Homomorphic Encryption (Homomorfik Şifreleme), desteklenen hesaplamaların doğrudan şifreli veriler üzerinde yapılmasını sağlar. Hesaplamayı gerçekleştiren tarafın, verilerin açık içeriğini veya şifre çözme anahtarını bilmesi gerekmez. Üretilen sonuç da şifreli kalır.

Homomorfik Şifreleme Nedir?

Homomorfik şifreleme, şifreli veriler üzerinde yapılan belirli işlemler ile açık veriler üzerinde yapılan karşılıkları arasında matematiksel ilişki kuran şifreleme yöntemlerinin genel adıdır.

Örneğin iki sayı ayrı ayrı şifrelenebilir. Uygun bir yöntem kullanıldığında sunucu, bu sayıları görmeden toplamlarına karşılık gelen şifreli sonucu hesaplayabilir. Yetkili taraf sonucu çözdüğünde toplamı elde eder.

Burada sunucu şifreli değerleri sıradan sayılar gibi toplamaz; kullanılan şifreleme sistemine özgü hesaplama işlemlerini uygular.

Hangi işlemlerin yapılabileceği ve sonucun hassasiyeti, seçilen şemaya bağlıdır.

Homomorfik Şifreleme Nasıl Çalışır?

Basitleştirilmiş bir uygulamada süreç şöyledir:

1. Anahtarlar hazırlanır: Şifreleme ve şifre çözme için gereken anahtarlar oluşturulur.

2. Veri kodlanır ve şifrelenir: İşlenecek bilgiler seçilen yöntemin desteklediği biçime dönüştürülür.

3. Şifreli veri gönderilir: Hesaplama sunucusu açık veriyi almadan çalışır.

4. Hesaplama yapılır: Sunucu desteklenen işlemleri şifreli değerler üzerinde yürütür.

5. Şifreli sonuç döndürülür: Hesaplamanın çıktısı kullanıcıya iletilir.

6. Sonuç çözülür: Yetkili taraf, gizli anahtarıyla çıktıyı okunabilir hâle getirir.

Bazı sistemlerde sunucuya ek değerlendirme anahtarları da sağlanır. Bunlar belirli hesaplamalara yardımcı olur; gizli şifre çözme anahtarının sunucuya verilmesi anlamına gelmez.

Homomorfik Şifreleme Türleri Nelerdir?

Kısmen Homomorfik Şifreleme

Belirli bir işlem türünü destekler. Örneğin bazı yöntemlerde şifreli değerler üzerinde toplama yapılabilirken genel amaçlı hesaplamalar gerçekleştirilemez.

Sınırlı veya Seviyeli Homomorfik Şifreleme

Birden fazla işlem desteklenebilir; ancak hesaplamanın derinliği sınırlıdır veya önceden planlanır. Bu nedenle uygulanacak hesaplama ile şifreleme parametreleri birlikte tasarlanır.

Tam Homomorfik Şifreleme — FHE

Fully Homomorphic Encryption, uygun biçimde ifade edilen genel hesaplamaların şifreli veriler üzerinde yapılabilmesini sağlar.

Buradaki “tam” ifadesi, her programın hiçbir değişiklik yapılmadan veya düşük maliyetle çalıştırılabileceğini göstermez. Pratik uygulanabilirlik hâlâ hesaplamanın yapısına ve kaynak ihtiyacına bağlıdır.

Bootstrapping Nedir?

Birçok homomorfik şifreleme yönteminde hesaplamalar ilerledikçe şifreli verinin içindeki kriptografik gürültü büyür. Bu büyüme yönetilmezse sonucun doğru çözülmesi mümkün olmayabilir.

Bootstrapping, şifreli veriyi açık hâle getirmeden yenileyerek hesaplamanın sürdürülmesine yardımcı olur. Ancak ek işlem maliyeti oluşturabilir.

Craig Gentry’nin 2009 yılında sunduğu çalışma, tam homomorfik şifrelemenin gelişiminde önemli bir dönüm noktasıdır. Bu nedenle teknoloji bütünüyle yeni bir fikir değil, uzun süredir geliştirilen bir araştırma alanıdır.

Yapay Zekâ ile Nasıl Kullanılabilir?

Örnek bir uygulamada kullanıcı, verilerini şifreleyerek bir tahmin servisine gönderebilir. Servis, uyarlanmış modelin hesaplamalarını şifreli girdiler üzerinde gerçekleştirir ve şifreli tahmini geri iletir.

Bu yaklaşım, gizliliği koruyan çıkarım uygulamalarında değerlendirilebilir. Eğitim üzerinde de araştırmalar bulunur; ancak büyük modelleri tamamen şifreli biçimde eğitmek çok daha ağır bir hesaplama yükü oluşturabilir.

Modelin bütün işlemleri doğrudan uygun olmayabilir. Karşılaştırmalar, dallanmalar ve bazı aktivasyon fonksiyonları için farklı hesaplama düzenleri veya yaklaşımlar gerekebilir.

