一、角色划分与职责
| 角色 | 身份 | 核心任务 | 密钥权限 |
|---|---|---|---|
| 客户端 | 数据所有者 （如医院、用户） | 1. 加密原始数据 2. 上传密文至服务器 3. 接收并解密结果（可选） | 持有公钥 |
| 服务器 | 计算服务提供方 （如云平台） | 1. 接收客户端密文 2. 在密文上执行同态运算 3. 返回计算结果密文 | 无密钥（仅操作密文） |
| 聚合节点 | 结果解密方 （协调方/监管方） | 1. 接收服务器聚合结果 2. 用私钥解密 3. 分发最终结果（如更新全局模型） | 持有私钥 |
关键原则：
客户端提供数据但不知全局信息，服务器执行计算但不知明文，聚合节点解密结果但不知原始数据细节。
二、具体任务分解
1. 客户端的任务
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数据加密：
-
加法同态（如Paillier）：直接加密整数/定点小数（如梯度值
0.3 → 加密为 E(300)） -
全同态（如CKKS）：需先将浮点数编码为多项式（如
[0.3, 0.5] → 编码为复数向量 → 加密）
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安全要求：
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永不泄露私钥（私钥仅聚合节点持有）
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验证服务器身份（防止中间人攻击）
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2. 服务器的任务
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核心操作（无密钥参与）：
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加法同态：对密文做乘法（如
E(g₁) × E(g₂) = E(g₁+g₂)） -
全同态：在密文上计算电路（如
E(data) → 同态CNN → E(prediction)）
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限制：
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无法解密任何数据（满足"计算盲性"）
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需优化计算（如CKKS的SIMD批处理提升效率）
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3. 聚合节点的任务
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关键权限：
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唯一持有私钥，需硬件级保护（如HSM模块）
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校验责任：
-
验证结果合理性（如梯度总和是否在预期范围）
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审计日志记录（满足合规要求）
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4、私钥的生成与分发流程
（1 ）密钥生成方：权威机构（Trusted Authority, TA）
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角色定位：
独立于客户端、服务器、聚合节点之外的可信第三方（如监管机构、联盟管理委员会）。 -
核心任务：
✅ 生成同态加密密钥对（公钥pk+ 私钥sk）
✅ 安全分发公钥给客户端，私钥给聚合节点
（2）安全分发机制
| 分发对象 | 密钥类型 | 分发方式 | 安全要求 |
|---|---|---|---|
| 客户端 | 公钥 pk | 公开或加密信道传输 | 防篡改（如数字签名证书） |
| 聚合节点 | 私钥 sk | 硬件安全模块（HSM）物理交付 或 安全多方计算（MPC）分片 | 绝不经网络明文传输 |
5、为什么私钥不能由聚合节点自己生成？
若聚合节点自行生成密钥，会引入两大风险：
-
单点信任危机：聚合节点可能窃取客户端数据（如故意分发错误公钥，使客户端加密数据可被其解密）。
-
审计不可追溯：私钥生成无第三方监督，发生数据泄露时无法厘清责任。
最佳实践：
私钥生成与分发必须由与数据利益无关的可信权威方（TA） 执行，确保：
客户端加密的数据只有TA指定的聚合节点能解密。
聚合节点无法篡改密钥体系。
6 、私钥在聚合节点的安全管理
聚合节点持有私钥后，需严防泄露：
1. 存储安全
-
硬件级隔离：
私钥存储在 HSM（硬件安全模块） 或 TEE（可信执行环境） 中，永不导出。
（如英飞凌的HSM芯片支持FIPS 140-2 Level 3认证） -
分片备份：
私钥通过 Shamir秘密共享 分片，由多个机构保管（需超过阈值数量的分片才能重构）。
2. 使用安全
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解密操作在硬件内完成：私钥全程不出安全芯片。
-
访问控制：解密需多因素认证（如生物识别+物理令牌）
三、流程图（联邦学习）
关键点：
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服务器全程无密钥 → 无法解密任何数据。
-
聚合节点只接触最终聚合结果 → 无法获取单个客户端原始数据。
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私钥在HSM内不可见 → 即使聚合节点被入侵，私钥仍安全。
当私钥存储在 HSM（硬件安全模块） 中且“不可见”时，聚合节点进行解密的本质是 将密文输入HSM，由HSM内部完成解密运算后输出明文。整个过程聚合节点无法接触私钥本身，但能获得解密结果。以下是详细原理：
一、HSM 如何实现“私钥不可见但能解密”
1. 核心原理：硬件级安全隔离
-
私钥永不暴露：
私钥在HSM出厂时或初始化阶段被注入到防篡改的安全芯片中，并存储在熔断存储器（Fused Storage）内，物理上无法通过引脚或软件读取。 -
解密黑盒操作：
HSM对外提供标准API（如PKCS#11），聚合节点调用C_Decrypt接口传入密文，HSM内部完成解密后返回明文。
四、安全边界与设计关键
| 角色 | 可见信息 | 不可见信息 | 攻击风险 |
|---|---|---|---|
| 客户端 | 自身原始数据 | 他人数据、全局结果 | 数据泄露（上传时） |
| 服务器 | 所有密文 | 任何明文、私钥 | 密文篡改/重放攻击 |
| 聚合节点 | 最终解密结果 | 单个客户端原始数据 | 私钥窃取（最高危） |
安全增强措施：
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客户端：数据添加差分隐私噪声（如拉普拉斯噪声）
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服务器：密文数字签名（防篡改）
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聚合节点：私钥分片保管（阈值加密，需多机构协作解密）
