O que é a criptografia homomórfica?

Encriptação homomórfica

Definição e conceito básico

A encriptação homomórfica é um avanço revolucionário na criptografia que permite efetuar cálculos diretamente em dados encriptados. Ao contrário dos métodos tradicionais, em que os dados têm de ser desencriptados antes de poderem ser utilizados, a encriptação homomórfica garante que a informação permanece protegida em todas as fases do processamento.

Este processo oferece total confidencialidade: apenas os detentores das chaves de desencriptação podem aceder aos resultados. Isto torna-a particularmente valiosa para sectores sensíveis como os cuidados de saúde, os serviços financeiros e a computação em nuvem, onde a proteção dos dados é fundamental.

Em suma, esta tecnologia combina segurança avançada com praticidade, eliminando a necessidade de compromisso entre confidencialidade e funcionalidade.

História e desenvolvimento

O conceito de encriptação homomórfica surgiu pela primeira vez em 1978, graças a investigadores visionários como Ronald Rivest, Leonard Adleman e Michael Dertouzos. No entanto, só em 2009 é que Craig Gentry propôs a primeira implementação funcional com um esquema baseado em grelhas criptográficas.

Desde então, foram feitos avanços significativos:

• Redução do ruído criptográfico, o que melhora a precisão dos cálculos.
• Otimização dos algoritmos, tornando o processamento mais rápido.
• Desenvolvimento de bibliotecas de código aberto, como a HElib (IBM) e a SEAL (Microsoft), que favorecem uma maior adoção.

Comparação com outras abordagens criptográficas

A encriptação homomórfica distingue-se de outros métodos criptográficos, como os algoritmos simétricos ou as provas de conhecimento zero (ZK), pela sua capacidade única de preservar a confidencialidade dos dados durante o processamento.

Abordagem criptográfica	Característica principal	Vantagem principal	Limitação principal
Criptografia homomórfica	Cálculos sobre dados numéricos	Confidencialidade permanente	Alta complexidade computacional
Criptografia simétrica	Criptografia e descriptografia rápidas	Simplicidade e rapidez	Dados não protegidos durante o cálculo
Provas de Conhecimento Zero (ZK)	Verificação sem revelar informações	Escalabilidade em blockchain	Centralização de cálculos

Ao contrário da encriptação simétrica, a FHE (Fully Homomorphic Encryption) garante proteção mesmo durante o processamento. Embora partilhe um objetivo de confidencialidade com a ZK, a encriptação homomórfica não requer um provador centralizado.

Princípios e algoritmos da cifragem homomórfica

Funcionamento geral

A cifragem homomórfica revoluciona a forma como os dados sensíveis são utilizados. Ao contrário dos métodos tradicionais, que exigem que os dados sejam desencriptados para serem processados, a FHE (Fully Homomorphic Encryption) permite efetuar cálculos diretamente nos dados encriptados, sem nunca revelar o seu conteúdo.

Princípio fundamental: Os resultados dos cálculos efectuados sobre dados encriptados são idênticos aos obtidos sobre dados não encriptados, mas permanecem protegidos pela encriptação permanente.

Exemplo: Uma empresa pode encriptar os seus dados internamente antes de os enviar a um prestador de serviços externo, como um fornecedor de serviços em nuvem. Este último efectua os cálculos necessários sem nunca aceder aos dados não encriptados. Os resultados, ainda encriptados, são depois devolvidos à empresa, onde são desencriptados localmente.

Condições para uma encriptação eficaz

Para ser totalmente funcional, um sistema de encriptação homomórfica deve satisfazer várias condições:

• Correção: Os resultados das operações cifradas, uma vez decifrados, devem ser fiéis aos obtidos com dados não cifrados.
• Gestão de erros: Os cálculos sobre dados cifrados geram frequentemente ruído criptográfico. Este ruído deve ser limitado para garantir a exatidão e a fiabilidade dos resultados.

