【FHE 同态加密】我们如何实现同态加密推理(六):Key-Switch 重线性化——一个数量级(2^73 噪声)决定整个设计

简介: 本文深入解析CKKS同态加密中Key-Switch(重线性化)的核心设计逻辑:关键在于噪声数量级——未分解时引入约2⁷³噪声,远超60-bit模数容限;采用base-2²⁰数字分解降至2⁴⁵,方保安全。由此决定relin密钥需3×2个多项式,并延伸至Galois旋转密钥结构。(239字)

【FHE 同态加密】我们如何实现同态加密推理(六):Key-Switch 重线性化——一个数量级(2^73 噪声)决定整个设计

关键词:同态加密 | FHE | CKKS | Key-Switch | 重线性化 | Relinearization | Galois 旋转 | 噪声预算 | 密文乘法 | 大模型推理

导读:Key-Switch(重线性化)是同态加密里"不做就完全跑不起来"的操作,它的设计几乎完全由一个数量级决定:不做数字分解时,它引入的噪声约 2^73,而我们的素数只有 60-bit。本篇讲清这个数量级论证、Galois 旋转,以及"为什么 key-switch 密钥不是一对多项式,而是 3×2 个"。

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0. 一句话结论

Key-Switch 是 CKKS 里"不做就完全跑不起来"的操作。它的设计几乎完全由一个数量级决定:

不做数字分解时,key-switch 引入的噪声约 n·q·B ≈ 2^73。

而我们的素数只有 60-bit。2^73 比它大 13 个数量级——噪声会直接淹没整个模数,结果全废。

数字分解(base 2^20,3 位)把它压到约 2^45,这才落回安全区。

这就是为什么 key-switch 密钥不是一对多项式,而是 3 × 2 个。


1. 为什么必须做重线性化

密文乘法是"张量积":两个 2 分量密文相乘,得到 3 分量。

int ckks_mult(ckks_ct_t *ct, const ckks_ct_t *a, const ckks_ct_t *b); /* tensor, 3 分量 */
int ckks_relin(ckks_ct_t *ct, const ckks_ct_t *in, const ckks_rk_t *rk); /* 3->2 分量 */

如果不做处理,分量数会随深度线性增长。头文件里留了这条上限:

#define CKKS_MAX_COMP    13          /* 无 relin 多分量上限(深 11:comps = 深度+2) */

也就是说:不做 relin 的话,深度 11 就需要 13 个分量。每个分量都是 nprimes × n 个 uint64——密文尺寸和乘法代价一起爆炸。

所以 relin 不是优化,是为了让深链在物理上存在。

顺带说明:这正是 BFV 那代"不做 relin"的取舍为什么只能撑到深度 2(本系列第 4 篇)。同一个问题,两代实现的答案不同。


2. 数字分解:一对密钥变成 3×2 个

relin 密钥的结构定义得很直白:

#define CKKS_RELIN_DIGITS     3
#define CKKS_RELIN_BASE_BITS  20

typedef struct {
   
    uint32_t n;
    int      digits;
    uint64_t *rk0[CKKS_RELIN_DIGITS];   /* [digits][nprimes*n] */
    uint64_t *rk1[CKKS_RELIN_DIGITS];
} ckks_rk_t;

它要满足的关系是(头注释原文):

D(rk0_d + rk1_d·s) = B^d · s²

把密文里那个多出来的 s² 项用 base 2^20 拆成 3 位,每一位配一对密钥 (rk0_d, rk1_d),于是 s² 被"翻译"回可以用 s 表示的形式——这就是 key-switch 的本质。

3 位 × 2 个 = 6 个多项式(每个都是 nprimes × n),这就是 relin 密钥的体积。


3. 数量级论证(本文核心)

头注释把这条论证写得很干净,值得逐字引用(原文):

无分解时 key-switch 噪声 ~ n·q·B ~ 2^73 会爆 60-bit 素数;
digit 分解把噪声降到 ~ Σ_d n·2^20·B ~ 2^45。

拆开看:

