和OT,这些技术相对成熟。

RAW PSI的潜在顾虑:

对哈希函数的依赖: 如果哈希函数存在安全漏洞(例如,有可行的碰撞攻击),那么RAW PSI的安全性会受到威胁。
半诚实模型: RAW PSI通常在半诚实模型下被证明是安全的。在更强的“恶意”(Malicious)模型下,即参与方会主动偏离协议以获取信息,RAW PSI可能需要额外的保护机制。

基于RSA的PSI:公钥密码学的力量

基于RSA的PSI方案,其核心在于利用了RSA公钥密码体制的特性,并且通常会结合一些零知识证明(ZeroKnowledge Proofs)或同态加密(Homomorphic Encryption)的思想,以实现更强的安全性保证,尤其是在抵抗更广泛的攻击模型时。

例如,一种常见的基于RSA的PSI思路可能包括:

1. 参与方准备数据: Alice拥有集合A,Bob拥有集合B。
2. 公钥加密: Alice和Bob各自生成RSA密钥对。
3. 加密交集元素: 双方会采用某种方式,使得他们集合中的元素在被对方的公钥加密后,能够被标识出来,而对方却无法直接解密出原始元素。这通常涉及到一些“伪装”或“加密置换”的操作。
4. 多轮交互与验证: 通过多轮的加密、解密(部分)和验证过程,最终能够判断哪些元素存在于双方的交集中。

基于RSA PSI的安全性分析:

基于RSA的PSI方案,其安全性建立在RSA公钥体制的“困难性假设”之上,例如大整数的因子分解问题(Factoring Problem)。

强大的安全模型: RSA加密本身的安全性被认为是成熟的,能够在更强的模型下(如恶意模型)提供更鲁棒的安全保证,而不仅仅是半诚实模型。
抗抵赖性(Nonrepudiation): 在某些基于RSA的PSI设计中,可能还包含一些抗抵赖的特性,使得协议的执行结果能够被验证。
抵御特定攻击: RSA的数学特性使其能够更好地抵御一些针对哈希函数本身的攻击,或者当参与方试图通过分析加密数据来推断信息时。

基于RSA PSI的潜在顾虑:

计算开销巨大: RSA的公钥加密和解密操作是计算密集型的,需要大量的乘法和模幂运算。这使得基于RSA的PSI在面对大规模数据集时,效率远低于RAW PSI。
通信开销也可能较高: 公钥加密后的数据通常比哈希值更大,增加了通信量。
实现复杂度: 涉及公钥密码学和可能的零知识证明等高级密码学技术,实现起来更为复杂,也更容易引入安全漏洞。

比较:真的更安全吗?

回答“是否真的更安全”这个问题,需要明确“更安全”的含义和所处的安全模型。

在半诚实模型下: 如果哈希函数是安全的,并且OT协议被正确实现,那么RAW PSI已经能够提供足够的隐私保护。在这种情况下,RSA PSI的“更安全”体现在其对更强攻击模型的抵御能力,以及对底层密码学原语(如哈希函数的抗碰撞性)的直接依赖性较低。

在恶意模型下(Malicious Model): 这是关键的区分点。如果一个参与方会故意发送错误的信息、尝试伪造证据,或者试图通过分析通信流来推断秘密,那么RAW PSI(仅基于哈希和标准的OT)可能不足以应对。在这种更具挑战性的安全模型下,基于RSA(以及其他公钥加密和零知识证明技术)的PSI方案,由于其数学基础和设计上的考虑,通常能提供更强的安全性保证。它们能够更有效地抵御恶意参与方的欺骗行为。

举个例子: 假设在RAW PSI中,恶意Bob可能试图通过精心构造他的输入,使得他的一个元素哈希后“意外地”与Alice集合中的一个元素哈希值相同,即使这两个原始元素不匹配。在半诚实模型下,这通常不会发生。但在恶意模型下,如果没有额外的保护,这种可能性就需要被考虑。而RSA PSI的设计,可能会包含一些验证步骤,使得这种“意外”的匹配难以被恶意方操纵。

效率与安全的权衡: 这种“更安全”是伴随着巨大的效率损失的。大多数情况下,选择RAW PSI是因为它的速度更快、资源消耗更少,对于许多实际应用场景(尤其是在联邦学习的协作过程中,数据量往往庞大)已经足够安全。

FATE的实践考量

FATE作为一个旨在实现大规模联邦学习的框架,在设计PSI功能时,必然会考虑效率与安全性的平衡。

RAW PSI: 针对需要高效大规模PSI计算的场景,FATE会提供基于哈希和OT的RAW PSI作为主要选项。其安全模型通常是半诚实的,足以应对多数联邦学习中的常见威胁。
RSA PSI(或其他更强的PSI): 如果某个特定应用场景对安全性有极高的要求,需要抵御恶意的参与方,并且愿意接受显著的计算和通信开销,那么FATE也可能提供(或未来支持)基于RSA或其他更强密码学原语的PSI方案。然而,这种方案的部署和应用会受到效率瓶颈的限制。

总结来说,说基于RSA的PSI“真的比RAW(只基于哈希)的版本更安全”,更准确的说法是:

基于RSA的PSI方案,在更强的安全模型(如恶意模型)下,通常能提供比标准RAW PSI更强的安全性保证。这是因为RSA本身的数学困难性假设以及可能结合的更复杂的密码学技术,能够更有效地抵御恶意参与方的攻击和信息泄露。然而,这种更高级的安全是以显著牺牲计算效率和通信效率为代价的。在实际应用中,RAW PSI由于其出色的效率,在满足半诚实模型下的安全要求时,往往是更优的选择。

因此,选择哪种PSI方案,取决于具体应用的安全需求、参与方之间的信任程度以及可接受的性能开销。FATE框架提供的灵活性,正是为了满足不同场景下的差异化需求。

网友意见

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公钥不能解密私钥解密的数据。所以私钥和随机数是各自保护自己的秘密武器。

再把流程捋一下。 主要来自文献[1].

正确性:由RSA秘钥算法生成知(证明过程见RSA解密):
Server:
Client:
如果 ,显然 , 否则不相等。
安全性: 基于大数分解困难假设(n=pq, 知道p,q 很容易计算n,反过来很难),安全位2048bits。
其次,Server拿不到 无法暴力枚举获得结果Hash值,Client秘钥d也无法枚举计算结果Hash值,保护了差集。

参考

  1. ^RSA-PSI https://xianmu.github.io/posts/2018-11-03-private-set-intersection-based-on-rsa-blind-signature.html

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