?一、角色劃分與職責

角色	身份	核心任務	密鑰權限
客戶端	數據所有者 （如醫院、用戶）	1. 加密原始數據 2. 上傳密文至服務器 3. 接收并解密結果（可選）	持有公鑰
服務器	計算服務提供方 （如云平臺）	1. 接收客戶端密文 2. 在密文上執行同態運算 3. 返回計算結果密文	無密鑰（僅操作密文）
聚合節點	結果解密方 （協調方/監管方）	1. 接收服務器聚合結果 2. 用私鑰解密 3. 分發最終結果（如更新全局模型）	持有私鑰

關鍵原則：
客戶端提供數據但不知全局信息，服務器執行計算但不知明文，聚合節點解密結果但不知原始數據細節。

二、具體任務分解

1. 客戶端的任務

• 數據加密：

  • 加法同態（如Paillier）：直接加密整數/定點小數（如梯度值?0.3 → 加密為 E(300)）

  • 全同態（如CKKS）：需先將浮點數編碼為多項式（如?[0.3, 0.5] → 編碼為復數向量 → 加密）

• 安全要求：

  • 永不泄露私鑰（私鑰僅聚合節點持有）

  • 驗證服務器身份（防止中間人攻擊）

2. 服務器的任務

• 核心操作（無密鑰參與）：

  • 加法同態：對密文做乘法（如?E(g?) × E(g?) = E(g?+g?)）

  • 全同態：在密文上計算電路（如?E(data) → 同態CNN → E(prediction)）

• 限制：

  • 無法解密任何數據（滿足"計算盲性"）

  • 需優化計算（如CKKS的SIMD批處理提升效率）

3. 聚合節點的任務

• 關鍵權限：

  • 唯一持有私鑰，需硬件級保護（如HSM模塊）

• 校驗責任：

  • 驗證結果合理性（如梯度總和是否在預期范圍）

  • 審計日志記錄（滿足合規要求）

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4、私鑰的生成與分發流程

（1?）密鑰生成方：權威機構（Trusted Authority, TA）

• 角色定位：
  獨立于客戶端、服務器、聚合節點之外的可信第三方（如監管機構、聯盟管理委員會）。

• 核心任務：
  ? 生成同態加密密鑰對（公鑰?pk?+ 私鑰?sk）
  ? 安全分發公鑰給客戶端，私鑰給聚合節點

（2）安全分發機制

分發對象	密鑰類型	分發方式	安全要求
客戶端	公鑰?pk	公開或加密信道傳輸	防篡改（如數字簽名證書）
聚合節點	私鑰?sk	硬件安全模塊（HSM）物理交付 或 安全多方計算（MPC）分片	絕不經網絡明文傳輸

5、為什么私鑰不能由聚合節點自己生成？

若聚合節點自行生成密鑰，會引入兩大風險：

1. 單點信任危機：聚合節點可能竊取客戶端數據（如故意分發錯誤公鑰，使客戶端加密數據可被其解密）。

2. 審計不可追溯：私鑰生成無第三方監督，發生數據泄露時無法厘清責任。

最佳實踐：
私鑰生成與分發必須由與數據利益無關的可信權威方（TA）?執行，確保：

• 客戶端加密的數據只有TA指定的聚合節點能解密。

• 聚合節點無法篡改密鑰體系。

6 、私鑰在聚合節點的安全管理

聚合節點持有私鑰后，需嚴防泄露：

1. 存儲安全

• 硬件級隔離：
  私鑰存儲在?HSM（硬件安全模塊）?或?TEE（可信執行環境）?中，永不導出。
  （如英飛凌的HSM芯片支持FIPS 140-2 Level 3認證）

• 分片備份：
  私鑰通過?Shamir秘密共享?分片，由多個機構保管（需超過閾值數量的分片才能重構）。

2. 使用安全

• 解密操作在硬件內完成：私鑰全程不出安全芯片。

• 訪問控制：解密需多因素認證（如生物識別+物理令牌）

三、流程圖（聯邦學習）

關鍵點：

1. 服務器全程無密鑰?→ 無法解密任何數據。

2. 聚合節點只接觸最終聚合結果?→ 無法獲取單個客戶端原始數據。

3. 私鑰在HSM內不可見?→ 即使聚合節點被入侵，私鑰仍安全。

當私鑰存儲在?HSM（硬件安全模塊）?中且“不可見”時，聚合節點進行解密的本質是?將密文輸入HSM，由HSM內部完成解密運算后輸出明文。整個過程聚合節點無法接觸私鑰本身，但能獲得解密結果。以下是詳細原理：

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?一、HSM 如何實現“私鑰不可見但能解密”

1. 核心原理：硬件級安全隔離

• 私鑰永不暴露：
  私鑰在HSM出廠時或初始化階段被注入到防篡改的安全芯片中，并存儲在熔斷存儲器（Fused Storage）內，物理上無法通過引腳或軟件讀取。

• 解密黑盒操作：
  HSM對外提供標準API（如PKCS#11），聚合節點調用C_Decrypt接口傳入密文，HSM內部完成解密后返回明文。

四、安全邊界與設計關鍵

角色	可見信息	不可見信息	攻擊風險
客戶端	自身原始數據	他人數據、全局結果	數據泄露（上傳時）
服務器	所有密文	任何明文、私鑰	密文篡改/重放攻擊
聚合節點	最終解密結果	單個客戶端原始數據	私鑰竊取（最高危）

安全增強措施：

• 客戶端：數據添加差分隱私噪聲（如拉普拉斯噪聲）

• 服務器：密文數字簽名（防篡改）

• 聚合節點：私鑰分片保管（閾值加密，需多機構協作解密）