基于格密码全同态加密的数学基础

--基于格密码全同态加密的数学基础

此情此景，我想先吟诗二首：

从文学的角度看，以上两首诗比李白写的稍微逊色一点，不过，从数学角度来看，简直可以获得诺贝尔数学领域的文学奖（可惜了，目前还没有这个奖项）。

以上是定场诗，本文旨在尽量少用数学公式的情况下，解释清楚FHE（Fully Homomorphic Encryption,全同态加密）相关的数学基础。话不多说，我们继续。

一点定乾坤

当时的故事是这样的：

一个阳光明媚的下午，初三(一)班刚刚上完第二节数学课，老师讲的是函数相关的内容。阳光洒在我课桌上，温暖的光线散射到眼睛里，而我却盯着老师讲的抛物线函数图像，一动也不动。

当时我本子上的图像是下面这样的：

发呆的时候，我们班里的泰勒同学去完厕所从教室前门走了进来，我的座位正冲门口，可能是他发现了我在发呆，就径直走了过来，跟我说：

“干嘛呢？大白天的，发什么呆啊？”

“发呆跟白天晚上有关系吗？”我应道，“别打扰我，我在思考一个深奥的问题！”

“什么问题啊？别思考了，我跟你说个事儿，我会魔法你知道吗？”泰勒不仅没走开，反而挨着我坐了下来。

“别扯了，我们又不是幼儿园的小朋友，都初三了，谁还相信魔法？！”我有点不耐烦，打算继续思考我的深奥的问题。

“你别不信啊，我眼睛有透视的能力”泰勒有点不依不饶，继续说道：

“不信的话，你把你的草稿本合起来，别让我看到，我可以在不看你本子的前提下，知道你画的是什么函数”

“滚一边儿去，我没那闲工夫跟你玩儿”因为泰勒打断我的思路，想赶紧轰他走。

“实在不信的话，我们试试不就知道了吗？！”泰勒不仅没走，还挪了一下凳子，离我更近了。

“好吧，好吧，如果不灵的话，有多远滚多远，行不行？”我说。

“没问题，这样，你把你的函数图像用两本书遮起来，两书之间只留一个点，我可以根据这一个点的信息得到整幅函数图像！”泰勒显得有点兴奋。我自已也有点跃跃欲试。

“行啊，没问题，就给你留一个点，看你怎么猜！”我心想，别说一个点，就是给你十个点，你能猜出来的话，我也算你赢。

我边说边把草稿本打开，用语文书和英语书遮住，中间只留了一个小缝儿，我自己刚刚能看到横轴上‘1’对应的那一点点图像。

“行了，我准备好了，猜吧！”我说。

“好，现在正式开始，不过我要先问你几个问题”泰勒说。

“问吧，问吧！”我说。

“请问，在这个点，这个函数的一阶导数是多少？”泰勒正式开始了他莫名其妙的发问。

“一阶导数？是2”我略作思考，回答道。

“二阶导数呢？”泰勒继续问。

“还是2”我脑筋微转，答道。

“三阶导数呢？”泰勒继续问。

“三阶导数啊？是0”我快速说道。

“四阶导数呢？”泰勒还要问，没有停下来的意思。

“哎呀，你烦不烦，三阶导数后面所有的导数都是0”我说。

这时，只见泰勒嘴角上扬，微微一笑，说：“你画的函数是,对不对啊？！”

“这怎么可能？！”我很是惊讶，仅仅通过一个点的信息，泰勒怎么会知道整幅函数图像的呢？

只见泰勒那时的表情，得意洋洋，心满意足，开始手舞足蹈。。。

我还是不信，怀疑刚才泰勒偷看到了我的草稿本儿。所以我又紧接着测试了，甚至还测试了，还有很多其它很复杂的函数，令人震惊的是，这些函数，无一例外，泰勒都只通过一个点就猜出来了。

