本文介绍如何以及何时使用同态加密，以及如何使用开源的 Microsoft 简单加密算术库 (SEAL) 实现同态加密。
体系结构
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工作流
传统的加密方案包括三项功能：密钥生成、加密和解密。 对称密钥加密方案使用同一个机密密钥进行加密和解密。 它可以对大量数据启用有效加密，以实现安全的外包云存储。 公钥加密方案使用公钥进行加密，使用一个独立的机密密钥进行解密。 知道公钥的任何人都可以加密数据，但只有知道该机密密钥的人才能解密和读取数据。 公钥加密可以实现安全的在线通信，但通常不如对称密钥加密那么有效。
可以使用传统加密来实现安全存储和通信，但外包计算要求去除加密层。 提供外包计算的云服务必须实现访问策略，以防止未经授权访问数据和密钥。 数据隐私性依赖于云提供商实施的并受客户信任的访问控制策略。
有了 Microsoft SEAL 同态加密，云提供商永远无法以非加密方式访问他们存储和计算的数据。 可以直接对加密的数据执行计算。 这种加密计算的结果仍保持加密状态，只能由数据所有者使用机密密钥来解密。 大多数同态加密都使用公钥加密方案，不过，并一定始终需要公钥功能。
方案详细信息
公司经常以加密形式发送、接收和存储其云数据。 但是，若要利用云计算，公司必须提供未加密的数据，或提供用于解密数据的密钥。 这种做法使得公司数据面临更大的风险。 同态加密允许直接对加密的数据运行计算，从而更方便地将云的潜能应用于隐私性至关重要的数据。
可能的用例
- 轻型计算，例如对隐私性至关重要的数据和程序部件进行加法和乘法运算。
- 外包的云计算，其中的单个所有者拥有所有数据，只有该所有者有权访问解密密钥。
注意事项
只能对加密的数据执行某些计算。 Microsoft SEAL 同态加密库允许对加密的整数或实数进行加法和乘法运算。 使用此技术对加密的数据运行加密比较、排序或正则表达式通常是不可行的。 因此，使用 Microsoft SEAL 只能对程序部件实现特定的隐私性至关重要的云计算。
Microsoft SEAL 随附两种使用不同属性的同态加密方案。 BFV 方案允许对加密的整数执行模运算。 CKKS 方案允许对加密的实数或复数执行加法和乘法运算，但只能得出近似结果。 在累加加密的实数、基于加密的数据评估机器学习模型或计算已加密位置的距离时，CKKS 是最佳选择。 对于需要精确值的应用程序，只能选择 BFV 方案。
同态加密效率不高。 由于同态加密会带来很大的性能开销，因此，如果针对未加密的数据执行计算的开销原本就很高，那么，针对已加密的数据执行这种计算有可能不可行。
使用同态加密进行加密的数据比未加密的数据要大很多倍，因此举例来说，使用这种技术加密整个大型数据库可能没有意义。 相反，实施严格的隐私要求来禁止未加密的云计算，但计算本身相当轻量的方案是有意义的用例。
通常，同态加密方案使用单个机密密钥，该密钥由数据所有者持有。 对于多个不同的专设数据所有者希望参与协作性计算的方案，同态加密是不合理的选择。
将未加密计算转换为对已加密数据的计算不一定总很轻松或直接。 即使新用户可以使用 Microsoft SEAL 来编写计算程序和运行计算，高效和低效实现之间也可能存在很大差异。 很难知道如何提高性能。
虽然同态加密基元本身是安全的，但它不能保证使用它的应用和协议是安全的。
作者
本文由 Microsoft 维护， 它最初是由以下贡献者撰写的。
首席作者：
- Jose Contreras | 首席软件工程经理
后续步骤
若要详细了解同态加密和 Microsoft SEAL 库，请参阅 Microsoft Research 提供的 Microsoft SEAL，以及 GitHub 上的 SEAL 代码项目。
参阅有关 Azure 中的安全性的以下资源：