プ レ ス リ リ ー ス 平成 27 年 1 月 19 日 暗号化状態でセキュリティレベルの更新と演算の両方ができる準同型暗号方式を開発 ~100 年先の将来にわたり安全にプライバシーを保護できるデータ利活用へ向けて~ 【ポイント】 ■ ■ ■ 暗号化したまま鍵長を伸ばすことができる準同型暗号方式を世界で初めて開発 100 年以上の安全性確保が可能、暗号化線形回帰計算が従来比 100 倍程度に高速化 プライバシーを保護したデータマイニングによる保険・医療等での統計処理への応用に期待 独立行政法人 情報通信研究機構(NICT、理事長: 坂内 正夫)は、暗号化したままデータを処理する「準同 型暗号*1」において、暗号化したデータのセキュリティレベル*2 を上げる技術を世界で初めて開発しました。 今回開発した技術により、プライバシーに関わるデータを個人の寿命よりも長い期間にわたって安全に利活用 することが可能になります。一例として、保険・医療等の分野において、遺伝子情報などに対するプライバシーを 長期にわたり保護した状態でのデータマイニングへの応用が期待されます。 【背景と課題】 近年、データマイニング技術*3 によるサービスが生まれています。この技術とデータを暗号化したまま様々な演算が 行える準同型暗号を組み合わせることにより、プライバシーを保護した状態でのデータ処理が可能となります。応用の 一例として、病歴や遺伝子情報などの統計処理を通じた、保険・医療等の分野でのデータ利活用が進むと期待されて います。このようなシステムの運用においては、長期間にわたり暗号の安全性を保つ必要があり、定期的に鍵長の変 更によるセキュリティレベルの更新*4 を行わなければなりません。 鍵長の変更には 2 通りの実現方法がありますが、それぞれに問題がありました(図 1 参照)。暗号文を一度復号した 後に、再びセキュリティレベルの高い暗号方式で暗号化する方法 (既存技術 1)では、復号した際のデータ漏えいの危険性があり、 システム変更のコストを要していました。また、暗号文を復号せず に、セキュリティレベルのより高い暗号方式で暗号化する方法(既 存技術 2)では、データ形式を変換・分割しなければならないため、 2 度目の暗号化以降のデータ処理が不可能でした。 これらの問題により、既存技術では、暗号化されたデータを安 全に利活用できる期間は、数年から数十年程度が限界となり *4 、 例えば、病歴や遺伝子情報など、その漏えいが起こった場合に、 本人だけでなく親戚・子孫にまで影響のあるデータを長期的に扱 図 1 従来の鍵長の変更方法 うことは、現実的に難しいと考えられていました。 【今回の成果】 NICT は、暗号化されたデータのセキュリティレベルの更新処理 と準同型演算処理を同時に実現する暗号方式を世界で初めて開 発しました。これは、データを暗号化する際に暗号文をデータ領 域と付加情報に分割し、付加情報を伸ばす技術を新たに開発し たことによって実現しました(図 2 及び補足資料参照)。これにより、 数十年程度が限界であった安全なデータ利活用の期間を 100 年 以上に伸ばすことが可能になります。加えて、大幅なシステム変更 を伴わずに、より強固な暗号システムへの移行が可能となるので、 IT コストの節減にもつながります。 また、暗号化されたデータのクラウドサーバ上での統計処理を 想定した実証実験として、100 万件のデータに対する線形回帰計 算*5 を暗号化したまま行い、30 分程度で処理ができることを確認し ました。また、セキュリティレベルを更新する機能を持たない従来 研究*6 と同じデータセットを用いて比較したところ、平均して 100 倍 程度高速になることを確認しました。 図 2 今回開発した鍵長が変更できる準同型暗号方式 【今後の展望】 今後は、日本の人口を想定した一億件規模のデータを用い、保険やバイオインフォマティクスなどの分野で使われ る計算を暗号化したまま行うことで、大規模なプライバシー保護データマイニングシステムが構築可能であることを実証 し、実社会での応用を広げていきます。 本成果について、平成 27 年 1 月 20 日(火)~23 日(金)に福岡県北九州市小倉で開催される「2015 年暗号と情報 セキュリティシンポジウム (SCIS2015)」(http://www.iwsec.org/scis/2015/)で発表します。 <用語解説> *1 準同型暗号 暗号化されたデータに対して加算と乗算を行うことができる技術。加算・乗算を組み合わせることで様々な計算を暗号化 したまま行えるため、プライバシーを保護したままのデータマイニングへの応用が期待されている。 *2 セキュリティレベル 正規の鍵を使わずに暗号文を解読する作業に必要な計算時間を計る目安。一般的に、暗号の鍵が長ければ長いほど 解読に時間がかかるため、セキュリティレベルが高くなる。通常の暗号では、暗号化した後にセキュリティレベルを変更す ることはできない。 *3 データマイニング Web 上のショッピングサイトでの閲覧・購入履歴、交通システムにおける乗降データ、遺伝子情報と疾患の関係など、人 が処理できないほどの膨大なデータから、コンピュータを用いて有用な情報を引き出すこと。引き出すための技術は、統 計学・人工知能・機械学習などコンピュータサイエンス分野の多岐にわたる。