DGHVlib

This repository is about the implementation of homomorphic encryption scheme (DGHV).

可以自己编译，进入src文件夹里打开terminal make 就能够编译成静态链接库DGHVlib.a 该同态加密库是在ubuntu环境下完成的。如果使用尽量在linux环境下使用，因为代码中 unsigned long int 类型在windows 占4个字节， linux下占8个字节，而gmp该精度运算库的每个limb占8个字节。在windows 下编译可能会出现结果错误。

#define TOY 0 // 是个参数级别 参见secstg.h 也可以自己设置 自己设置后需要用 //bool para_valid(__sec_setting* para)验证一下,参数是否合理 #define SMALL 1 #define MEDIUM 2 #define LARGE 3

#define PROB_EXP 50 #define BASE 2 #define PRIHL 7 #define PUBHL 8

#define W (GMP_NUMB_BITS/2) #define _LSBMASK 1ul #define _MSBMASK (1ul << (2 * W - 1)) #define _BOT_N_MASK(n) ((_LSBMASK << n) - 1) #define _TOP_N_MASK(n) (_BOT_N_MASK(n) << (2 * W - n))

#define R_N_SHIFT(x, n) (x >> n) #define L_N_SHIFT(x, n) (x << n) #define MP_EXP(x) (x->_mp_exp) //获得GMP库中的大浮点数mpf_t 中的_mp_exp 见gmp.h 197行注释 #define MP_SIZE(x) (x->_mp_size) //mpf_t 中limbs的数目， 每个limb 是无符号长整形的指针 存放大数中的64位二进制数 #define MP_PREC(x) (x->_mp_prec) //mpf_t 中的精度 表示 有_mp_prec个limb 表示小数部分。 #define MP_ALLOC(x) (x->_mp_alloc)//mpz_t 大整数中的 limbs 个数 #define LIMB(x, i) (((i)<((x)->_mp_size))?((x)->_mp_d[i]):(0L)) //获得mpf_t 或者mpz_t 的第i个limb #define LSB(x) (x & _LSBMASK) //取最低有效位 #define MSB(x) (x & _MSBMASK) //取最高有效位 #define MSBN(x, n) (x & (_TOP_N_MASK(n))) //最高N位有效位， 需要再次右移 2W-N 位才能正确取到 #define LSBN(x, n) (x & (_BOT_N_MASK(n))) //最低N位有效位 #define MIN_ETA(x) (21 * x + 50) // 当参数 中n=5 时的最小秘钥长度。

// 参数类型 typedef struct securitySetting{ size_t lam; //安全参数 size_t Rho; //公钥中噪音 size_t rho; //加密噪音 size_t eta; //秘钥长度 size_t gam; //公钥长度 size_t Theta; // 稀疏子集的位数 size_t theta; // 稀疏子集的汉明权重 size_t tau; //公钥个数 size_t prec; // yi小数点后的精度 size_t n; //bootstrapping中取小数点后n位， 即c*yi 取小数点后n位参与密文刷新。

}__sec_setting;

//私钥类型 typedef struct privatekey{ mpz_t sk; // 私钥 mpz_t* sk_rsub; // 稀疏子集 size_t rsub_size; // 稀疏子集大小 size_t rsub_hw; //稀疏子集汉明权重 size_t sk_bit_cnt;//私钥比特长度 char gen_time[20];// 死要产生时间 }__prikey;

typedef struct publickeyset{ mpz_t x0; //最长公钥 模x0，控制密文长度 mpz_t *pks; // 公钥集合 mpz_t *cs; // 加密后的稀疏子集 mpf_t *y; // 1/p = y1+y2+... size_t pks_size; // 工要个数 size_t y_size; //yi 个数 size_t pk_bit_cnt; // 公钥比特长度 char gen_time[20]; // 产生时间 }__pubkey_set;

//密文类型 typedef struct ciphertext{ mpz_t c; // 密文 mpf_t z; //扩展后的密文 zi= cyi size_t z_size; // zi的个数 }__cit; //ciphertext

//汉明权重计算表

typedef struct hamming_weight_table{ mpz_t **table; size_t x; size_t y; }__hw_table;

//秘闻刷新计算表 typedef struct evaluation_table{ mpz_t **table; size_t x; size_t y; }__ev_table;

typedef gmp_randstate_t randstate; // 随机状态 typedef __prikey* c_prikey; // 秘钥指针类型 typedef __pubkey_set* c_pubkeys; // 公钥指针类型 typedef __sec_setting* c_parameters; // 参数指针类型 typedef __cit* c_cit; //密文指针类型

/**************** Security Parameters Setting. ****************/ //secstg.c

//初始化参数 void init_sec_para(__sec_setting** para); //初始化默认参数 TOY, SMALL, MEDIUM, LARGE四个级别 可以自己设置 具体参数在secstg.c文件中 void set_default_para(__sec_setting* para, int level); //验证参数设置是否合理 bool para_valid(__sec_setting* para);

/**************** Initialized Key. ****************/ //key.c

//初始化私钥， 需要用到参数初始化，因此在初始化私钥之前必须初始化参数，并且吧参数设置好 void init_sk(__prikey** prikey, __sec_setting* para); //初始化公钥集合 void init_pkset(__pubkey_set** pubkey, __sec_setting* para); //释放私钥 void clear_sk(__prikey* prikey); //释放公钥 void clear_pkset(__pubkey_set* pubkey);

