解決「百萬富翁問題」—隱私比較高效算法解讀-ODAILY_UNI:ICE

隱私比較是指在不暴露雙方具體數值的前提下，獲取雙方數值的大小關系。最早起源于姚期智的百萬富翁問題：有兩個百萬富翁想要比較下誰更富有，但是又不想透露自己有多少錢，如何在沒有可信第三方的情況下進行比較？這個問題是由中國第一個也是目前為止唯一一個圖靈獎獲得者姚期智在1980年代提出的，他是中國計算機學術和教育的第一人，為現代密碼學打開了一道新的大門。

在之前的文章《優雅的求職——隱私比較算法實例》中已經通過求職案例介紹了隱私比較的應用場景以及如何實現，本文則主要介紹一種在當前效率比較高的隱私比較協議。

該協議是CrypTFlow2:Practical2-PartySecureInference中提出的一個子協議，并基于此協議實現DRelu激活函數應用于神經網絡中。

--相關技術--

該協議主要使用了布爾秘密分享和不經意傳輸兩種技術進行構建：

▲不經意傳輸

不經意傳輸(OT，ObliviousTransfer)是指數據發送方有n個數據，數據接收方接收其中的一個數據，且數據接收方不能獲取其他的數據，數據發送方也不知道接收方選擇接收的數據具體是哪一個。在之前的文章《基于安全多方計算(MPC)的隱私計算技術(一)》中已介紹過一種實現方案，故本文不再贅述。

以太坊2.0質押流動性解決方案Lido將向Curve stETH流動性提供者分配0.5% LDO:1月13日，以太坊2.0質押流動性解決方案Lido發推表示，已經通過一項提案，將在未來30天內向Curve Finance 的stETH流動性提供者分配0.5%（500萬）的LDO。[2021/1/13 16:05:59]

▲布爾秘密分享

在安全多方計算中會使用秘密分享將數據進行拆分后分享出去，每一方拿到每個數據的相應碎片，對于原始數據的計算邏輯都會轉為對碎片的計算，在整個計算邏輯完成后，再將碎片的計算結果進行匯聚還原以獲取原始數據的計算結果。

布爾秘密分享是指將一個布爾值b拆分成兩個碎片b0、b1，將兩個碎片匯聚到一起即可還原出原始數據b。

碎片生成：隨機生成一個布爾值b0，并和b執行異或計算出b1=b0⊕b

碎片還原：對兩個碎片執行異或操作

b=b0⊕b1

異或運算：布爾秘密分享在異或操作上是滿足同態性質的，在本地通過對碎片進行異或操作再還原就等價于對原始數據的異或操作

a=a0⊕a1，b=b0⊕b1

作家Isaiah Jackson：加密貨幣是解決經濟不公的關鍵方法:《比特幣和美國黑人》作者Isaiah Jackson在接受CNBC的采訪時表示，加密貨幣是解決經濟不公的關鍵方法，他敦促黑人投資者將加密貨幣作為長期儲蓄的一種方式。Jackson稱：“有史以來第一次，我們對當前的金融體系有了B計劃的選擇，當前金融體系中已經看到多年的零售銀行對黑人社區的種族歧視和其他惡劣行為，在我看來，黑人社區有改變觀念和貨幣的機會。”[2021/1/13 16:01:34]

a⊕b=(a0⊕b0)⊕(a1⊕b1)

與運算：布爾秘密分享對于與操作不滿足同態性質，使用不經意傳輸技術以實現安全的與操作：

Alice持有碎片a0和b0，Bob持有碎片a1和b1，通過與運算使得Alice獲取c0，Bob獲取c1，c0⊕c1=(a0⊕a1)∧(b0⊕b1)，并保證雙方碎片的安全；

