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SEAL全同態加密開源庫(十三) CKKS-原始碼淺析

2021-12-27 07:57:32 區塊鏈

2021SC@SDUSC
2021-12-26

前言

這是SEAL全同態加密開源庫分析報告的第13篇,我們繼續上一篇的CKKS原始碼分析,

代碼分析

現在x3_encryption與x1_encryption處于不同的級別,這阻止我們將它們相乘來計算x3
我們可以簡單地將x1_encrypted切換到模數轉換鏈中的下一個引數,然而,由于我們仍然需要將x3,乘以PI(plain_coeff3),所以我們先計算PI*x,然后將它與x2相乘,得到PI *x3,最后,我們計算PI *x 并將其從280縮放到接近2^40的值,

    print_line(__LINE__);
    cout << "Compute and rescale PI*x." << endl;
    Ciphertext x1_encrypted_coeff3;
    evaluator.multiply_plain(x1_encrypted, plain_coeff3, x1_encrypted_coeff3);
    cout << "    + Scale of PI*x before rescale: " << log2(x1_encrypted_coeff3.scale())
        << " bits" << endl;
    evaluator.rescale_to_next_inplace(x1_encrypted_coeff3);
    cout << "    + Scale of PI*x after rescale: " << log2(x1_encrypted_coeff3.scale())
        << " bits" << endl;

因為x3_encrypted和x1_encrypted_coeff3具有相同的scale和使用相同的加密引數,所以我們可以將它們相乘,我們將結果寫入x3_encrypted,relinearize和rescale,再次注意scale是接近2^40,但不完全是2的40次方due to yet another scaling by a prime,我們已經到了模切換鏈的最后一個level,

    print_line(__LINE__);
    cout << "Compute, relinearize, and rescale (PI*x)*x^2." << endl;
    evaluator.multiply_inplace(x3_encrypted, x1_encrypted_coeff3);
    evaluator.relinearize_inplace(x3_encrypted, relin_keys);
    cout << "    + Scale of PI*x^3 before rescale: " << log2(x3_encrypted.scale())
        << " bits" << endl;
    evaluator.rescale_to_next_inplace(x3_encrypted);
    cout << "    + Scale of PI*x^3 after rescale: " << log2(x3_encrypted.scale())
        << " bits" << endl;

接下來計算1次項,所有這些都需要一個帶有plain_coeff1的multiply_plain,我們使用結果覆寫x1_encryption,

print_line(__LINE__);
cout << "Compute and rescale 0.4*x." << endl;
evaluator.multiply_plain_inplace(x1_encrypted, plain_coeff1);
cout << "    + Scale of 0.4*x before rescale: " << log2(x1_encrypted.scale())
    << " bits" << endl;
evaluator.rescale_to_next_inplace(x1_encrypted);
cout << "    + Scale of 0.4*x after rescale: " << log2(x1_encrypted.scale())
    << " bits" << endl;

繼續,
現在我們希望計算所有三項的和,但是,有一個嚴重的問題:這三個術語所使用的加密引數是不同的,這是由于模量從rescaling而來的,
加密的加法和減法要求輸入的level相同,并且加密引數(parms_id)匹配,如果不匹配,Evaluate將拋出例外,

    cout << endl;
    print_line(__LINE__);
    cout << "Parameters used by all three terms are different." << endl;
    cout << "    + Modulus chain index for x3_encrypted: "
        << context->get_context_data(x3_encrypted.parms_id())->chain_index() << endl;
    cout << "    + Modulus chain index for x1_encrypted: "
        << context->get_context_data(x1_encrypted.parms_id())->chain_index() << endl;
    cout << "    + Modulus chain index for plain_coeff0: "
        << context->get_context_data(plain_coeff0.parms_id())->chain_index() << endl;
    cout << endl;

