面向云数据库的同态加密高性能缓存

尽管同态加密（HE）因其对密文的代数性质在基于云的外包数据库中引起了显著的研究兴趣，但 HE 相关的计算开销阻碍了其在生产数据库系统中的广泛采用。最近，SIGMOD'23 提出了一种称为基于基数加法缓存的同态加密（Rache）的缓存技术。本文的主要目标是解决 Rache 中昂贵的随机化过程带来的性能开销。为此，我们提出了一种名为 $ASEnc$ 的新型加密算法，该算法在离线阶段通过缓存多项式数量的基数幂来替代计算密集的基数全扫描。该设计显著降低了随机化造成的性能影响。此外，本文旨在扩展 Rache 的能力以支持浮点数。为此，我们引入了一种名为 $FSEnc$ 的新加密算法，利用最先进的完全同态加密（FHE）方案中可用的高效常数乘法。值得注意的是，$FSEnc$ 提供了缓存系数而非基数本身的灵活性，这可能导致大量缓存密文。然而，我们通过将动态缓存的密文以流的方式经由一组循环缓冲区来高效管理。我们证明这两种加密算法均保证语义安全（IND-CPA）。为验证其性能，我们将两种算法实现为 MySQL 8.0 中的可加载函数，并将系统原型部署在 Chameleon Cloud 托管的 96 核服务器上。实验结果表明，$ASEnc$ 比 Rache 快 2.3--3.3$\times$，而 $FSEnc$ 比最先进的浮点 FHE CKKS 快 1.8--5.6$\times$。