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题名BFV全同态加密算法的FPGA快速实现
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作者
杨亚涛
王在舟
曹景沛
陈亮宇
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机构
北京电子科技学院电子与通信工程系
西安电子科技大学通信工程学院
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出处
《密码学报(中英文)》
北大核心
2025年第6期1211-1225,共15页
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基金
北京市自然科学基金(4232034)
中央高校基本科研业务费(3282025039,3282024058)
国家自然科学基金(62476013)。
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文摘
与传统的全同态加密(fully homomorphic encryption, FHE)算法相比, BFV算法的计算效率已经比较可观,但在运算过程中, BFV加密系统还是不可避免地引入了大量的计算开销.为了有效提升BFV全同态加密算法在FPGA硬件平台上的运算效率,对BFV算法的常规实现方案进行剖析,提出基于4K点快速数论变换(number theoretic transforms, NTT)来加速BFV多项式乘法运算的方案,通过使用NTT算法快速计算大数模乘,有效提升了FPGA实现该算法的运算效率.经过测试和分析,能够正确实现常规BFV算法,在SEAL(simple encrypted arithmetic library)库推荐的多种参数下均能正常运行.不同参数下的误差累积速度均符合预期,基于NTT的BFV算法FPGA快速实现方案较FPGA常规实现提升了5.01倍的运算速度,较SEAL库中BFV算法软件实现提升了29.94倍的运算速度.单次多项式模乘所用时间在100 MHz时钟下为17.24微秒,相较于Tian等人通过低延迟流水线算术逻辑所实现的NTT模块,提升了56%的运算效率;而相较于Shakirah等人通过放宽NTT参数间的严格关系所进行的硬件优化实现,则提升了29.8%的运算效率.
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关键词
bfv算法
全同态加密
FPGA实现
SEAL库
NTT算法
硬件加速
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Keywords
bfv algorithm
fully homomorphic encryption
field programmable gate array implementation
SEAL Library
number theoretic transforms algorithm
hardware acceleration
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分类号
TP309.7
[自动化与计算机技术—计算机系统结构]
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题名基于Zynq平台的BFV全同态加密算法高效实现
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作者
杨亚涛
曹景沛
陈亮宇
王伟
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机构
北京电子科技学院电子与通信工程系
西安电子科技大学通信工程学院
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出处
《通信学报》
EI
CSCD
北大核心
2024年第9期192-205,共14页
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基金
北京市自然科学基金资助项目(No.4232034)
中央高校基本科研业务费资金资助项目(No.3282024058,No.3282024052)。
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文摘
针对BFV全同态加密算法,在Zynq平台上设计了一种高效实现方案。该方案结合负包裹卷积与数论变换(NTT)算法,优化并加速了多项式乘法的过程。同时采用流水线设计思想和并行化硬件电路架构,加速BFV算法的RNS实现。系统采用AXI-DMA传输机制高效地实现了ARM和FPGA之间数据传输。在Zynq Ultra‐Scale+MPSoC ZCU102平台上测试,系统在200 MHz时钟频率下,执行一次同态加法的平均耗时为0.024 ms;执行一次同态乘法的平均耗时为5.779 ms,其中包括0.874 ms的密文传输时间。与SEAL库和OpenFHE库的实现相比,所提方案的同态加法实现了4.63倍和6.79倍的效率提升,同态乘法实现了4.43倍和2.95倍的效率提升,这为全同态加密算法的实际工程实现提供了重要参考。
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关键词
全同态加密
bfv算法
剩余数系统
数论变换
硬件实现
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Keywords
fully homomorphic encryption
bfv algorithm
residual number system
number theoretic transform
hardware implementation
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分类号
TN92
[电子电信—通信与信息系统]
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