Tipos de cifragem homomórfica

1. Encriptação parcialmente homomórfica (PHE)
   Permite efetuar uma única operação (adição ou multiplicação) sobre os dados cifrados. Este tipo de encriptação é leve e rápido, ideal para casos de utilização simples.
   • Exemplo: um banco pode somar os depósitos encriptados dos seus clientes para calcular o total sem nunca desencriptar cada depósito.
2. Encriptação totalmente homomórfica (FHE)
   Oferece total flexibilidade, suportando uma sequência ilimitada de operações aritméticas. No entanto, este método é mais complexo e consome muitos recursos.
   • Exemplo: aprendizagem automática segura, em que os modelos podem ser treinados em dados encriptados sem comprometer a confidencialidade.

Propriedades matemáticas

A encriptação homomórfica assenta numa base sólida de álgebra linear e teoria dos números. As principais caraterísticas incluem

• Adição homomórfica: Dois itens de dados encriptados podem ser adicionados sem desencriptação.
• Multiplicação homomórfica: Capacidade de multiplicar dados encriptados.
• Combinação de operações: realização de cálculos complexos através da combinação de vários tipos de operações.

Para garantir uma segurança robusta, mesmo perante as ameaças dos computadores quânticos, a FHE utiliza ferramentas como as grelhas criptográficas (redes matemáticas).

Exemplos de algoritmos populares

• FHE de Gentry: O primeiro algoritmo totalmente homomórfico, proposto em 2009.
• BGV: Um esquema optimizado para cálculos complexos, que reduz o tempo de processamento.
• CKKS: Concebido para cálculos aproximados, frequentemente utilizado em aplicações como a aprendizagem automática.

Aplicações práticas da encriptação homomórfica

Confidencialidade na cadeia de blocos

A encriptação homomórfica traz uma nova dimensão de confidencialidade à cadeia de blocos, que tradicionalmente tem sido transparente e pública. Com as cadeias de blocos cifradas, até os contratos inteligentes podem permanecer confidenciais, sendo acessíveis apenas a utilizadores autorizados. Os validadores, por seu lado, não têm acesso a dados sensíveis, garantindo um elevado nível de proteção.

Proteger a computação em nuvem

No domínio da computação em nuvem, a encriptação homomórfica transforma os espaços de computação em ambientes verdadeiramente seguros. Permite efetuar cálculos complexos sem que os dados sejam decifrados.

Exemplo : Uma empresa pode analisar uma base de dados de clientes totalmente encriptada através de um serviço de computação em nuvem. O fornecedor não tem então acesso a informações sensíveis, cumprindo assim regulamentos como o RGPD na Europa.

Proteção de dados médicos

A encriptação homomórfica responde às necessidades críticas do sector médico, garantindo a confidencialidade dos dados sensíveis e facilitando a sua utilização. Está em conformidade com regulamentos rigorosos, como o RGPD(União Europeia) e a HIPAA (Estados Unidos).

Exemplo: Os investigadores podem analisar registos médicos encriptados sem comprometer a privacidade dos pacientes. Esta tecnologia promove a colaboração segura entre instituições médicas, reduzindo simultaneamente o risco de violação de dados sensíveis.

Transacções financeiras seguras

Os bancos e as instituições financeiras estão a adotar a encriptação homomórfica para proteger dados sensíveis, como receitas e históricos de transacções. Esta tecnologia permite efetuar análises sem descodificação, garantindo total confidencialidade.

Por exemplo, um banco pode avaliar a capacidade de crédito de um cliente ou calcular os riscos financeiros, mantendo a confidencialidade. Permite igualmente respeitar as normas regulamentares em matéria de dados.

Pesquisa segura e confidencialidade

A encriptação homomórfica facilita as pesquisas seguras, protegendo tanto as consultas como o conteúdo da base de dados. Isto é particularmente importante em áreas sensíveis, como a defesa nacional ou as tecnologias avançadas.

Exemplo : Os modelos de aprendizagem automática podem ser treinados diretamente em dados encriptados, garantindo total confidencialidade, mesmo em ambientes partilhados ou de colaboração.