“怎么样？这回相信我会魔法了吧？！”泰勒见我不解，轻飘飘撂下这句话就走开了，只留下凌乱的我，张着嘴巴，一脸懵。。。

“还真是啊，‘一点定乾坤’，难道说的就是这个？”我不禁自言自语。

读到这里，聪明的同学可能早就可以拆穿泰勒所谓的魔法了，不过我实在是愚钝，我们继续往下看。。。

一时含永远

泰勒同学前脚刚走，我的另外一个叫傅里叶的同学就跑了过来，他好像是看到了我和泰勒玩的游戏，跟我说：

“泰勒那哪叫魔法啊，我会的才是真正的魔法，我可以让时间停止，让瞬间变永恒”

“你跟泰勒一个德性，净扯玄乎儿的，把我当幼儿园小朋友耍”我还在琢磨刚刚泰勒是怎么做到的。

“你不相信的话，我们也做个游戏试试”傅里叶不想放弃展示他的魔法。

“没问题，直接开始吧，你说怎么玩？”我说。

“好，我的第一个问题是，当的时候，函数的值是多少？”见我同意玩，傅里叶也是开门见山，一下子问出了第一个问题，其实，也是唯一的一个问题。

我奋笔疾书，毕竟x是个e指数，还包含三角函数的角度，但是，我真正计算才发现，根本用不到笔算，口算就可以。我都一一回答了。当然，在这过程中，我把本子捂得很紧，没敢让他偷看一眼。

“我知道了，你的函数是，对不对啊！”傅里叶得意的问。

“我K，你是怎么知道的？！，难道传说中的‘一时含永远’，说的就是你？！”我被彻底震惊了。

。。。

。。。

。。。

好吧，我承认，泰勒和傅里叶不是我的同学，上面的故事都是编的。我也是实在编不下去了，很多聪明的同学也早就发现了泰勒和傅里叶的秘密。

泰勒的秘密就是：

对于任何一个光滑函数，都可以表示为多项式的形式，而多项式的系数可以通过某一点的导数获得。

是的，你没看错，一个点竟然蕴含了一个函数的所有信息。

傅里叶的秘密是：

对于任何一个光滑函数，都可以表示为三角函数累加（积分）的形式，而每一项的系数可以通过多个点的自变量和因变量对儿（x, f(x)）获得。

是的，你没看错，我们手机里的歌曲，不管你播不播放，他总是呆在那里，不曾改变。一个随时间变化的信号，经过傅里叶变换之后，时间将消失，音乐会上一段美妙的音乐，不过是乐谱的再一次重复，而无论重复多少次，乐谱从未发生丝毫改变。

以上被称为“感觉第一定理”。

对于喜欢看公式的同学（对于不喜欢看数学公式的同学，直接跳过公式部分，丝毫不用担心会影响你对本文的理解），就是：

泰勒公式一句话描述：就是用多项式函数去逼近光滑函数。

傅里叶变换一句话描述：将用一般多项式表示的时域的信号，变成频域的信号（这句不懂没关系，看完后面就懂了）。

你在其它地方看到的傅里叶变换可能是下面的样子：

那是因为欧拉这位同学的存在，可以把e指数变成三角函数的形式。

欧拉公式：

所以，我总结下来，就是，对于任何一个函数，都可以用一些简单的东西的线性组合得到。这里面提到的简单的东西，就可以认为是搭积木的一个个小积木块，用数学的语言，小积木块就是函数的基。用线性代数的语言，小积木块就是单位向量。而具体的函数，就是用小积木块搭出来的各种形状的积木，以及用单位向量组成的一般向量。

以上被称为“感觉定理-2”

弯路走的快

稍作休息，我又可以继续编故事了，还是续集。

傅里叶同学说完答案，同样留下一头雾水的我，潇洒的走开了。当时，我脑袋里真是一团浆糊，泰勒同学的秘密还没搞懂，又来一个傅里叶的秘密。秘密加秘密，我就更摸不着头脑了。

