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基于比特切片的SM4-BGV转密技术
来源日期 2026-10-28
来源记录日期 2026-10-28
雷达观测 2026-11-01 16:34
摘要
随着数据安全需求的提升与云计算场景的广泛应用, 如何在不解密的前提下对加密数据进行高效计算已成为密码学研究的重要方向. 全同态加密(fully homomorphic encryption, FHE)能够支持密态计算, 但较高的计算与存储开销限制了其在高吞吐或实时场景中的应用. 为此, 业界提出转密(transciphering)的技术, 即利用同态加密对已有对称加密体系(如AES、SM4)的密文进行同态解密和再计算, 从而有效结合对称密码的紧凑性和同态加密的密态计算能力. 相较于已较为成熟的AES转密研究, 现有SM4转密方案普遍面临乘法深度大、噪声增长快和整体性能受限的问题. 针对上述挑战, 提出一种基于比特切片(bit-slicing)的高效SM4转密实现方案, 并在BGV同态加密框架下完成设计与实现. 该方案通过对SM4 S盒进行布尔建模与算子层级的结构化优化, 显著提升S盒性能; 同时利用比特切片的特性高效实现线性变换, 避免额外的代价较高的同态操作. 最后, 为应对32轮轮函数迭代所需的高乘法深度和噪声积累问题, 设计动态噪声管理模块, 可在噪声预算不足时自动实现密文批量自举操作, 从而保证计算的正确性和可扩展性. 实验结果表明, 所提方案较当前公开的SM4转密实现均取得更优性能: 相较于基于BGV的有限域实现, 吞吐量提升2.35倍; 相较于基于CGGI的布尔电路实现, 吞吐量提升7.04倍.
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软件学报 ↗2026 · 正式发表 · DOI: 10.13328/j.cnki.jos.007670
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记录 #1 · 2026-10-28 · 最新观测版本
基于比特切片的SM4-BGV转密技术
随着数据安全需求的提升与云计算场景的广泛应用, 如何在不解密的前提下对加密数据进行高效计算已成为密码学研究的重要方向. 全同态加密(fully homomorphic encryption, FHE)能够支持密态计算, 但较高的计算与存储开销限制了其在高吞吐或实时场景中的应用. 为此, 业界提出转密(transciphering)的技术, 即利用同态加密对已有对称加密体系(如AES、SM4)的密文进行同态解密和再计算, 从而有效结合对称密码的紧凑性和同态加密的密态计算能力. 相较于已较为成熟的AES转密研究, 现有SM4转密方案普遍面临乘法深度大、噪声增长快和整体性能受限的问题. 针对上述挑战, 提出一种基于比特切片(bit-slicing)的高效SM4转密实现方案, 并在BGV同态加密框架下完成设计与实现. 该方案通过对SM4 S盒进行布尔建模与算子层级的结构化优化, 显著提升S盒性能; 同时利用比特切片的特性高效实现线性变换, 避免额外的代价较高的同态操作. 最后, 为应对32轮轮函数迭代所需的高乘法深度和噪声积累问题, 设计动态噪声管理模块, 可在噪声预算不足时自动实现密文批量自举操作, 从而保证计算的正确性和可扩展性. 实验结果表明, 所提方案较当前公开的SM4转密实现均取得更优性能: 相较于基于BGV的有限域实现, 吞吐量提升2.35倍; 相较于基于CGGI的布尔电路实现, 吞吐量提升7.04倍.
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