【摘 要】
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安全多方计算（Secure Multi-Party Computation,MPC）解决了一组互不信任的参与方在不披露任意参与方私有输入以及没有可信第三方的前提下实现联合计算的问题。随着云计算、人工智能、物联网等多种技术的快速发展以及数据隐私安全问题的日益突出,作为密码学的核心研究方向之一,安全多方计算在多个领域里发挥着重要的作用。姚氏乱码电路（Garbled Circuit,GC）协议由姚期智先
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安全多方计算（Secure Multi-Party Computation,MPC）解决了一组互不信任的参与方在不披露任意参与方私有输入以及没有可信第三方的前提下实现联合计算的问题。随着云计算、人工智能、物联网等多种技术的快速发展以及数据隐私安全问题的日益突出,作为密码学的核心研究方向之一,安全多方计算在多个领域里发挥着重要的作用。姚氏乱码电路（Garbled Circuit,GC）协议由姚期智先生于20 世纪80年代提出,是最著名和广为人知的安全多方计算协议。一般认为,姚氏乱码电路协议拥有最优的执行效率。SM4分组密码算法是我国商用分组密码算法标准,在WAPI无线网络标准中被广泛使用。随着安全多方计算和SM4算法的应用场景日益广泛,在安全多方计算的框架下实现高效的SM4算法加密成为了亟待解决的问题。在本文中,我们关注SM4算法在姚氏乱码电路协议下的高效实现,并从姚氏乱码电路协议优化和SM4算法布尔电路优化两方面解决该问题。传统的姚氏乱码电路协议对电路中AND门和XOR门构造的查找表密文数量都是4,我们利用Demmler等人于2015年NDSS提出的ABY框架,将乱码行缩减GRR3、FreeXOR等技术引入我们的工作中,使得协议对AND门和XOR门构造的查找表密文数量降为3和0,大大减少了参与方在线上交互的数据量。我们优化了 SM4算法布尔电路（由AND、XOR、NOT门组成,其中NOT门不计数）,因为AND门仍然需要线上交互,所以我们最大限度的减少AND门所需数量,其次减少XOR门数量。对于非线性变换（S盒）,我们利用SM4算法S盒构造与AES算法S盒构造相似的特点,复用AES算法S盒电路实现中的非线性部分,再对其他的线性部分利用启发式算法减少XOR门数量。最终我们使用116个门（32个AND门,84个XOR门）构造出SM4算法S盒的布尔电路。对于线性变换,我们利用启发式算法,将最初实现布尔电路需要128个XOR门,减少到88个。实际测试显示,与Demmler等人提供的AES加密方案相比,在姚氏乱码电路下运行一次SM4算法加密所需时间减少了10%以上。
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