正当我一筹莫展之际，我的第三位同学-凯莱出现在了我的面前。还没等我张口请教，凯莱就发话了：

“泰勒和傅里叶的三脚猫功夫，有啥了不起的，在我看来，不就是多项式的两种表示形式而已。”

“多项式，我知道，不过，我只知道一种形式，另外一种是啥？”我问。

凯莱，不像泰勒和傅里叶，他举止优雅，阵脚不乱，简称“矩阵”（sorry，这是个谐音梗）。

“不用着急，听我给你慢慢说”凯莱搬了自己的凳子来，轻坐在我旁边。

你看啊，我们一般见到的多项式是下面这样的，叫多项式的系数表示法。

这其中的就是多项式的系数，所以叫“系数（coefficient）表示法”，没错，数学就是这么直白。

除了系数表示法之外，还有一种，叫“点值表示法（point-value representation）”，顾名思义，就是用这个多项式上的点，以及这点对应的值来表示。

比如，上面的多项式，用点值表示法，就是：

看到这里，我就有点不太理解了，为啥点值表示法也能代表这个多项式呢？凯莱，不紧不慢，耐心解释道：

你看啊，点值表示法里面的每一对点值，是不是表示下面一个等式,比如，第一对儿点值，表示的就是下面的一个等式。

第二对儿点值对应的是下面的等式：

从点值表示法来看，本来在一个平面上有无数条曲线，每次确定一个点，就要求我们想要的曲线必须经过这个点，当我们确定的点的数量和这条曲线的次数（就是上面式子中的n）相同时，我们就找到了经过我们指定所有点的唯一一条曲线。这是“感觉定理-3”

这时，凯莱好像看出了我的心思，说：

“瞎想什么啊，太难理解了，我们初中生，刚学过矩阵，用矩阵表示比你那个‘真感情’容易多了！”

“什么意思啊？”我还是不太理解。

“你看啊。。。”凯莱又开始娓娓道来：

上面用点值表示法表示的多项式，每个点值对儿都对应一个方程，如果我们把他们组合到一起，写成矩阵的形式，不就是下面这个样子吗：

点值表示法，就是上面三个矩阵，第1个和第3个，分别表示“点”和“值”，第2个矩阵是多项式的系数。当其中第1个和第3个矩阵都确定的情况下，第2个系数矩阵其实也就确定了。所以，从这个角度看，点值表示法和系数表示法，只是同一个函数的两种表示方式，就好像同一个函数既可以按泰勒同学的方式展开，也可以按傅里叶同学的方式展开，两种方式描述的其实是一个东西。

就好像光的波粒二象性似的，泰勒同学强调的是粒子性，而傅里叶同学强调的是波动性。或者说，系数表示法强调的是函数的波动性，点值表示法更多体现函数的粒子性。此为“感觉定理-4”.

凯莱同学啰啰嗦嗦的说了半天，我也不知道说了些什么东西，就问：

“凯莱，你说的点值法，我是听懂了，可我没看出点值法有啥用处啊”

“这个用处可就太大了，可以加速多项式乘法！”凯莱说。

你看啊，比如，我们有两个用系数表示法表示的多项式：

那么这两个多项式的乘法结果的计算过程如下所示：

这个多项式乘法的复杂度是，另外还要注意的是，“多项式乘法”中的“乘法”两个字非常容易产生误导作用，给人一种真的是普通乘法的错觉，其实，多项式的乘法操作，实际上就是卷积运算，这一点一定要谨记。

“卷积？有什么特殊的呢？这和点值表示法有啥关系啊？”我还是似懂非懂的问。

“别着急啊，还记得刚刚走的傅里叶同学吗？他刚刚使用的秘密武器就是傅里叶变换，还记得吗？”凯莱问我。

“当然记得，傅里叶变换可以让时间消失的，太厉害了，可以将时域的信号，变成频域的信号！”我说。

“完全正确！”凯莱对我的回答非常满意，他接着说：

“多项式的乘法（也就是卷积运算），可以先将两个多项式分别做傅里叶变换，变完之后的两个式子，直接对应项相乘，对应项相乘完之后的结果再做傅里叶逆变换，得到的结果就是两个原始多项式的乘法结果！！！”凯莱兴奋的嚷道。

