SEAL全同态加密开源库(一) 安装与配置
2021SC@SDUSC
2021-09-30
SEAL库介绍
何为全同态加密
全同态加密属于密码学领域，被称为“密码学的圣杯”。
如果我们有一个加密函数 f , 把明文A变成密文A’, 把明文B变成密文B’，也就是说f(A) = A’ ，f(B) = B’ 。另外我们还有一个解密函数，能够将 f 加密后的密文解密成加密前的明文。
对于一般的加密函数，如果我们将A’和B’相加，得到C’。我们用对C’进行解密得到的结果一般是毫无意义的乱码。
但是，如果 f 是个可以进行同态加密的加密函数， 我们对C’使用进行解密得到结果C， 这时候的C = A + B。这样，数据处理权与数据所有权可以分离，这样企业可以防止自身数据泄露的同时，利用云服务的算力。
由于全同态加密支持无需解密，就能够对密文进行任意计算，因此可以立竿见影的解决数据隐私安全问题，有很大的应用需求。例如，在云环境下，用户加密数据后存储在云端，由于数据加密使得云端无法获得数据的内容，从而保证了数据的隐私。此外，由于是全同态加密，云端可以对密文数据进行任意计算。总而言之，全同态加密不但通过加密保护了数据，而且没有丧失计算性。
何为SEAL
Microsoft SEAL 是一个易于使用的开源同态加密库，由 Microsoft 的密码学和隐私研究小组开发。Microsoft SEAL 是用现代标准 C++ 编写的，易于编译并在许多不同的环境中运行。
Microsoft SEAL 带有两种不同的同态加密方案，它们具有非常不同的属性。BFV 方案允许对加密整数执行模算术。CKKS 方案允许对加密的实数或复数进行加法和乘法，但只能产生近似结果。在诸如对加密实数求和、在加密数据上评估机器学习模型或计算加密位置的距离等应用中，CKKS 将是迄今为止最佳选择。对于需要精确值的应用，BFV 方案是唯一的选择。
安装与配置
对GitHub上的官方源码进行分析，发现SEAL库的安装方式依据版本大不相同。目前最新的release版本为SEAL 3.7，网络上的配置教程（包括Microsoft官网的配置视频教程）都是基于<3.6的版本(参考: Microsoft SEAL库的安装与配置_y2y2999的博客-CSDN博客)，老版本的代码包中含有sln文件，安装较为简单。这里我们采用了最新的3.7版本，需要自行CMake，所以按照官方英文文档的方式，自行摸索，历经许久终于安装成功。
Requirements
带有适用于 Windows 的 C++(C++ 17) CMake 工具的 Visual Studio 2019，CMake。
Step 1
Visual Studio 2019自带CMake工具，打开文件后VS自动检测到是makelists文件会自动执行CMake，也可以直接在VS的终端里面打开命令行，执行cmake的命令行，但是我在实际操作中遇到了一系列的问题，按照网上的说法，尝试删除构建好的build文件也无果。于是我转而下载了CMake，尝试采用cmake的原始方式。
cmake -S . -B build
效果如下：
其中这里大概率会报错，原因是连接不到github下载，解决方案是多试几次，或者魔法。
经过几次尝试，cmake -S . -B build终于成功了。
Step 2
cmake --build build
执行结果如下：
Step 3
sudo cmake --install build
需要在cmd以管理员身份打开。
在Windows中无法使用sudo，只能出此下策。注意切换目录的方式，如下图：
其中报了一个这样的错误：
发现确实没有该文件夹，于是参考了stack flow网站类似问题的解决方案，将D:\workplace_for_SEAL\SEAL\build\lib\Debug文件夹复制一份，重命名为release即可：
最后构建完成。
与应用程序链接
摘自官方文档：
“构建完成后，
seal-<version>.lib可以在build\lib\或 中找到输出静态库build\lib\Release\。与应用程序链接时，强烈建议使用 CMake，如通过 CMake 与 Microsoft SEAL 链接中所述。或者，您需要添加native\src\（完整路径）和build\native\src\包含目录来定位 Microsoft SEAL 头文件。”
代码框架简析
native下面的src文件夹，是源代码source code，examples文件夹下有一些具体的例程和测试结果。
具体内容见下一篇博客。
相关资源整理
微软官方SEAL网站：[通过 SEAL 实现同态加密 - Azure Example Scenarios | Microsoft Docs]
GitHub中SEAL：[SEAL: Microsoft SEAL 是一个易于使用的同态加密库，由微软的 Cryptography Research 小组开发 (gitee.com)]
知乎专栏：[微软同态加密库SEAL使用 - 知乎 (zhihu.com)]
CSDN专栏：[全同态加密-SEAL安装、环境配置与测试_一只老阿木的博客-CSDN博客]
国内陈智罡教授的博客：[科学网—全同态加密研究资源汇总 (不断更新中！) - 陈智罡的博文 (sciencenet.cn)]
组内成员分工
着手的项目是SEAL全同态加密开源库的代码分析，小组共有三人。
从github上下载下来源码进行初步分析，项目主要编程语言为C++，另外所使用的编程语言有C#、CMake等语言。
通过与孔老师的沟通以及查阅源码文档之后，大致拟划出了三个方向，ckks、bfv以及ntt。