Towards compact bandwidth and efficient privacy-preserving computation

Abstract

In traditional cryptographic applications, cryptographic mechanisms are employed to ensure the security and integrity of communication or storage. In these scenarios, the primary threat is usually an external adversary trying to intercept or tamper with the communication between two parties. On the other hand, in the context of privacy-preserving computation or secure computation, the cryptographic techniques are developed with a different goal in mind: to protect the privacy of the participants involved in a computation from each other. Specifically, privacy-preserving computation allows multiple parties to jointly compute a function without revealing their inputs and it has numerous applications in various fields, including finance, healthcare, and data analysis. It allows for collaboration and data sharing without compromising the privacy of sensitive data, which is becoming increasingly important in today's digital age. While privacy-preserving computation has gained significant attention in recent times due to its strong security and numerous potential applications, its efficiency remains its Achilles' heel. Privacy-preserving protocols require significantly higher computational overhead and bandwidth when compared to baseline (i.e., insecure) protocols. Therefore, finding ways to minimize the overhead, whether it be in terms of computation or communication, asymptotically or concretely, while maintaining security in a reasonable manner remains an exciting problem to work on. This thesis is centred around enhancing efficiency and reducing the costs of communication and computation for commonly used privacy-preserving primitives, including private set intersection, oblivious transfer, and stealth signatures. Our primary focus is on optimizing the performance of these primitives.

Im Gegensatz zu traditionellen kryptografischen Aufgaben, bei denen Kryptografie verwendet wird, um die Sicherheit und Integrität von Kommunikation oder Speicherung zu gewährleisten und der Gegner typischerweise ein Außenstehender ist, der versucht, die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger abzuhören, ist die Kryptografie, die in der datenschutzbewahrenden Berechnung (oder sicheren Berechnung) verwendet wird, darauf ausgelegt, die Privatsphäre der Teilnehmer voreinander zu schützen. Insbesondere ermöglicht die datenschutzbewahrende Berechnung es mehreren Parteien, gemeinsam eine Funktion zu berechnen, ohne ihre Eingaben zu offenbaren. Sie findet zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen, einschließlich Finanzen, Gesundheitswesen und Datenanalyse. Sie ermöglicht eine Zusammenarbeit und Datenaustausch, ohne die Privatsphäre sensibler Daten zu kompromittieren, was in der heutigen digitalen Ära immer wichtiger wird. Obwohl datenschutzbewahrende Berechnung aufgrund ihrer starken Sicherheit und zahlreichen potenziellen Anwendungen in jüngster Zeit erhebliche Aufmerksamkeit erregt hat, bleibt ihre Effizienz ihre Achillesferse. Datenschutzbewahrende Protokolle erfordern deutlich höhere Rechenkosten und Kommunikationsbandbreite im Vergleich zu Baseline-Protokollen (d.h. unsicheren Protokollen). Daher bleibt es eine spannende Aufgabe, Möglichkeiten zu finden, um den Overhead zu minimieren (sei es in Bezug auf Rechen- oder Kommunikationsleistung, asymptotisch oder konkret), während die Sicherheit auf eine angemessene Weise gewährleistet bleibt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Verbesserung der Effizienz und Reduzierung der Kosten für Kommunikation und Berechnung für gängige datenschutzbewahrende Primitiven, einschließlich private Schnittmenge, vergesslicher Transfer und Stealth-Signaturen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf der Optimierung der Leistung dieser Primitiven.