Rumo a uma vida quotidiana encriptada

No futuro, a encriptação homomórfica poderá tornar-se uma tecnologia tão comum como as ligações HTTPS na Internet.

Exemplo : poderá surgir um conceito semelhante ao “httpz”, que garante a cifragem de ponta a ponta não só para a transmissão, mas também para o processamento e o armazenamento de dados. Isto ofereceria uma proteção global contra as ciberameaças numa variedade de sectores, desde os cuidados de saúde e as finanças até às cadeias de blocos e aos jogos em linha.

Avanços recentes na encriptação homomórfica

Desenvolvimentos e avanços tecnológicos

Desde a década de 1970, a encriptação homomórfica percorreu um longo caminho, passando de um conceito puramente teórico a uma tecnologia prática. Esta evolução foi possível graças ao desenvolvimento de ferramentas de código aberto, como a HElib (IBM) e a SEAL (Microsoft). Estas ferramentas permitiram a sua adoção em sectores estratégicos como a computação em nuvem, a saúde e as finanças.

Avanços significativos:

• Redução do ruído criptográfico: Os sistemas modernos, como o BGV e o CKKS, limitaram a acumulação de ruído gerado por cálculos sucessivos. Isto melhorou consideravelmente a velocidade e a fiabilidade das operações.
• Optimizações algorítmicas: Os tempos de processamento foram reduzidos ao mesmo tempo que aumentaram a precisão dos cálculos, tornando a tecnologia mais eficiente.
• Hardware dedicado: Os processadores concebidos para criptografia aceleram os cálculos, tornando a encriptação homomórfica mais acessível a aplicações que exigem muitos recursos.

No entanto, continuam a existir desafios, especialmente em ambientes de baixa latência, como aInternet das Coisas (IoT).

Inovações tecnológicas recentes

• Aprendizagem automática homomórfica: Esta inovação permite que os modelos preditivos sejam treinados em dados encriptados, garantindo total confidencialidade. Está a revolucionar a análise segura de dados sensíveis, nomeadamente nos sectores da saúde e das finanças.
• Computação multipartidária segura: Ao combinar a encriptação homomórfica com outras técnicas criptográficas, esta abordagem facilita a colaboração entre empresas, protegendo simultaneamente as informações trocadas.
• Resiliência pós-quântica: A investigação atual está a centrar-se em esquemas resistentes a ataques de computadores quânticos, assegurando que esta tecnologia existirá a longo prazo.

Ferramentas e bibliotecas para adoção

Estes avanços tornam possível uma adoção mais ampla, particularmente em ambientes exigentes como a nuvem, a aprendizagem automática e os sistemas interligados.

Vantagens da encriptação homomórfica

A encriptação homomórfica (FHE ) é uma inovação líder na proteção de dados sensíveis, oferecendo garantias de segurança e confidencialidade sem precedentes. Esta tecnologia é essencial para as empresas e instituições que lidam com grandes quantidades de informações críticas, nomeadamente nos domínios da saúde, das finanças e da computação em nuvem.

Confidencialidade reforçada

O FHE garante que os dados permanecem encriptados durante todo o seu processamento, eliminando o risco de exposição acidental ou maliciosa. Os dados sensíveis estão sempre protegidos, mesmo dos sistemas ou de terceiros que efectuam os cálculos. Os prestadores de serviços e outras partes nunca têm acesso não encriptado à informação, o que reforça a confidencialidade.

Externalização segura

A encriptação homomórfica permite que o processamento complexo seja externalizado para fornecedores de serviços na nuvem ou outros terceiros, sem comprometer a confidencialidade dos dados. Os fornecedores de serviços podem efetuar as operações necessárias sem nunca ver o conteúdo dos dados. Este mecanismo é particularmente útil para colaborações entre empresas, em que a proteção de dados é crucial.

Conformidade regulamentar

A EHF ajuda as empresas a cumprir os regulamentos rigorosos de proteção de dados, como o RGPD na Europa ou a CCPA nos Estados Unidos. As empresas reduzem o risco de sanções legais, garantindo a segurança das informações pessoais. Os utilizadores e parceiros são tranquilizados por uma gestão de dados rigorosa e transparente.

