文章总结： 针对同态加密隐私信息检索查询带宽过大的问题，本文提出一种通用构造方案，通过减少模数大小降低通信量。基于此构造结合Regev同态加密，提出了RHSC-SimplePIR实例。实验表明，该方案有效降低了查询带宽并保持了高计算效率，实现了吞吐量与通信成本的平衡，适用于带宽受限环境。 综合评分： 92 文章分类： 数据安全

优秀论文|中山大学计算机学院：同态加密PIR中查询请求带宽优化的通用构造与实例

原创

信息网络安全

信息网络安全杂志

2025年12月26日 17:00 上海

引用本文

田海博, 李奕彤, 杜育松. 同态加密PIR中查询请求带宽优化的通用构造与实例[J]. 信息网络安全, 2025, 25(7): 1092-1102.

TIAN Haibo, LI Yitong, DU Yusong. General Construction and Instantiation for Query Request Bandwidth Optimization in Homomorphic Encryption-Based PIR[J]. Netinfo Security, 2025, 25(7): 1092-1102.

研究背景

在数字经济高速发展的当下，数据作为核心生产要素，其价值与隐私安全需求同步增长。用户从远程数据库检索数据时，其检索内容存在被数据库持有者窃取的隐患，引发了严峻的隐私泄露风险。隐私信息检索（Private Information Retrieval, PIR）作为一种强大的密码学原语，允许用户从存储着公开数据库的服务器检索数据库条目，同时不泄露用户查询的具体内容。基于同态加密（Homomorphic Encryption, HE）的PIR方案能够支持单服务器检索场景，然而现有的高吞吐量同态加密PIR方案在追求高计算效率的同时，面临着一个显著的瓶颈——查询请求带宽开销较大，这一瓶颈严重制约了同态加密PIR方案在带宽受限的实际网络环境中的大规模应用。因此，如何在保证高吞吐量的前提下降低查询请求带宽，成为推动同态加密PIR走向实用的一个关键且紧迫的研究课题。

研究方法

为了解决高吞吐量同态加密PIR方案中查询请求带宽较大的问题，本研究提出适用于一般同态加密PIR的通用构造，在查询请求带宽复杂度不变的情况下，通过减少查询请求的模数大小，来降低实际的查询请求通信量。本文的PIR通用方案包括服务器离线预处理、用户生成查询向量、服务器计算响应向量和用户解密4个阶段。

在该构造中，用户与服务器同时持有一个随机LWE密文，该密文有两个关键要求：首先，它必须与标准加密下的密文不可区分；其次，它必须与标准密文一样可以执行同态加密操作。在预处理阶段，服务器将数据库矩阵与随机LWE密文执行同态乘法运算。

在查询请求生成阶段，用户根据查询索引构造指示向量，使用(伪)随机明文向量加密代表着用户兴趣的指示向量，该随机明文向量通过解密随机LWE密文得到。在加密过程中，随机分布的明文向量可以看作指示向量的掩码，通过将指示向量嵌入到随机明文向量，查询向量均为明文域上的元素。

在服务器计算响应向量和用户解密阶段，服务器执行相应的同态运算，用户选择并解密响应向量中对应位置的密文即可得到想要检索的条目。

本文基于Regev同态加密实例化RHSC算法，并以SimplePIR协议为基础，结合基于Regev同态加密的RHSC算法，提出同态加密PIR实例——RHSC-SimplePIR，并分析了该实例的正确性和安全性。此外，本文从通信带宽和吞吐量两个角度在不同数据库规模上测试了该实例与其他高吞吐量PIR方案的性能，实验结果表明，本文提出的RHSC-SimplePIR方案有效降低了查询请求带宽，同时在查询处理阶段具有较高的计算效率。

研究结论

文章提出了一种新的有效降低实际查询请求带宽的同态加密PIR通用构造方案，并进一步提出了基于Regev同态加密的RHSC算法和同态加密PIR实例，实现了吞吐量和实际查询请求带宽的平衡。未来的研究可进一步探索PIR在不同隐私保护场景任务中的应用，以应对复杂数据环境和新型计算范式带来的隐私挑战。

通信作者:

杜育松 E-mail:[email protected]

作者简介:

田海博（1979—），男，河北，副教授，博士，主要研究方向为密码协议设计和分析；

李奕彤（2001—），女，山西，硕士研究生，主要研究方向为隐私计算；

杜育松（1982—），男，河北，副教授，博士，主要研究方向为密码算法。

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