讓我們仔細考慮一下在這一點上的scales是多少,我們把系數中的質數表示為P_0, P_1, P_2, P_3,按這個順序,P_3作為特殊的模量,不涉及重調scaling,經過以上規模的計算,密文的scale為:

    - Product x^2 has scale 2^80 and is at level 2;
    - Product PI*x has scale 2^80 and is at level 2;
    - We rescaled both down to scale 2^80/P_2 and level 1;
    - Product PI*x^3 has scale (2^80/P_2)^2;
    - We rescaled it down to scale (2^80/P_2)^2/P_1 and level 0;
    - Product 0.4*x has scale 2^80;
    - We rescaled it down to scale 2^80/P_2 and level 1;
    - The contant term 1 has scale 2^40 and is at level 2.

雖然這三項的比例大約是2^40,但它們的確切值是不同的,因此不能相加,

    print_line(__LINE__);
    cout << "The exact scales of all three terms are different:" << endl;
    ios old_fmt(nullptr);
    old_fmt.copyfmt(cout);
    cout << fixed << setprecision(10);
    cout << "    + Exact scale in PI*x^3: " << x3_encrypted.scale() << endl;
    cout << "    + Exact scale in  0.4*x: " << x1_encrypted.scale() << endl;
    cout << "    + Exact scale in      1: " << plain_coeff0.scale() << endl;
    cout << endl;
    cout.copyfmt(old_fmt);

    print_line(__LINE__);
    cout << "Normalize scales to 2^40." << endl;
    x3_encrypted.scale() = pow(2.0, 40);
    x1_encrypted.scale() = pow(2.0, 40);

我們還有一個加密引數不匹配的問題,這是很容易修復,使用傳統的模切換(沒有重新縮放),CKKS支持模切換,就像BFV方案一樣,允許我們在根本不需要時切換部分系數模量,

    print_line(__LINE__);
    cout << "Normalize encryption parameters to the lowest level." << endl;
    parms_id_type last_parms_id = x3_encrypted.parms_id();
    evaluator.mod_switch_to_inplace(x1_encrypted, last_parms_id);
    evaluator.mod_switch_to_inplace(plain_coeff0, last_parms_id);

    /*三個密文兼容,可加了
    All three ciphertexts are now compatible and can be added.
    */
    print_line(__LINE__);
    cout << "Compute PI*x^3 + 0.4*x + 1." << endl;
    Ciphertext encrypted_result;
    evaluator.add(x3_encrypted, x1_encrypted, encrypted_result);
    //計算結果存入 encrypted_result
    evaluator.add_plain_inplace(encrypted_result, plain_coeff0);

    /*
    First print the true result.
    */
    Plaintext plain_result; //明文結果
    print_line(__LINE__);
    cout << "Decrypt and decode PI*x^3 + 0.4x + 1." << endl;
    cout << "    + Expected result 希望列印出:" << endl;
    vector<double> true_result;
    for (size_t i = 0; i < input.size(); i++)
    {
        double x = input[i];
        true_result.push_back((3.14159265 * x * x + 0.4)* x + 1);
    }
    print_vector(true_result, 3, 7);
    
    /*  真正解密、解碼、列印 看看如何
    Decrypt, decode, and print the result.
    */
    decryptor.decrypt(encrypted_result, plain_result); //解密
    vector<double> result;
    encoder.decode(plain_result, result);   //解碼
    cout << "    + Computed result ...... Correct." << endl;
    print_vector(result, 3, 7);

雖然我們沒有在這些例子中顯示任何復數的計算,但是CKKSEncoder可以讓我們很容易地做到這一點,復數的加法和乘法就像人們所期望的那樣,

運行結果

Microsoft SEAL version: 3.7.1
+---------------------------------------------------------+
| The following examples should be executed while reading |
| comments in associated files in native/examples/.       |
+---------------------------------------------------------+
| Examples                   | Source Files               |
+----------------------------+----------------------------+
| 1. BFV Basics              | 1_bfv_basics.cpp           |
| 2. Encoders                | 2_encoders.cpp             |
| 3. Levels                  | 3_levels.cpp               |
| 4. CKKS Basics             | 4_ckks_basics.cpp          |
| 5. Rotation                | 5_rotation.cpp             |
| 6. Serialization           | 6_serialization.cpp        |
| 7. Performance Test        | 7_performance.cpp          |
+----------------------------+----------------------------+
[      0 MB] Total allocation from the memory pool