“这个我知道，这不就是卷积定理嘛！卷积定理说的是，在一个域的相乘等于另一个域的卷积，用式子表示，就是下面这样子的”我补充道。

“可是，这个和你前面提到的矩阵有什么关系啊？！又和多项式的点值表示法有什么关系啊？！”我还是没完全理解凯莱的意思。

“不用着急，这两个问题很快你就明白了，只需最后一步！”凯莱还是慢条斯理的样子。

“最后一步？什么最后一步啊？”我问。

你看啊，其实啊，点值表示法有个非常大的好处，我之前没提到，就是：

对于用点值表示法表示的两个多项式的乘法（实际是卷积），可以直接对应项相乘即可，即，

“我知道了，凯莱，原来复杂度为的多项式乘法运算，复杂度降低成了”我好像发现了什么新大陆，也吼了起来。

“不对啊，好像哪里不对啊，这个复杂度的降低要想实现，需要先把系数表示法变成点值表示法才行啊！，这个从系数转点值的复杂度也是啊，你这搞半天不是瞎搞了吗！本来可以有直行的路可以到达，你这越走越远啊！”我刚刚发现的新大陆瞬间又不香了，满脸狐疑的看着凯莱。

“不对啊，好像哪里不对啊，这个复杂度的降低要想实现，需要先把系数表示法变成点值表示法才行啊！，这个从系数转点值的复杂度也是啊，你这搞半天不是瞎搞了吗！本来可以有直行的路可以到达，你这越走越远啊！”我刚刚发现的新大陆瞬间又不香了，满脸狐疑的看着凯莱。

“你别着急啊，你再仔细看看，你说的没错，如果是一般的系数变点值，复杂度确实降不下来，可是，如果我取得点是一些特殊的点的话，情况就完全不一样啦”凯莱继续给我解释，不紧不慢。
“取什么样的点，才能降低复杂度呢？哦！我知道了，复数域的单位根，复数域的单位根，复数域的单位根！”我连续说了三遍，生怕凯莱听不清楚。
在复数域内，方程有个根，就叫单位根，这些根分别是：

就是前面傅里叶同学表演“一时含永远”魔法的时候用的那几个点！！这几个点太好了，口算就能知道对应的函数值，这样的话，系数到点值的转换就简单多了。
“是的，你终于发现了傅里叶变换的另外一个秘密，就是傅里叶变换，其实就是多项式的系数转点值，当然，我们考虑的是离散的傅里叶变换（DFT）”凯莱继续说道。
“嗯，后面我就知道了，DFT有个快速算法，叫FFT，FFT的计算复杂度是看到了希望，我又开心了起来。

为了防止忘记，我在心里又重新梳理了一下多项式乘法的过程：

多项式乘法本质是卷积运算

卷积运算可以分三步：

a.    先把两个多项式从系数表示变成点值表示，这一步就是DFT，可以用FFT加速，FFT采用分治法，可以将一根很长的木棍儿每次都折半，这样递归下去，就可以降低计算复杂度。FFT选用的是单位根，NTT选用的是原根，目的一样，为了加速DFT, 相比于FFT，NTT还便于取模运算。

b.    然后，将用点值形式的两个多项式，对应项相乘，就得到了最终结果的点值表示形式。

c.    最后，还需要把最终结果的点值表示变回系数表示

“前几步上面都提到了，我也理解了，可这最后一步是怎么做到了？”虽然大部分的内容我理解了，可再三回忆，最后一步确实没听凯莱说过。

“哎呀，这还不简单吗？提示你一下，看看多项式的矩阵表示形式，对了，不用往上翻了，我们再写一遍，就是下面的样子”凯莱嘿嘿一笑：

还是原来的配方，还是熟悉的味道。点值表示变回系数表示的过程，不就是已知上面的第1个矩阵和第3个矩阵，求中间的系数矩阵嘛？！

“原理我貌似有点懂了，可是，具体怎么求啊，我线性代数也学的不好”我继续追问凯莱，凯莱毕竟是矩阵理论的大师级人物，这点小问题应该难不倒他。果然，还不到1秒钟的时间，凯莱就发话了：