*Alice作為不經意傳輸的發送方，隨機生成一個布爾值r作為c0，并按下圖生成不經意傳輸的輸入：

*Bob作為不經意傳輸的接收方將自己的碎片a1，b1拼接成a1||b1作為不經意傳輸的選擇項獲取數據r⊕((a0⊕a1)∧(b0⊕b1))作為c1；

聲音 | UNI創始人Sunny：UNI搭建了UNI主鏈和Phoenix跨鏈系統解決跨鏈資產交易難題:12月18日，499Block Korea Award Night在韓國首爾江南區的Merry Garden舉辦，UNI創始人Sunny在發布會上表示，UNI搭建了UNI 主鏈和 Phoenix 跨鏈系統為平行鏈提供更多的個性化，實現跨鏈原子交換等“跨鏈閃兌”，解決跨鏈資產交易難題。其次 Uni 生態系統完善跨鏈接口服務系統 Phoenix 具有多種功能模塊，方便第三方通過SDK 和API的形式實現了跨鏈共識，調用主鏈服務，降低多鏈DAPP的開發難度。而UNI首次將SGX硬件同態加密技術引入到跨鏈中，提供跨鏈切換場景的流暢體驗，解決多鏈管理不便的痛點及提升資產跨鏈流動性。[2019/12/20]

可驗證c0⊕c1=r⊕r⊕((a0⊕a1)∧(b0⊕b1))=(a0⊕a1)∧(b0⊕b1)；

本質是將與運算的所有可能性羅列出來，加入隨機項后由另一方根據自己的數據選擇混淆后的計算結果。

--實現思路--

▲明文比較

首先不考慮比較運算的隱私性，平常情況下兩個數是如何比較大小的：

動態 | 銀之杰：具備提供區塊鏈應用解決方案能力:據新浪財經消息，銀之杰（300085.SZ）近日在接受投資者提問時表示，公司在區塊鏈領域持續進行相關技術的研究和儲備，具備為行業客戶提供基于區塊鏈的應用解決方案的能力，并密切關注數字貨幣相關技術的發展，以及將來基于數字貨幣衍生出來的數字金融的創新應用和市場機遇。[2019/10/18]

*將兩個數對齊為相同長度的數字數組，長度不夠的則在前面補0

a=123，b=5879，a=>，b=>

*對兩個數組里面的數字進行順序比較，如果對應位的數字相等，則繼續比較下一位，直到有一位不相等，最早不相等那位的比較結果即為兩個數據的比較結果，若所有位的數字都相等，則兩個數據相等。整個過程可歸納為以下公式：

X，Y都是長度為n的數據，1{X<Y}，1{X=Y}是求值表達式，滿足大括號內條件時為1否則為0

X=x0||x1||x2||...||x(n-1)，Y=y0||y1||y2||...||y(n-1)，xi，yi表示拆分后的第i位數據

Xi=xi||...||x(n-1)，Yi=yi||...||y(n-1)，用于表示去除前i-1位后的數據

聲音 | 林子昊：區塊鏈這2-3年要解決的是性能與效率問題:金色財經10月27日訊，今日，蜂鏈實驗室Hive Chain Labs CEO林子昊在“499小姐姐加油站第十四期”接受訪談時表示，區塊鏈行業現在所處的發展階段類似于互聯網早期我們在開發TCP/IP等等協議的階段。區塊鏈這2-3年要解決的是性能問題、效率問題以及發現他的適用場景，這里不說應用場景是因為我認為區塊鏈不是萬能的，不是所有的行業和場景都可以變成blockchain+, 他有自己適用的范圍。[2018/10/28]

1{X<Y}=1{x0<x0}⊕(1{x0=y0}∧1{X1<Y1})

1{X1<Y1}=1{x1<x1}⊕(1{x1=y1}∧1{X2<Y2})

...