> Run example (1 ~ 7) or exit (0): 4

+--------------------------------------+
|         Example: CKKS Basics         |
+--------------------------------------+
/
| Encryption parameters :
|   scheme: CKKS
|   poly_modulus_degree: 8192
|   coeff_modulus size: 200 (60 + 40 + 40 + 60) bits
\

Number of slots: 4096
Input vector:

    [ 0.0000000, 0.0002442, 0.0004884, ..., 0.9995116, 0.9997558, 1.0000000 ]

Evaluating polynomial PI*x^3 + 0.4x + 1 ...
Line 129 --> Encode input vectors.
Line 140 --> Compute x^2 and relinearize:
    + Scale of x^2 before rescale: 80 bits
Line 152 --> Rescale x^2.
    + Scale of x^2 after rescale: 40 bits
Line 165 --> Compute and rescale PI*x.
    + Scale of PI*x before rescale: 80 bits
    + Scale of PI*x after rescale: 40 bits
Line 180 --> Compute, relinearize, and rescale (PI*x)*x^2.
    + Scale of PI*x^3 before rescale: 80 bits
    + Scale of PI*x^3 after rescale: 40 bits
Line 192 --> Compute and rescale 0.4*x.
    + Scale of 0.4*x before rescale: 80 bits
    + Scale of 0.4*x after rescale: 40 bits

Line 209 --> Parameters used by all three terms are different.
    + Modulus chain index for x3_encrypted: 0
    + Modulus chain index for x1_encrypted: 1
    + Modulus chain index for plain_coeff0: 2

Line 237 --> The exact scales of all three terms are different:
    + Exact scale in PI*x^3: 1099512659965.7514648438
    + Exact scale in  0.4*x: 1099511775231.0197753906
    + Exact scale in      1: 1099511627776.0000000000

Line 262 --> Normalize scales to 2^40.
Line 273 --> Normalize encryption parameters to the lowest level.
Line 282 --> Compute PI*x^3 + 0.4*x + 1.
Line 292 --> Decrypt and decode PI*x^3 + 0.4x + 1.
    + Expected result:

    [ 1.0000000, 1.0000977, 1.0001954, ..., 4.5367965, 4.5391940, 4.5415926 ]

    + Computed result ...... Correct.

    [ 1.0000000, 1.0000977, 1.0001954, ..., 4.5367995, 4.5391970, 4.5415957 ]

+---------------------------------------------------------+
| The following examples should be executed while reading |
| comments in associated files in native/examples/.       |
+---------------------------------------------------------+
| Examples                   | Source Files               |
+----------------------------+----------------------------+
| 1. BFV Basics              | 1_bfv_basics.cpp           |
| 2. Encoders                | 2_encoders.cpp             |
| 3. Levels                  | 3_levels.cpp               |
| 4. CKKS Basics             | 4_ckks_basics.cpp          |
| 5. Rotation                | 5_rotation.cpp             |
| 6. Serialization           | 6_serialization.cpp        |
| 7. Performance Test        | 7_performance.cpp          |
+----------------------------+----------------------------+
[     51 MB] Total allocation from the memory pool

結語

有關CKKS的原始碼分析到此為止,后面的篇幅我會分析完5_rotation和6_serialization的代碼,分析完后有時間我會專門開一兩篇文章來做一些理論知識詳解,完成這些作業后我們的SEAL庫原始碼分析也接近尾聲了,

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/qukuanlian/394008.html

標籤:區塊鏈

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