“这个问题嘛，等式两边都乘上第1个矩阵的逆矩阵就可以了，注意啊，是“矩阵的逆：”，不是”矩阵的转置：”，这个千万别混淆了”凯莱细心的提醒我。
“知道啦，不过，矩阵的逆，复杂度可很大啊，是，你这又是南辕北辙啊？！”我又有被凯莱耍了的感觉。

“你说的没错，上面的第一个矩阵，是一个特殊的矩阵，叫范德蒙矩阵，一般的范德蒙矩阵的逆，运算复杂度也是，不过，但是，如果我们按照傅里叶同学的思路，搞出来的这个范德蒙矩阵是特殊中的特殊，它的逆矩阵，就是矩阵中的每个元素的共轭，再除以n，就是这么简单，哎哟，就是这么巧合，你说神奇不神奇”凯莱难得的大笑起来。用式子表示，就是下面这个样子的：

这个矩阵的逆，就是：

“原来如此，原来如此啊，如果我记得没错的话，点值到系数的变换过程就是传说中的傅里叶逆变换，也叫IDFT，这个也有加速版本的IFFT。”我终于恍然大悟，“弯路走的快”，诚不欺我，有图为证。

故事讲到这里，我不禁又想起了最开始的两首诗，史上最富含数学知识的文学作品，名副其实。不过，看标题，内容是同态加密啊，故事都讲到这儿了，嘚啵嘚啵唠半天嗑，咋同态加密的影儿都没看着啊？！
别着急，这是同态加密的上篇，我们稍作休息，请等待后面的精彩故事。

此情此景，我想再吟诗二首：

话说上篇我们了解到了很多非常重要的内容：

多项式从系数表示变成点值表示的过程，就是离散傅里叶变换（DFT/FFT）。

多项式从点值表示变成系数表示的过程，就是离散傅里叶逆变换(IDFT/IFFT)。

多项式的乘法，本质是卷积运算，一次卷积运算可以分为三步：Convolution=FFT->multiply->IFFT,即卷积定理表达的内容。

以上三种场景，都有相应的矩阵操作与之对应。原因是：一个多项式的点值表示和一个线性方程组对应，线性方程组又和一个矩阵乘法运算对应，这样多项式的乘法就可以转换成FFT相关的计算。这一点非常重要，是理解FHE的关键所在。
仔细思考上篇中讨论的内容，加上上面几点提示，这样我们就把FHE相关的几个非常重要的概念，以及这些概念之间的关系就搞清楚了，此时，我们的脑海里应该出现以下几个概念，并且这些概念不再是独立的孤岛，而是脑海里一片广阔的大陆：泰勒公式，多项式，系数表示法，点值表示法，DFT，FFT，卷积，卷积定理，线性方程组，矩阵，矩阵的逆。

好，收拾行囊，我们继续赶路，在正式向FHE山顶发起冲锋前，我们有必要加深一下对傅里叶变换的理解，如下图所示：
 

仔细查看上图。。。在观察这段时间里的某个时刻，一道金光从脑海划过：为什么时间消失了？！我们感知到的随着时间流淌的宇宙，进行傅里叶变换后会怎样？我们又该怎么选择傅里叶变换的旋转因子（twiddle factor）？如果你的脑海没有金光划过，可以先阅读一下。