量 值 说明
n 2048 环次数
q ~2^60 单个素数的大小
B 8 噪声界(CKKS_NOISE_CBD 8,中心二项分布 eta=8,σ=√(eta/2)=2)
无分解 n·q·B ≈ 2^11 · 2^60 · 2^3 = 2^74 头注释写 2^73,量级一致
有分解 Σ_d n·2^20·B ≈ 3 · 2^11 · 2^20 · 2^3 = 2^37 头注释写 2^45,同为安全区

关键对比:2^60 是我们要对抗的尺度。2^73 输,2^45 赢。

这个论证之所以值得单独写一篇,是因为它展示了密码学工程里最常见的决策方式:不是"能不能做",而是"噪声是几个数量级"。差 13 个数量级就是"完全不可用",差 15 个数量级(2^45 vs 2^60)就是"留有余量"。

注意:这里的参数是机制验证级。真实部署下 n 和 q 都要大得多,噪声尺度与安全尺度会一起变化,但"用数字分解换取噪声数量级"这个结构不变。


4. Galois 密钥:同一个结构,换一个映射

旋转也需要 key-switch,而且结构完全相同:

typedef struct {
   
    uint32_t n;
    int      digits;
    uint64_t *gk0[CKKS_RELIN_DIGITS];   /* [digits][nprimes*n] */
    uint64_t *gk1[CKKS_RELIN_DIGITS];
} ckks_gk_t;

区别只在要"翻译"的目标不同:

密钥 满足的关系 用途
rk(relin) D(rk0_d + rk1_d·s) = B^d · s² 把 s² 换回 s(降分量)
gk(Galois) D(gk0_d + gk1_d·s) = B^d · σ_k(s) 把 s 换成自同构下的像(做旋转)

而"旋转"在槽位视角下就是 Galois 自同构作用在槽位上。两个接口:

int ckks_rotate(ckks_ct_t *ct, ..., int t);        /* 槽位旋转 σ_{5^t}(支持多分量,输出 2 分量) */
int ckks_rotate_k(ckks_ct_t *ct, ..., uint64_t k); /* 一般 Galois σ_k(k 任意奇数) */

为什么 σ_{5^t} 能当"循环移位"用?因为 5 是 Z_{2n}* 的生成元——用 5 的幂依次作用,槽位索引就被"按序推动",这正是 t 步循环移位。而 ckks_rotate_k 允许任意奇数 k,用于需要非连续置换的场合。

σ_k 的生成接口也分成两个,对应两种密钥:

int ckks_gk_gen(ckks_gk_t *gk, const ckks_sk_t *sk, const ckks_ctx_t *ctx, int t);
int ckks_gk_gen_k(ckks_gk_t *gk, const ckks_sk_t *sk, const ckks_ctx_t *ctx, uint64_t k);

这里有一个把本系列第 13 篇的问题提前埋下的细节:gk_gen_k 是按 k 生成密钥的——也就是说,"按自同构指数 k 播种 RNG"这个修复方案之所以自然,是因为代码里本来就有按 k 组织的入口。修复的难度不在改架构,而在改播种点。


5. 安全边界(务请读完)

本文所述参数为机制验证级,远低于 HE 参数标准的 128-bit 水平,不得用于保护真实数据。
本文主张的是:key-switch 的设计约束与噪声量级。
本文不主张:安全强度、性能优越性。

特别提示:本文引用的噪声量级(2^73、2^45)是针对我们这组验证级参数的估算,不能外推到其他参数集。


6. 这一篇的未解问题

  1. 数字分解的位数没有做优化。base 2^20、3 位,意味着"20 × 3 = 60"刚好覆盖一个素数。这个选择是对的,但"3 位是不是最优"(vs 2 位 × 30、或 4 位 × 15)我们没有做搜索——位数越少密钥越小但噪声越大,这是个可以量化的取舍。
  2. Galois 密钥的数量没有收敛。我们为每个需要的 k 生成一份密钥,链一长、层一多,密钥总数会膨胀。目前没有做"用哪些 k 的最小集合"的规划。
  3. rotate 支持多分量输入但输出 2 分量——这个不对称是有意的(省一次 relin),但它让"哪些地方还能接受多分量"变成一条需要人工维护的约束。我们还没把它写进任何自动检查。

下一篇我们进自举:七段流水线,以及一个反直觉的实测结论——自举几乎不提高精度。

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