Versatilidade e flexibilidade

A encriptação homomórfica oferece uma flexibilidade inigualável em comparação com outros métodos de encriptação, permitindo a realização de cálculos complexos diretamente nos dados encriptados.

Rastreabilidade equilibrada

O FHE oferece uma combinação ideal de anonimato e rastreabilidade, tornando-o adequado para cenários sensíveis, como leilões cegos (os participantes permanecem anónimos, garantindo a integridade do processo) outransacções em mercados OTC (os dados sensíveis são protegidos, cumprindo os requisitos de conformidade). )

Desvantagens da encriptação homomórfica

Apesar das suas muitas vantagens, a cifragem homomórfica (FHE ) tem limitações significativas que estão a impedir a sua adoção generalizada. Em domínios como aIoT ou as plataformas de processamento em tempo real, as limitações de velocidade e de potência reduzem a eficácia desta tecnologia.

Elevada complexidade computacional

Os cálculos efectuados em dados encriptados requerem consideravelmente mais recursos informáticos do que os efectuados em dados não encriptados. A consequência direta é o aumento da lentidão, o que é particularmente problemático para as aplicações que exigem baixa latência ou processamento em tempo real, como os serviços em nuvem ou os dispositivos IoT.

Tamanho dos ficheiros encriptados

Os dados encriptados com algoritmos homomórficos são muito maiores do que a sua contraparte em texto simples. Este aumento de tamanho complica a sua utilização em ambientes onde o espaço de armazenamento é limitado ou dispendioso. Consequentemente, as infra-estruturas têm de ser dimensionadas para acomodar estes volumes, aumentando os custos operacionais.

Implementação complexa

A implementação da encriptação homomórfica requer conhecimentos técnicos avançados, o que torna a sua aplicação complexa para muitas organizações. Como resultado, os programadores têm de repensar os seus algoritmos para que funcionem sem acesso a dados em texto simples, o que representa um grande desafio de programação. As ferramentas necessárias para a implantação em grande escala exigem um investimento significativo, limitando o acesso à FHE às grandes empresas e instituições com recursos suficientes.

Quadro das vantagens e desvantagens da encriptação homomórfica

Conclusão: uma tecnologia promissora que enfrenta muitos desafios

A cifragem homomórfica (FHE ) está a emergir como uma solução essencial face às crescentes ameaças cibernéticas e à necessidade de proteger dados sensíveis. Ao permitir cálculos diretos em dados encriptados, garante total confidencialidade, cumprindo simultaneamente os requisitos de conformidade, como o RGPD ou a CCPA.

No entanto, esta tecnologia é prejudicada por grandes desafios: complexidade computacional, custos elevados e dificuldades de implementação. Estas limitações restringem a sua adoção às grandes empresas e levantam questões sobre a sua acessibilidade.

Para democratizar a FHE, são necessárias iniciativas como o desenvolvimento de ferramentas de fonte aberta e a introdução de normas de auditoria. Ao mesmo tempo, abre perspectivas promissoras, nomeadamente para leilões confidenciais, transacções seguras e aplicações de cadeias de blocos.

Ao combinar segurança, flexibilidade e confidencialidade, a cifragem homomórfica posiciona-se como um pilar da proteção de dados num mundo cada vez mais digital.

Recomendações

Para integrar a encriptação homomórfica de forma eficaz, é essencial adotar uma abordagem estruturada:

• Avaliação das necessidades: Identificar casos de utilização prioritários, como o tratamento seguro de dados médicos ou financeiros.
• Escolha das ferramentas: selecionar bibliotecas adaptadas às necessidades, como a Microsoft SEAL ou a HElib.
• Planeamento de recursos: Ter em conta os custos associados à implementação, infraestrutura e formação da equipa.
• Adoção gradual: Implemente a FHE por fases para antecipar e resolver desafios técnicos ou operacionais.