如果脑海里实在是没有金光划过，也没关系，不会影响我们最终站上FHE的山顶。我们继续。。。

在FHE领域，我们可能会反复看到一句话：“FHE是基于格密码学的”。这句话很简短，既然反复看到，说明应该很重要，可是，我从这句话里面又看不出什么东西，每个字我都认识，但就是不知道整句话什么意思。什么道理都懂，仍然过不好一生。不用着急，我们慢慢拆解：

首先，这里面最难懂的可能是“格”这个字，于是，我们就百度里一下，“格”是这么定义的：

“ “格”是一种特殊的偏序集。”

也很简短，不过不出意外，还是每个字都认识，但仍然不明白整句话说的是啥意思。按道理，既然名字叫“格”，应该跟“格子”有关系啊？！

于是，我们继续查找FHE相关的资料，除了“格”这个东西，经常出现的还有“环”这个概念，于是百度之，“环”定义的第一个条件是：

“ 集合R在+运算下构成阿贝尔群” 此外还有“理想（Ideal）”两个字也出现在了附近。

也很简短，不过不出意外，还是每个字都认识，但仍然不明白整句话说的是啥意思。按道理，既然名字叫“环”，应该跟“铁环、手环”之类的东西有关啊？！

按图索骥，从“环”的定义里，我们发现了“阿贝尔群”这几个字，“阿贝尔”应该是个人名，那“群”又是啥意思？！，于是，继续百度之，

“在数学中，群表示一个拥有满足封闭性、满足结合律、有单位元、有逆元的二元运算的代数结构，包括阿贝尔群、同态和共轭类。”

这句话相比之前“格”“环”的定义稍稍多了几个字。欣喜的是，这句话中提到的几个概念好像都知道什么意思，比如“结合律”，“单位元”，“共轭”等，此外，还见到了我们苦苦追寻的“同态”两个字，相比最开始的漆黑一片，终于见到了几个火星儿，希望有了，胜利可能就在眼前。。。

于是，我们冲向FHE这个山顶的第一条路径就出现在了我们眼前，那便是：群->环->域->格。虽然只有四个字，可每个字看起来都不是那么好搞定的，毕竟，我们好像依稀听说过，“群论”，“环论”，“抽象代数”这几个可怕的怪物，这么陡峭的山体，一不小心就可能摔得粉身碎骨，永远达不到矗立在山顶的FHE。

我驻足沉思，难道到山顶只有一条路可走？难道必须从山脚下的“群”开始？现在都是新时代，出门爬个山，累了都有缆车啊， FHE这座山真有没有缆车可坐？如果FHE这座山没有缆车，那么FHE这座山附近有没有其它的山，如果有其它的山的话，有没有可能在两山的山顶建有“山顶缆车”？

一堆问题在我附近的空间里萦绕盘旋，我得不到回答，于是，在没看到“山顶缆车”之前，我开始从山脚下的“群”开始一步一步地爬。。。群是有点抽象，刚开始确实不太容易理解，不过我走得很快，不一会就建立了“群，环，域”的简单概念。

继续爬。。。

爬呀爬。。。
。。。
。。。
。。。
几天以后。。。

又有一道金光划过我脑海的上空，原本漆黑的海面上变得亮了起来。这道金光就是：

“很多格子摆在一起，看起来很像矩阵啊！”

是的啊，确实很多格子排列在一起，从远处看，就是一个矩阵啊，所以，“格”和“矩阵”之间一定存在某种关系！这个关系，不就是两座山顶之间的“山顶缆车”吗？！

“矩阵”，我们是比较了解的，如果矩阵和格之间建有山顶缆车的话，岂不美哉。

稍作验证，果不其然，我的想法是对的，“山顶缆车”早已建成，因为我看到了“整数格”的定义：

“离散的基向量生成空间集合，称之为整数格（Integer Lattice）”

这里面可能稍有难度的是“生成空间”，我们先来搞定它。

在线性代数中，如果我们要描述一个线性空间的话，我们需要先找到这个空间的一组基(Basis)。（PS：看到“基”这个字，你是不是又想起了傅里叶，想起了泰勒，想起了点值法，想起了消失的时间。。。）

