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

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https://github.com/virtualsecureplatform/kvsp

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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 2020/02/08 カーネル/VM探検隊@関西 10回目 松岡　航太郎 松本　直樹 伴野　良太郎
2. アジェンダ 1. VSPの紹介 2. TFHEのための多項式乗算入門（松岡) 3. VSP専用プロセッサ設計と 実行エンジンについて(松本) 4. 魚類でもわかるLLVM&ISA設計(伴野)
3. 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
4. 悪意ある第三者によって盗聴される恐れ 　（HWのバス信号を読むなど） 通常手法の問題点
5. 本プロジェクトの提案手法 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
6. 本プロジェクトの特徴 • プログラム・データすべてを暗号化 した状態で実行可能 • 数学的安全性の保障 • C言語による記述が可能
8. 平文 暗号化済み
9. 暗号化されたプログラムを どうやって実行するか？
10. コンピュータの頭脳:CPU
11. プログラムの実行までの流れ 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....
12. CPU内部の物理論理回路(一部) 1 1 1 1 0 0 1
13. ANDゲートについて a＼b 0 1 0 0 0 1 0 1
14. CPU内部の物理論理回路(一部) 1 1 1 1 0 0 1
15. ソフトウェアエミュレーションによって回路を模倣 1 1 1 1 1 0 0
16. 　　　　　入力に 論理ゲートの処理を行う ↓ 　　　　　　プログラムに対する CPUの動作を模倣できる
17. 暗号化された入力に 論理ゲートの処理を行う ↓ 暗号化されたプログラムに対する CPUの動作を模倣できる
18. 準同型暗号
19. ソフトウェアエミュレーションによって回路を模倣 1 1 1 1 1 0 0
20. 準同型暗号で入力が暗号化された状態で 論理回路を模倣 ① ① ① ① ①
21. 暗号化された入力に 論理ゲートの処理を行う ↓ 暗号化されたプログラムに対する CPUの動作を模倣できる
23. VSP; Virtual Secure Platform VSP = 盗聴を無意味にする仕組み
24. VSP; Virtual Secure Platform VSP = 盗聴を無意味にする仕組み
25. VSP; Virtual Secure Platform VSP = 盗聴を無意味にする仕組み 世界初
27. 世界初
28. KVSP (Kyoto Virtual Secure Platform) • VSPを使うためのインタフェース。 • 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。 https://github.com/virtualsecureplatform/kvsp
29. KVSPデモ
31. CAHPv3 Diamond Iyokan LLVM TFHE
32. CAHPv3 Diamond Iyokan LLVM TFHE
33. 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(TFHE++) • GPUは微修正版(cuFHE)
34. CAHPv3 Diamond Iyokan LLVM TFHE
35. 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
36. CPU実装 VSP (Diamond) ARM Cortex M0+ • 独自開発のCPU • CAHPv3準拠 • 約 3,500 ゲート • IoT向けCPU • ARMv6-M準拠 • 約 12,000 ゲート
37. CAHPv3 Diamond Iyokan LLVM TFHE
38. 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
39. CAHPv3 Diamond Iyokan LLVM TFHE
40. 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
41. VSPの現状性能 約6秒/クロック on V100 約2.5~5秒/クロック on c5.metal • 準同型暗号の演算自体が遅い • ROM・RAMが約 20,000 ゲート • ROM・RAM 512Byteずつ
42. Fully Open Source! • 成果物は全てGitHubで公開中 • ライセンスはApache v2.0など https://github.com/virtualsecureplatform
43. 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。