Solutions informatiques cryptées à faible puissance

Les smartphones, les smartwatches, les appareils de santé intelligents et les capteurs intelligents omniprésents s’immiscent dans notre vie quotidienne, générant un flot de données qui nous aident à rester en sécurité, en bonne santé et informés. À mesure que les sources de données se multiplient, comme ces appareils clients à faibles ressources, la demande d’informatique sophistiquée sur ces données augmente, notamment pour en extraire la valeur à l’aide de l’apprentissage automatique. Les appareils à faibles ressources ont des capacités de calcul limitées en raison de la limitation énergétique de leurs petites batteries et de leur matériel informatique généralement simple. Pour pallier ces inconvénients, ces appareils pourraient utiliser le déchargement informatique, en envoyant les données des capteurs à traiter vers un appareil périphérique proche ou vers le cloud. Le déchargement rend possible le traitement de données même très sophistiquées, mais seulement à condition que le serveur qui effectue le traitement ait un accès non crypté aux données.

Une nouvelle méthode de calcul, appelée calcul à chiffrement homomorphe, atténue ces problèmes de confidentialité : grâce à cette technique, le client chiffre ses données, envoie les données chiffrées pour le déchargement, et le traitement déchargé se fait sans jamais déchiffrer les données. L’informatique chiffrée a un coût de calcul extrêmement élevé, qui a été considéré comme irréalisable. Récemment, les progrès réalisés en matière d’architecture informatique et d’algorithmes ont permis de décharger le calcul crypté à un coût raisonnable, rendant la technique réalisable. Cependant, ces progrès ne tiennent pas compte des coûts imposés au client à faibles ressources par le calcul crypté, qui sont associés à la disposition des données pour le traitement crypté, et au cryptage effectif des données. Ces coûts rendent le calcul crypté déchargé infaisable pour les dispositifs à faibles ressources.

McKenzie van der Hagen, étudiante en doctorat en génie électrique et informatique à l’université Carnegie Mellon, et son conseiller, le professeur associé Brandon Lucia, ont mis au point de nouveaux algorithmes et conceptions matérielles qui traitent directement ces coûts pour les dispositifs clients, rendant le déchargement crypté réalisable, même pour les clients à faibles ressources. Les deux chercheurs ont publié un article lors du symposium annuel de cette année sur le support architectural pour les langages de programmation et les systèmes d’exploitation (ASPLOS). ASPLOS est un rendez-vous incontournable dans le domaine et se tient à Lausanne, en Suisse, du 28 février au 4 mars.

Dans le cas de l’informatique chiffrée, le dispositif chiffre les données de telle sorte que des calculs puissent être effectués sur celles-ci sans les déchiffrer. L’inconvénient, cependant, est que seules les opérations linéaires, comme l’addition et la multiplication, peuvent être effectuées sur les données cryptées. La recherche s’est traditionnellement concentrée sur le serveur car la création de solutions de contournement adaptées à ces contraintes augmente considérablement le nombre et la complexité des calculs et donc le temps et l’énergie nécessaires.

« Les implémentations disponibles sont tellement optimisées pour le serveur qu’elles ne tiennent pas compte du travail qui doit être effectué sur le client », a déclaré M. van der Hagen. « Nous montrons qu’il n’est pas pratique pour ces clients aux ressources limitées de participer à ces schémas ».

Les appareils qui utilisent le déchargement des calculs envoient généralement toutes les données en un seul gros paquet et les serveurs effectuent beaucoup de calculs en même temps. Cela exige beaucoup d’énergie de la part du client. Au lieu de cela, van der Hagen propose d’envoyer les données cryptées en plus petits morceaux, ce qui répartirait les demandes d’énergie sur une période de temps.

Soudain, de multiples cycles de communication avec le serveur deviennent réalisables. Avec cette nouvelle capacité, van der Hagen a conçu des processus qui sont les plus efficaces sur le plan énergétique pour le client. Tout d’abord, l’appareil collecte des données, les crypte, puis les envoie au serveur. Ce dernier effectue une poignée d’opérations linéaires sur les données cryptées avant de les renvoyer à l’appareil. L’appareil décrypte ensuite les données et effectue des calculs non linéaires qui ne peuvent être réalisés sur des données cryptées. Ces données sont à nouveau cryptées et renvoyées au serveur pour une nouvelle série d’opérations linéaires. Ce processus est répété jusqu’à ce que les calculs soient terminés.

« Nous montrons également que, de manière contre-intuitive, il est en fait préférable pour le client d’effectuer cette interaction continue avec des ciphertextes plus petits que d’utiliser toute son énergie pour envoyer une tonne de données au début et décrypter une tonne de données à la fin », a déclaré van der Hagen. « Nous réduisons les coûts de communication jusqu’à trois ordres de grandeur ».

Ces travaux ont également introduit de nouveaux algorithmes qui rendent les calculs moins complexes en minimisant la taille des données cryptées, et ils ont créé du matériel qui prend en charge l’utilisation de ces algorithmes. Les deux sont spécialement conçus pour ces clients à faible consommation. En concevant dans le cadre de ces contraintes, les chercheurs s’assurent que leur travail profitera à de nombreux dispositifs ayant des objectifs variés.

« Le travail que nous faisons peut aider les clients à participer à l’informatique chiffrée pour de nombreuses applications différentes et même des applications qui sont encore à venir », a déclaré van der Hagen. « Ce sont des concepts très flexibles et des mises en œuvre flexibles qui peuvent vraiment aider pour l’avenir ».