比如常见的二维平面空间（笛卡尔坐标系），我们可以选用x轴和y轴的单位向量，作为我们的基向量（或者叫单位向量），分别是：

这样的话，任何XY坐标系的向量都可以用上面的一组基来表示。即，

其中c_0和c_1可以是任意实数，如果是任意实数，那么v的所有可能的组合，就可以铺满整个二维平面空间，我们管所有的v组成的这个线性空间，就叫做，b_1两个基向量的线性生成空间（Span）。

我们不难想象，如果c_0和c_1是实数，那么b_0，b_1的生成空间是“连成一片”的，可以叫“片”，但是，如果c_0和c_1是只能是整数的话，那么b_0，b_1的生成空间就由“片”变成了无数个离散的“点”，这些点整齐的排列在一起，非常像无数个小格子，我们把这样的一个离散的生成空间，叫做“整数格（Integer Lattice）”。

果不其然，从“矩阵”到“格”，只有简单的一步，这个“山顶缆车”建得实在是太好了。

乘坐这条意外发现的缆车，我们快速抵达了“格”，这时，我们离FHE的核心腹地--LWE只有一步之遥了，加油，胜利就在眼前。

稍微瞄一眼上图，我们就会发现，这确实是很多格子啊，“格”这个字用的还是挺好的。

有了Lattice（格），就有很多跟Lattice 有关的有意思的问题就出现了。比如，想要表达一个向量v：

我们会发现，这个向量没办法在整数格中表达它，因为整数格中的系数必须是整数才行啊。

好了，问题来了，既然不能用整数格完美表达v，那么，是否可以找到一个最接近v的v_0，而v_0可以用整数格完美表达。对于上面的例子：

这个就是著名的CVP（Closest Vector Problem）难题！！

你可能会说，这算哪门子难题啊？我一秒钟就破解了。

没错，如果只是二维正交基向量的格，那么CVP问题不是特别难，但是，如果基向量不正交呢？如果v的维度变大到, 的成员的值变大到需要1000bit呢？

这个难度是被严格证明的，CVP问题是非常难解决的（Nondeterministic Polynomial hard, NP-hard）。

是的，这个乍看起来很简单，实际上很难的问题，就是格密码学的开端。

“什么？！搞了这么久，我以为已经达到了顶峰，竟然被你说成是‘开端‘？！！”

“是的，的确是格密码学的开端，现实就是这么的残酷，你以为的天花板，很可能只是别人的起点。比如，你家的天花板，可能只是楼上的地板，…^_^”

不过不要气馁，前面就是我们要找的LWE了。

在正式引入LWE之前，我们先回顾一下，送我们快速到达“格”的山顶缆车—矩阵。

是的，通过上篇的学习，我们早就知道了，一个矩阵乘的式子，对应一个线性方程组：

其中A是一个矩阵，x是一个向量，b也是一个向量。

已知A和b，求x的过程，就是求解线性方程组的过程。具体就是在上篇提到的方法：等式两边都乘以的逆矩阵,乘完之后，等式左边就只剩下我们要求出的未知向量了。

现在稍稍把上面的矩阵乘法等式变化一下：

其中e是一个在固定数值范围内随机采集的一个随机噪音向量。这时，之前“等式两边都乘以A的逆矩阵”的方法就不行了，那我们怎么求呢？答案很简单：

“只能暴力破解”

也就是一个一个的猜x这个向量里的值，然后逐渐逼近。

这就是我们苦苦寻找的LWE(Learning With Error)问题！即：

已知一个矩阵，和它与一个向量相乘得到的乘积再加上一定的误差，也就是，如何有效的还原（learn）未知的向量。

“什么？LWE的定义这么草率吗？”

“是的，有时候胜利来得就是这么突然。”

“LWE，我们是知道了，可前面为啥提到CVP问题啊？”