1{X(n-1)<Y(n-1。=1{x(n-1)<y(n-1。

▲不安全的隱私比較

如果要將上述比較方案轉為隱私比較，最容易想到的方案是將兩個最小比較單位的數的比較隱私化，在之前的文章《優雅的求職——隱私比較算法實例》中已經介紹過：對于兩個最小比較單位的比較可通過不經意傳輸協議來完成。這樣確實是保證了單個最小比較單位的安全性，但是對于某些情況，會暴露出數據的一些情況：

a=1230b=1231，對于這兩個數字的比較，如果b作為ot的接受方也就是最小比較單元數據比較結果的獲取方，按照上述方案進行比較，會有兩點額外信息被泄露：

1）在前幾位相同的情況下：b會知道a的前三位是123；

2）兩個最小單元的數據是最小單元范圍的兩端數據：b會知道a的最后一位是0；

而根據以上兩個信息b甚至可以直接反推出a的數據，在這種情況隱私比較也就不隱私了。

▲消除不安全

本論文中的隱私比較協議，整個比較思路和上面不安全的隱私比較是一致的，但是該協議引入了秘密分享技術，在通過不經意傳輸協議獲取比較結果時發送方對每個數據都混淆上一個隨機項，這樣雙方都不會獲取到最小比較單元數據的比較結果，而是比較結果的碎片，并使用碎片按照明文比較的流程遞歸的進行比較，所有最小比較單元都比較完成后，再將比較結果的碎片進行還原以獲取整個數據的比較結果。

由于最小單元的比較結果都是碎片，到比較結束才會還原遞歸計算的結果，就避免了獲取最小比較單元比較結果導致的信息泄露。

--協議流程--

Alice擁有數據x，Bob擁有數據y，數據的二進制長度為l，最小比較單元的二進制長度為m，劃分的最小比較單元個數為q=l/m，最小比較單元的十進制最大值為M=2^m-1

1）雙方分別劃分數據：x=x0||...||x(q-1)，y=y0||...||y(q-1)

2）對于所有的最小比較單元xi(0<=i<q)，通過不經意傳輸獲取每個最小比較單元比較結果的碎片

*Alice作為不經意傳輸的發送方準備數據：隨機生成布爾值<lt_i>_0，<eq_i>_0，分別作為xi是否小于和等于yi的布爾分享碎片，對于0<=j<=M，分別設置兩個不經意傳輸實例的輸入為：

sij=<lt_i>_0⊕1{xi<j}

tij=<eq_i>_0⊕1{xi=j}

*Bob將yi作為輸入分別執行兩個不經意傳輸實例，獲取兩個比較結果的碎片：

<lt-i>1和<eq-i>1

例如當m取2時，Alice的第一個最小比較單元x0=2，Bob的第一個最小比較單元y0=1，Alice隨機生成<lt_0>_0，<eq_0>_0，并按下表生成兩個不經意傳輸的輸入：

Bob使用y0作為兩個不經意傳輸的選擇項，獲取：

<lt_0>_1=0⊕<lt_0>_0，<eq_0>_1=0⊕<eq_0>_0

3）所有最小比較單元比較完成后，雙方都獲取了對應的最小比較單元間是否小于和是否等于的布爾分享碎片，即可按照明文比較流程，使用碎片遞推計算出最終比較結果的碎片。

對于碎片的異或操作，只需要進行本地對碎片進行異或就行。對于碎片的與操作，則需要按照上面介紹的方案通過不經意傳輸計算出結果的碎片。

在遞推過程中主要有兩個地方需要執行與操作：

當前面所有比較單元相等，需要比較下一個時：

1{x0||x1=y0||y1}∧1{x2<y2}

計算前面所有比較單元是否都相等時：

1{x0||x1=y0||y1}=1{x0=y0}∧1{x1=y1}

--總結--

該協議整體思路和明文的比較流程一致，并使用不經意傳輸和秘密分享技術保證數據的隱私性，也是當前效率比較高的協議。

對于單個元素的比較，與運算的OT實例，無法通過OT擴展進行優化，因為需要進行遞歸的計算，前后有依賴關系。對于批量元素的比較則可在縱向對于相同位置與運算的OT實例通過OT擴展來優化效率。

作者簡介

劉敬

趣鏈科技數據網格實驗室BitXMesh團隊

參考文獻

原論文：RatheeD,RatheeM,KumarN,etal.CrypTFlow2:Practical2-partysecureinference//Proceedingsofthe2020ACMSIGSACConferenceonComputerandCommunicationsSecurity.2020:325-342.

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