Ayrıca girdilerin şifrelenmesi, modelin parametrelerinin de otomatik olarak gizlendiği anlamına gelmez. Hangi tarafın hangi bilgiden korunduğu ayrıca tanımlanmalıdır.

Sonuç Her Zaman Tam Olarak Aynı mı?

Kullanılan yönteme göre değişir.

BFV ve BGV gibi şemalar, belirli modüler aritmetik kuralları altında tamsayı işlemleri yapabilir. CKKS ise gerçek veya karmaşık sayılar üzerinde yaklaşık hesaplamalar için geliştirilmiştir.

Bu nedenle CKKS kullanan bir uygulamada sayısal hata payı değerlendirilmelidir. “Şifre çözüldüğünde her koşulda birebir aynı sonuç çıkar” ifadesi bütün yöntemler için geçerli değildir.

Confidential Computing ile Farkı Nedir?

Confidential Computing, verileri donanım destekli güvenilir yürütme ortamlarında işlemeyi amaçlar. Veriler korunan ortamın içinde açık biçimde işlenebilir.

Homomorfik şifrelemede ise hesaplama, şifreli gösterim üzerinde yürütülür. Hesaplama sunucusuna açık veri verilmesi gerekmez.

Bu teknolojilerin güvenlik varsayımları ve performans özellikleri farklıdır. Aynı sistemde birbirini tamamlayacak şekilde de kullanılabilirler.

Hangi Riskleri Tek Başına Çözmez?

Homomorfik şifreleme veri gizliliğine odaklanır. Sunucunun istenen hesaplamayı doğru yaptığını kendiliğinden kanıtlamaz. Sonuç doğrulaması için ek mekanizmalar gerekebilir.

Ayrıca:

• Gizli anahtarın ele geçirilmesi verileri tehlikeye atabilir.

• Çözülmüş sonuçlar hassas bilgi içerebilir.

• Veri boyutu ve iletişim zamanları gibi bilgiler görünür kalabilir.

• Yetkisiz sorguların engellenmesi için erişim kontrolü gerekir.

Güvenlik, yalnızca şifreleme algoritmasına değil bütün uygulama protokolüne bağlıdır. Açık kaynak kütüphanelerin güvenlik notları da desteklenen saldırgan modellerinin dikkatle değerlendirilmesini ister.

Karşılaşılan Zorluklar

Hesaplama maliyeti: Açık veri üzerinde hızlı çalışan bir işlem, şifreli hâlde çok daha uzun sürebilir.

Veri boyutu: Şifreli gösterimler, özgün veriden önemli ölçüde büyük olabilir.

Uygulama tasarımı: Mevcut yazılımın hesaplama yapısının uyarlanması gerekebilir.

Anahtar ve parametre yönetimi: Güvenlik, doğruluk ve performans arasında uygun denge kurulmalıdır.

Bu nedenle en uygun kullanım alanları, gizlilik gereksiniminin yüksek olduğu ve hesaplamanın uygulanabilir biçimde sınırlandırılabildiği görevlerdir.

Sık Sorulan Sorular

Sunucu verinin içeriğini görebilir mi?

Doğru tasarlanmış bir sistemde, gizli anahtara sahip olmayan hesaplama sunucusunun açık içeriği öğrenmesi engellenir. Koruma, seçilen yöntemin güvenlik varsayımlarına bağlıdır.

Her program şifreli veri üzerinde çalıştırılabilir mi?

Genel hesaplamalar FHE ile ifade edilebilir; ancak pratik maliyet ve yazılım uyarlaması önemli sınırlamalardır.

Kullanılabilir araçlar var mı?

Evet. Microsoft SEAL, OpenFHE ve IBM HElayers gibi projeler farklı hesaplama ihtiyaçlarına yönelik araçlar sunar.

Homomorfik şifreleme, hassas verilerden yararlanırken hesaplama yapan tarafa açık içeriği göstermemeyi mümkün kılar. Gerçek değeri, gizlilik ihtiyacıyla performans ve doğruluk gereksinimlerinin birlikte karşılandığı uygulamalarda ortaya çıkar.

Kaynaklar: Microsoft SEAL — Resmî proje dokümantasyonu ve Security Notes; IBM Research — Fully Homomorphic Encryption, AI on Encrypted Data via FHE ve Protecting User Data with Fully Homomorphic Encryption and Confidential Computing; IBM — What Is Homomorphic Encryption?; OpenFHE — Security Notes for Homomorphic Encryption.

Editör Notu

Bu içerik, kamuya açık kriptografi araştırmaları ve resmî teknik dokümantasyonlardan yararlanılarak hazırlanmış bir araştırma ve değerlendirme yazısıdır. İçerikte yer alan değerlendirmeler editoryal yorum niteliğindedir. Homomorfik şifrelemenin güvenliği, doğruluğu ve performansı; kullanılan şemaya, parametrelere, anahtar yönetimine ve uygulama protokolüne bağlıdır.