一方で、分析対象のデータが個人のプライ バシーを含んでいたときに、それらをどう管理するかという問題があり、暗号技術は解決策の一つとして期待されている。 データ分析のための基本的技術として、線形回帰計算がある。 *4 定期的な鍵の更新と暗号方式の監視 現在社会で使われている暗号方式は、暗号解読技術の進化などにより、暗号化したデータが解読される危険性が年とと もに増加する。その対策として、日本の電子政府推奨暗号プロジェクト(CRYPTREC)や米国の国立標準技術研究所 (NIST)などが暗号方式を監視し、定期的な鍵の更新や、鍵長の変更によるセキュリティレベルの更新をユーザーに推奨 している。それぞれの暗号方式に対して、世界中の研究者の研究結果をもとに、コンピュータ性能の進化、攻撃アルゴリ ズムの進化などの未来予測を行い、鍵長と耐用年数の関係を導出し、その時々で必要な鍵長の指針を示している。しか し、未来予測の難しさや暗号方式の切替えを前提としていることなどから、高々、数十年程度の使用を想定した鍵長しか 公表されていない。これらの事情から、暗号化したデータを安全に活用できる期間は、最悪の場合、数十年程度となる可 能性がある。 *5 線形回帰計算 統計学における分析手法の一種である。分析対象のデータがあるパ ターンを持っていると予想されるときに、その関係を表す数式を計算する 手法(図 3 参照)。計算した数式を用いて、様々な形の予測が可能にな る。 *6 暗号化データの線形回帰計算に関する従来研究との比較 暗号技術を応用して安全に線形回帰計算を実現した研究の中で、特に 実行速度を重視したものに [“Privacy-Preserving Ridge Regression on Hundreds of Millions of Records”, IEEE Symposium on Security and 図 3 線形回帰 Privacy 2013] がある。この研究では、準同型暗号の一種である「Paillier 暗号」をベースに「秘匿回路」という技術を組み合わせて線形回帰計算を実現している。しかし、Paillier 暗号は、少なくと も 300 桁程度の整数を扱う必要があり、また、秘匿回路の構成は非常に複雑であるため、計算時間がかかる。 一方、今回開発した暗号技術では、線形回帰計算は、長くても数十桁程度の整数の行列やベクトルの加算・乗算で実 現できるため、従来よりも高速な計算が可能になる。さらに、並列計算も容易なことから、多数のコンピュータを利用する ことで、大幅に計算時間を短縮することができる。 < 本件に関する 問い合わせ先 > ネットワークセキュリティ研究所 セキュリティ基盤研究室 レ チュウ フォン Tel: 042-327-6217 E-mail: [email protected] < 広報 > 広報部 報道担当 廣田 幸子 Tel: 042-327-6923 Fax: 042-327-7587 E-mail: [email protected] <補足資料> ・今回開発した暗号技術の概要 今回開発した暗号技術では、平文はベクトルとして表され、秘密鍵・公開鍵は行列として表現されています。暗号化 処理では、公開鍵とノイズベクトルを使って付加情報を生成し、さらに、公開鍵とノイズベクトルで平文ベクトルのスクラ ンブルを行います(図 4 左参照)。付加情報には平文ベクトルの情報が含まれていませんが、平文ベクトルのスクランブ ルを解除する際に必要な情報を含んでいます。暗号文は、この処理により得られた「付加情報」と「スクランブルされた 平文ベクトル」の二つで構成されています。 その暗号文に対して復号処理を行うには、対応する秘密鍵で付加情報から復号に必要な情報を復元し、その情報 とスクランブルされた平文ベクトルによって元の平文ベクトルを復元します(図 4 右参照)。 図 4 今回開発した暗号技術の概要<暗号化と復号処理> この暗号技術は、格子暗号という暗号技術をベースに しており、「格子の最短ベクトル問題」の計算が現実的に 難しいことを安全性の根拠としています。この問題は、付 加情報の長さ(次元)が長いほど難しくなります。つまり、 付加情報の長さが長くなるように、公開鍵・秘密鍵のパラ メータを選択することで、よりセキュリティレベルの高い暗 号文を作ることができます。 セキュリティレベルの更新処理では、古い秘密鍵とセ キュリティレベルの高い新しい秘密鍵から更新鍵を生成し、 その更新鍵と新しい公開鍵を使って暗号文のセキュリティ レベルを更新します。更新処理は、行列とベクトルの掛け 算を利用して付加情報の長さを引き伸ばし、さらに、安全 性を保つために、すべての成分が 0 の平文ベクトルに対 応する暗号文を加えてランダム化することで実現していま す(図 5 参照)。更新処理された暗号文は、元の暗号文よ りも長い付加情報を持つため、セキュリティレベルが高い より安全な暗号文になります。 この更新処理は、暗号文に対応する秘密鍵の変更を サーバに安全に委託できる「代理再暗号化」という技術を 応用しています。ただし、従来の代理再暗号化技術では、 暗号文に対応する秘密鍵の更新はできますが、セキュリ ティレベルの更新は実現されていませんでした。 図 5 今回開発した暗号技術の概要<更新処理>
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