面试题：HBase 复杂场景下基于时间顺序数据的安全多方计算实现

Question

在一个多方参与的复杂业务场景中，多方都有基于 HBase 存储的按时间顺序关系的敏感数据，各方希望在不泄露自身数据的前提下进行联合计算，例如多方交易数据联合统计分析。请设计一套基于 HBase 的安全多方计算方案，详细描述方案架构、涉及的密码学技术、数据交互流程以及如何保证数据在整个计算过程中的安全性与完整性。

Answer 1

方案架构

1. 参与方层：包含多个拥有 HBase 敏感数据的参与方，每个参与方负责管理自身的 HBase 集群，存储按时间顺序的敏感数据。
2. 安全计算层：部署安全多方计算（MPC）框架，例如基于混淆电路（Garbled Circuit）或秘密分享（Secret Sharing）技术的框架。此层负责执行联合计算任务，各参与方的数据以加密或分享的形式在此层交互与计算。
3. 协调层：设置一个协调者角色（可以是可信第三方或分布式共识机制实现），负责协调参与方之间的交互，例如发起计算任务、管理参与方加入与退出、确保计算流程按顺序进行等。

涉及的密码学技术

1. 秘密分享：将每个参与方的数据分割成多个份额（shares），分发给不同参与方或安全计算层节点。只有当足够数量的份额组合在一起时，才能恢复原始数据。例如，采用 Shamir 秘密分享方案，将一个数据值通过多项式插值的方式分成多个份额，在计算过程中各方仅操作份额，而无需暴露原始数据。
2. 同态加密：选择部分同态加密算法（如 Paillier 算法支持加法同态），对数据进行加密后，可在密文上进行特定类型的计算（如求和），计算结果解密后与对明文进行相同计算的结果一致。这样在计算过程中数据始终以密文形式存在，保护数据隐私。
3. 混淆电路：将计算逻辑转化为布尔电路，对电路中的每个门进行混淆处理，生成混淆表。参与方通过交换混淆表中的加密输入值和执行混淆电路的评估，来获得计算结果，而不会暴露各自的输入数据。

数据交互流程

1. 初始化阶段：
   • 协调者发起联合计算任务，并通知各参与方。
   • 各参与方从自身 HBase 中按时间范围提取相关敏感数据。
   • 参与方使用秘密分享技术将数据分割成份额，或使用同态加密对数据进行加密。
2. 数据传输阶段：
   • 参与方将加密后的数据或数据份额发送给安全计算层的对应节点（基于秘密分享时按特定规则分发份额，基于同态加密则直接发送密文）。
   • 安全计算层节点验证接收到的数据（如数据格式、份额数量等）是否正确。
3. 计算阶段：
   • 如果采用混淆电路技术，安全计算层根据计算任务构建混淆电路，并向参与方发送加密输入值（garbled inputs）。参与方用自己的私钥解密相关输入值，并返回给安全计算层进行电路评估。
   • 若使用同态加密，安全计算层直接在密文上执行联合计算任务（如加法同态用于求和计算）。
   • 对于基于秘密分享的计算，安全计算层节点对收到的数据份额进行计算，通过特定的重构算法（如 Shamir 秘密分享的拉格朗日插值法）在计算完成后恢复结果。
4. 结果返回阶段：
   • 安全计算层将最终计算结果返回给协调者。
   • 协调者将结果分发给各参与方，参与方根据自身加密方式进行解密（同态加密解密或秘密分享重构），得到最终联合计算结果。

保证数据安全性与完整性

1. 安全性：
   • 数据加密：通过同态加密和秘密分享技术，在数据传输和计算过程中，数据始终不以明文形式出现，防止数据在传输和计算过程中被窃取。
   • 访问控制：在 HBase 层面，各参与方严格管理自身 HBase 集群的访问权限，仅允许授权的安全计算层节点访问加密或份额化后的数据。
   • 隐私保护协议：安全多方计算框架中的协议（如混淆电路协议）确保参与方在计算过程中无法获取其他参与方的原始数据，仅能获得计算结果。
2. 完整性：
   • 数据校验：在数据传输阶段，安全计算层节点对接收到的数据进行校验，包括数据的格式、哈希值（发送方预先计算并随数据发送）等，确保数据在传输过程中未被篡改。
   • 容错机制：对于秘密分享技术，若某个份额在传输或计算过程中丢失或损坏，可利用冗余的份额通过重构算法恢复数据。在同态加密计算中，通过验证计算结果的正确性（如通过加密前后数据的数学关系验证）来确保完整性。
   • 审计日志：安全计算层和各参与方记录详细的计算过程和数据交互日志，便于事后审计，若发现数据完整性问题可追溯。