準同型暗号による バーチャルセキュアプラットフォーム の開発/Development of Virtual Secure Platform

Run your encrypted C code AS IS!
https://github.com/virtualsecureplatform/kvsp

Transcript

1. 準同型暗号による バーチャルセキュアプラットフォーム の開発 松岡　航太郎 伴野　良太郎 松本　直樹 京都大学工学部 B3
2. 通常のクラウドコンピューティング プログラムは平文で実行される
3. 悪意ある第三者によって盗聴される恐れ （ハードウェアのバス信号を読むなど） 通常手法の問題点
4. 提案手法：Virtual Secure Platform(VSP) プログラムを含めすべて暗号化した状態で実行 　盗聴自体を無効化する
5. VSPの特徴 • プログラム・データすべてを暗号化 した状態で実行可能 • 数学的安全性の保証 • C言語による記述が可能 本プロジェクトが世界で初めて実現
7. 未踏ロゴ反転デモ
8. 平文 暗号化済み ROMダンプ
9. 平 文 暗 号 化 済 み
10. 暗号化されたプログラムを どのように実行するか？
11. 通常のプログラム実行 実行バイナリ CPU 結果 コンパイラ によって生成 実行バイナリ を読み込み実行 結果を出力 101011100.... 0100110100.... 画像出典:https://www.rockpapershotgun.com/2019/08/12/best-gaming-cpu-2019-2/
12. CPU内部の論理回路(一部) プ ロ グ ラ ム 結 果
13. 暗号化されたプログラムを実行するには？ 暗 号 化 さ れ た 結 果 暗 号 化 さ れ た プ ロ グ ラ ム ？ ？ ？ ？
14. 暗号化されたままで等価な処理を行う技術 準同型暗号
15. 準同型暗号 暗号化された0と1に対して平文時と等価な処理を行う
16. 暗号化されたプログラムを実行するには？ 暗 号 化 さ れ た 結 果 暗 号 化 さ れ た プ ロ グ ラ ム ？ ？ ？ ？
17. 暗号化されたプログラムを実行するには？ 暗 号 化 さ れ た 結 果 暗 号 化 さ れ た プ ロ グ ラ ム
19. 物理的論理ゲート 準同型暗号 課題：準同型暗号の遅さ
20. 課題に対する解決策 準同型暗号・CPU設計・コンパイラを 全ての面から最適化 本プロジェクトが世界で初めて実現
21. KVSP (Kyoto Virtual Secure Platform) • VSPのリファレンス実装 • KVSPをビルドすれば必要な全ての サブプロジェクトがビルドされる kvsp github
22. VSP; Virtual Secure Platform
23. KVSPデモ
24. KVSPデモ
25. KVSPデモ
26. KVSPデモ
27. KVSPデモ
28. KVSPデモ
29. KVSPデモ
30. KVSPデモ
31. TFHE; Torus Fully Homomorphic Encryption • 使用している準同型暗号 • 既存実装を高速化 https://tfhe.github.io/tfhe/
32. KVSPデモ
33. CAHPv3 / cahp-diamond • VSPに使用している 独自命令セット／独自CPU設計 • ゲート数を削減し高速化
34. VSPの現状性能 • 約5.5秒／クロック on V100 • 約1.5秒／クロック on V100 x 8 • ROM・RAM：512バイトずつ コンピュータ黎明期の性能に相当
35. KVSPデモ
36. Fully Open Source! • 成果物は全てGitHubで公開中 • ライセンスはApache-2.0など https://github.com/virtualsecureplatform kvsp github
37. 今後の展望 • 論文発表 • ハードウェアアクセラレータ • Multi Keyへの拡張
38. VSPの未来 • VSPは黎明期のコンピュータ • プログラム秘匿は無二の価値 • 演算器集積による性能向上 • 数十年後の普及
39. 謝辞 GPU 版の開発にあたって さくらインターネット株式会社様より 高火力コンピューティング をお貸しいただきました。
40. ご清聴ありがとうございました VSPは • プログラム・データすべてを 暗号化した状態で実行可能 • 数学的安全性の保障 • C言語による記述が可能
41. 計算量的安全性 • 古典的コンピュータ 154bit • 量子コンピュータ 95bit
43. CAHPv3 Diamond Iyokan LLVM TFHE
44. TFHE; Torus Fully Homomorphic Encryption • 使用している準同型暗号 • CPU向けはフルスクラッチ(TFHEpp) • GPUは修正版(cuFHE)
45. CAHPv3 • CPUの上で動く独自命令セット • 16bitアーキテクチャ • 16/24bit可変長命令 • 実行バイナリサイズが小さい
46. CPU実装 VSP (Diamond) ARM Cortex M0+ • 独自開発のCPU • CAHPv3準拠 • 約 4,000 ゲート • IoT向けCPU • ARMv6-M準拠 • 約 12,000 ゲート
47. Cコンパイラ実装 • LLVMをベースにCAHPv3に対応 • LLVMの最適化フェーズを利用 ◦ 実行バイナリの効率化 ◦ 実行バイナリサイズの低減
48. Iyokan • 準同型暗号ゲートの並列実行基盤 • 回路情報を読み込み実行する • CPU(TFHEpp)/GPU(cuFHE)に対応 • 回路情報変換部(L1)・並列実行部 ※回路の合成はyosysを利用