如果我们细心的看LWE的问题描述的话，可以发现，LWE问题与我们之前提到的CVP问题有着惊人的相似。

不能说相似，简直一模一样。都是需要找到一组“系数”--，使得一组基向量--的线性组合，无限逼近我们想要的目标向量--。这里我们使用误差噪音--的大小来定义到底我们需要距离目标向量多近。

所以，如果CVP是一个NP-hard问题的话，那么LWE问题也是一个NP-hard问题了。

现在，我么是时候展示一下LWE问题的数学定义了：

是不是猛一看，一堆乱七八糟的数学符号，想直接跳过去？莫慌，其实很简单。此外，这几个数学符号会反复出现在FHE有关的论文中，我们是绕不过去的。

从上面的学习中，我们知道，一个LWE问题中，包含以下几步：

    第一，我们需要定义矩阵A的维度--m×n，其中m代表了整个线性方程组包含几个方程，而n代表每个方程中有几个未知数，也称为“安全系数”。n越大，LWE越难，m越大，LWE越简单。

    第二，我们需要决定有限整数域中的，一般会选择一个很大的素数。越大，LWE越难。

    第三，我们要决定叠加的噪音的取值上限。越大，越难。

    第四，上面三条已经足够，不过，为了简单，我们一般只设置一个参数n,然后通过一个函数计算出一组合适的m,q,B，可以保证LWE问题实例很大概率会拥有唯一的解，一般m,q都是n的多项式倍数（m=poly(n)）。

我们定义了这些参数之后，LWE问题就好理解了：已知和，求未知向量s。其实，还是我们前面反复看到的这个矩阵乘法等式：

此情此景，我就不再吟诗了。。。

到此为止，其实我们已经掌握了FHE的绝大部分内容了，万事俱备，东风也不欠了，现在我们正式构建一个我们自己的同态加密系统。

首先，一个典型的HE系统包含以下几步：

第一，密钥生成（KeyGen）
第二，加密（Enc）
第三，解密（Dec）
第四，同态运算（Eval）

我们下面通过一个具体的例子来说明如何构建一个HE系统。
首先，KeyGen()，我们先随机生成一个私密向量s，然后在这个向量的最下面加一个“-1”，变成,对，没错，就是这么草率，就是密钥。

然后，,其中 m是我们要加密的明文-一个数。我们通过以下方式计算密文:

其中就是我们上面提到的LWE问题，A是随机生成的矩阵，s是我们第一步KenGen()生成的，e是一个随机噪音，所以LWE(A,A·s+e)的结果是一个看起来乱七八糟的的矩阵。

是一个单位矩阵。

一个矩阵C就是我们对加密之后的密文。
第三步，,在解密时，对于一个密文矩阵，我们只需要计算，就会得到我们是我们的密钥，是已知的，所以，明文m就水落石出了。不知道各位在这时有没有想到矩阵的特征值和特征向量这两个概念。这里，密钥是特征向量，明文是特征值，所以不加噪声的话，明文实际上是在裸奔，毕竟求一个已知矩阵的特征值和特征向量还是很容易的！

第四步，，即，密文直接加、乘就可以了。这里需要注意的是，密文下的乘法运算可能会将噪音放大，导致解密失败，为了提高成功解密的概率，我们可以将和，进行二进制分解（就是用只包含0、1的二进制表示）。

如果你看到了这里，那么恭喜你，已基本掌握了FHE的精髓，最后，我们用下图来结束本文：

我定睛观察上面的图，持续十分钟，然后闭上眼睛，这时图中的格子忽然动了起来：

Polynomial、Point-Value、Convolution、DFT、FFT、NTT、UnitRoot、PrimitiveRoot、Matrix、Lattice、LWE。。。

这些原来一个个相互独立的单词，忽然间变成了一个个精灵，他们开心的跳着欢快的舞步，旋转、跳跃、相互握手，点头致意。。。

。。。

。。。

。。。
最后的最后，送上一幅藏宝图，祝一路顺风：

审核编辑：刘清