/**************** Generated Ramdom Number. ****************/ //gen_random.c

//获得随机种子 unsigned long get_seed(); //讲随机种子与随机状态结合，为产生随机数 做准备 //随机状态类型 randstate，seed随机种子 void set_randstate(randstate rs, unsigned long seed); //产生不超过n bit位的随机数 //rn：mpz_t类型的随机数， rs 随机状态， n 随机数长度 void gen_rrandomb(mpz_t rn, randstate rs, unsigned long n); //产生不超过大整数ub的随机数 void gen_urandomm(mpz_t rn, randstate rs, mpz_t ub);

/**************** Generated Private Key & Public Key. ******/ //gen_key.c //产生素数 素数p，n 随机数长度， rs 随机状态 void gen_prime(mpz_t p, size_t n, randstate rs); //大整数 n/d 取商q的四舍五入值 void div_round_q(mpz_t q, mpz_t n, mpz_t d); //判断b是否是 a rough, a-rough： b的最小素因子不超过a bool is_a_rough(mpz_t a, mpz_t b); // 产生公钥中的Q集合 p是秘钥， mpz_t q是得到的Q集合 void getQs(mpz_t q, mpz_t p, size_t gam, size_t tau, size_t lam, randstate rs); //随机产生稀疏子集 ss是稀疏子集 ss_hw稀疏子集的汉明权重 ss_size稀疏子集的大小 void randomize_ss(mpz_t ss, size_t ss_hw, size_t ss_size); //随机产生 ss_hw个 yy 使得 ∑yyi = 「(2^prec)/p」(此处「 」取近似整数) 为产生1/p=∑yi做准备 void randomize_sk(mpz_t yy, mpz_t p, size_t ss_hw, size_t prec); //把秘钥 p 转换成 1/p=∑yi 存放在公钥pubkey中 void expand_p2y(__pubkey_set pubkey, __prikey prikey, size_t prec, randstate rs); // 产生 私钥prikey void gen_prikey(__prikey prikey, randstate rs); //产生公钥pubkey，产生公钥过程中需要用到私钥prikey，参数para 随机状态rs model表示是否对秘钥中的稀疏子集加密 放到公钥中 1表示是 0 表示否 void gen_pubkey(__pubkey_set pubkey, __prikey prikey, __sec_setting para, randstate rs, int model);

/**************** Initialized Ciphertext. ****************/ //ciphertext.c

//初始化密文 Theta是参数中的Theta void init_cit(__cit** ciph, size_t Theta); //扩展密文 zi = cyi存放在密文ciph->z[i]中， pubkey位公钥集合 void expend_cit(__cit ciph, __pubkey_set* pubkey); //释放密文 void clear_cit(__cit* ciph);

/**************** Encrypt & Decrypt. ****************/ //crypto.c

//DGHV 加密 ciphertext加密后的密文， plaintext：明文 表示0,1位（同态加密按照位加密）pubkey：公钥 para：参数 rs：随机状态 void DGHV_encrypt(__cit* ciphertext, unsigned long plaintext, __pubkey_set* pubkey, __sec_setting* para, randstate rs); //解密 ciphertext：解密的密文， prikey私钥 unsigned long DGHV_decrypt(__cit* ciphertext, __prikey* prikey);

/**************** Squashed Decrypt Circuitry. **************/ //squa_dec.c 这部分用不到就不说了， 这部分是压缩解密电路所用的数据结构和函数 void init_hw_table(__hw_table hwtable, size_t x, size_t y);

void init_ev_table(__ev_table** evtable, size_t x, size_t y);

void clear_hw_table(__hw_table* hwtable);

void clear_ev_table(__ev_table* evtable);

void set_ev_table(unsigned long i, mpf_t z, __ev_table* ev_table);

void get_hw(int i, __ev_table* ev_table, __sec_setting* para);

unsigned long get_ciph_lsb(__cit* ciph);

unsigned long get_ciphdivp_lsb(__cit* ciph, __prikey* prikey, __sec_setting* para);

/**************** Evaluated Addition & Multiplication. ****************/ //eval_oper.c

//同态加法， 并把相加得到的结果密文sum 进行扩展 zi = cyi（如果不对这个密文刷新就不需要扩展，因此下面提供了不带扩展功能的同台加法操作） void evaluate_add_ex(__cit sum, __cit* c1, __cit* c2, __pubkey_set* pubkey); //不带密文扩展的同态加密法操作 void evaluate_add(__cit* sum, __cit* c1, __cit* c2, mpz_t x0); //带扩展的同台乘法操作 void evaluate_mul_ex(__cit* product, __cit* c1, __cit* c2, __pubkey_set* pubkey); //不带扩展的同台乘法操作 void evaluate_mul(__cit* product, __cit* c1, __cit* c2, mpz_t x0);

/**************** Bootstrapping. ****************/ //bootstrapping.c

//计算第i列的汉明权重，就是那个进位（这里的进位都是用密文表示的） void c_get_hw(int i, __ev_table* ev_table, __sec_setting* para, mpz_t x0); //取密文ciph最低有效位，对最低有效位加密 得到的密文存储在cc中 void c_get_ciph_lsb(__cit* cc, __cit* ciph, __pubkey_set* pubkey, __sec_setting* para, randstate rs); //取c/p = 「c∑siyi」+（误差不写了打不出来，哈哈哈）的最低有效位，就是计算出来 小数点前一位和后一位的密文 在求和 就是他的最低有效位的密文 //ciph需要计算的密文 cc计算的最低有效位的密文 void c_get_ciphdivp_lsb(__cit* cc, __cit* ciph, __pubkey_set* pubkey, __sec_setting* para); // 密文刷新 cc刷新的密文， ciph被刷新的密文 void bootstrap(__cit* cc, __cit* ciph, __pubkey_set* pubkey, __sec_setting* para, randstate rs);