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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
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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
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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
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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
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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
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未踏ロゴ反転デモ
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平文 暗号化済み ROMダンプ
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平 文 暗 号 化 済 み
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暗号化されたプログラムを どのように実行するか？
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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/
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CPU内部の論理回路(一部) プ ロ グ ラ ム 結 果
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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 ？ ？ ？ ？
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暗号化されたままで等価な処理を行う技術 準同型暗号
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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
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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 ？ ？ ？ ？
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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
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物理的論理ゲート 準同型暗号 課題：準同型暗号の遅さ
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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
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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
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VSP; Virtual Secure Platform
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KVSPデモ
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KVSPデモ
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KVSPデモ
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KVSPデモ
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KVSPデモ
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KVSPデモ
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KVSPデモ
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KVSPデモ
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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/
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KVSPデモ
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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
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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
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KVSPデモ
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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CAHPv3 Diamond Iyokan LLVM TFHE
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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)
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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
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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
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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
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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
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