Desarrollo de una solución hardware para el esquema de cifrado homomórfico Brakerski-Fan-Vercauteren

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

This work presents the development and implementation of a homomorphic encryption system based on the BFV scheme on a Zynq-7000 FPGA. The system implements the four fundamental operations of the BFV scheme: KeyGen for cryptographic key generation, Encrypt for encrypting messages through modular polynomial operations, Decrypt for recovering the original message through scaling and rounding, and Eval for executing homomorphic operations such as addition and scalar multiplication on encrypted texts. The architecture integrates a true random number generator based on FiGaRO ring oscillators that exploits thermal jitter to generate cryptographic entropy, a pseudorandom generator based on Lorenz and Lü chaotic maps that complements the system's randomness, and a discrete Gaussian noise generator that uses the acceptance-rejection method to produce Gaussian statistical distributions with a standard deviation of 3.2. The system is experimentally validated through the implementation of a homomorphic PID controller for a Buck-Boost converter, where the error signal is processed in the encrypted domain, achieving 99.10% accuracy with a correlation coefficient of 0.9964 between the original and homomorphically processed signals, operating at 100 MHz with encryption times of 41.04 μs and decryption times of 20.56 μs.

Descripción

Este trabajo presenta el desarrollo e implementación de un sistema de cifrado homomórfico basado en el esquema BFV en una FPGA Zynq-7000. El sistema implementa las cuatro operaciones fundamentales del esquema BFV: KeyGen para la generación de claves criptográficas, Encrypt para cifrar mensajes mediante operaciones polinomiales modulares, Decrypt para recuperar el mensaje original mediante escalado y redondeo, y Eval para ejecutar operaciones homomórficas como suma y multiplicación por escalar sobre textos cifrados. La arquitectura integra un generador de números aleatorios verdaderos basado en osciladores en anillo FiGaRO que aprovecha el jitter térmico para generar entropía criptográfica, un generador pseudoaleatorio fundamentado en mapas caóticos de Lorenz y Lü que complementa la aleatoriedad del sistema, y un generador de ruido gaussiano discreto que utiliza el método de aceptación-rechazo para producir las distribuciones estadísticas gaussianas con desviación estandar de 3.2. El sistema se valida experimentalmente mediante la implementación de un controlador PID homomórfico para un convertidor Buck-Boost, donde la señal de error se procesa en el dominio cifrado, logrando una exactitud del 99.10% con coeficiente de correlación de 0.9964 entre las señales originales y las procesadas homomórficamente, operando a 100 MHz con tiempos de cifrado de 41.04 μs y descifrado de 20.56 μs.

Palabras clave

Cifrado homomórfico, Esquema BFV, FPGA, Generadores aleatorios

Materias

Ingeniería Electrónica -- Tesis y disertaciones académicas

Citación