Qu’est-ce que le chiffrement homomorphe et quels sont ses intérêts pour la blockchain ?

C’est quoi le chiffrement homomorphe ?

Dans le domaine de la cryptographie, il est crucial de chiffrer les données sensibles afin de les sécuriser, c’est pourquoi elles sont gardées chiffrées lorsqu'elles sont stockées et transmises.

C'est une pratique courante parmi les entreprises soucieuses de la sécurité de leurs clients, et la plupart du temps, elle est efficace, notamment grâce aux normes de chiffrement modernes impossibles à briser avec la capacité de calcul et de stockage actuelle.

Cependant, une limitation majeure réside dans l’impossibilité d’effectuer des calculs sur des données chiffrées. Pour ce faire, il faut d'abord les déchiffrer, et c'est à ce moment-là qu'elles deviennent vulnérables.

Le chiffrement homomorphe vise à résoudre ce problème. Imaginé dès 1978 par Ronald Rivest, Leonard Adleman et Michael Dertouzos, et concrétisé pour la première fois par l’américain Craig Gentry en 2009 dans sa thèse à Stanford intitulée « Fully Homomorphic Encryption using ideal lattices ».

Contrairement aux méthodes de chiffrement traditionnelles, le chiffrement homomorphe permet d'effectuer des calculs directement sur des données chiffrées sans avoir besoin d'une clé secrète. Les résultats de ces calculs restent chiffrés et peuvent être déchiffrés ultérieurement par le détenteur de la clé secrète.

Cela permet de maintenir la confidentialité des données tout en les partageant avec des tiers pour du traitement. Cela est rendu possible grâce à des opérations mathématiques. En effet, le terme « homomorphe » décrit une correspondance entre des éléments de deux systèmes algébriques, venant du grec signifiant « forme similaire ».

À présent, les secteurs public et privé adoptent ce nouveau paradigme de sécurité et s'efforcent activement de rendre le chiffrement homomorphe plus pratique et accessible. L’avantage est que ce système aide les organisations à se conformer aux réglementations strictes en matière de confidentialité telles que le Règlement général sur la protection des données (RGPD).

Quels sont les différents types de chiffrement homomorphe ?

À ce jour, il existe 3 types de chiffrement homomorphe.

1 – Partially Homomorphic Encryption (PHE)

Dans le cas du PHE, une seule opération possible (une addition ou une multiplication) avec un nombre illimité d'itérations possibles sur la donnée chiffrée.

Par exemple, le système de chiffrement RSA est partiellement homomorphe et utilisé pour chiffrer et déchiffrer les messages à l’aide d’un schéma de clé privée / publique.

Avec RSA, multiplier deux textes chiffrés avec la même clé équivaut à élever le produit des données en clair à la puissance de la clé publique. En pratique, RSA est utilisé avec un mécanisme de padding, c'est-à-dire un remplissage de données selon des règles spécifiques, rendant ainsi cette propriété homomorphique inutilisable.

2 – Somewhat Homomorphic Encryption (SHE)

Les opérations d'addition et de multiplication sont autorisées, mais avec un nombre de fois limité.

3 — Fully Homomorphic Encryption (FHE)

Le FHE se distingue des PHE et SHE en permettant des opérations illimitées, tant pour les additions que pour les multiplications.

Cela rend possible l'exécution de calculs complexes sur des textes en clair, incluant le Machine Learning et le calcul multipartite sécurisé (MPC). Cependant, les implémentations des FHE sont actuellement gourmandes en ressources de calcul, ce qui les rend peu viables pour de nombreux cas d'utilisation.

Fonctionnement simplifié du FHE par rapport à une analyse de données classique

Quelles sont les utilisations possibles pour la blockchain et les cryptomonnaies ?

Le chiffrement homomorphe permet de résoudre des problèmes significatifs en matière de confidentialité des données.

Par exemple, dans la supply chain, souvent cible de piratages, il réduit le risque de fuite de données sensibles. De même, dans le cloud computing, devenu la norme ces dernières années, il permet aux utilisateurs de confier leurs données aux entreprises de cloud sans avoir à leur accorder une confiance aveugle.

Dans le domaine médical, où la sécurisation des données des patients n’est pas toujours au rendez-vous, le chiffrement homomorphe garantit que toutes les données restent chiffrées pendant leur traitement, minimisant ainsi le risque de vol de données en clair.

Mais alors, quels sont les cas d’usages du chiffrement homomorphe, et surtout du type FHE, pour la blockchain et les cryptomonnaies ?

Private Smart Contract : Par exemple, l'utilisateur transmet une transaction chiffrée ainsi qu’une preuve à divulgation nulles de connaissances (ZK Proof) prouvant que les conditions nécessaires à la transaction sont satisfaites. Ensuite, les mineurs ou validateurs vérifient ces preuves et effectuent des calculs directement sur les données chiffrées.

De plus, il est possible de masquer la quantité de tokens et les états on-chain, ce qui est également rendu possible par les smart contracts privés.

Confidential Voting : Au sein d’une Organisation Autonome Décentralisée (DAO) classique, les votes sont accessibles publiquement, divulguant les possessions de tokens et les choix de vote de chaque utilisateur.

En revanche, une DAO confidentielle qui utiliserait le chiffrement homomorphe peut se servir de tokens privés préservant la confidentialité tant des quantités que des votes individuels.

Trustless Gaming : De nombreux jeux vidéo nécessitent que certains éléments soient dissimulés vis-à-vis des adversaires, tout en permettant le calcul de données. Par exemple, le jeu Mafia Game, entièrement on-chain, a été lancé avec des mécanismes de confidentialité tels que des rôles et des attaques cachés, des votes et des statistiques de joueurs.

Decentralized Private Identity : Cela ouvre de nouvelles possibilités pour l'identité privée on-chain couplée à des ZK Proof, comme le montre la collaboration entre Galactica, entreprise qui souhaite révolutionner le traitement de l’identité dans le Web3, et Zama.

En plus de prouver certaines caractéristiques de l'identité, comme l'empreinte digitale, en ne divulguant que les informations choisies, il est possible de faire des calculs sur ces données de manière privée. Cela permettrait de créer des environnements de confiance pour des marchés pair-à-pair ou encore améliorer le concept de decentralized society (DeSoc).

À noter que la plupart des cas d’utilisations du chiffrement homomorphe dans la blockchain sont également possible^s grâce au système de chiffrement ZK Proof.

👉 Tout savoir sur la technologie des ZK Proof et leurs applications

Quelques projets blockchain utilisant le chiffrement homomorphe

Zama : Cette startup parisienne, qui a récemment levé 73 millions de dollars lors d'un financement de série A co-dirigé par Multicoin Capital et Protocol Labs, avec la participation de Gavin Wood, cofondateur de la blockchain Ethereum, ainsi qu'Anatoly Yakovenko, cofondateur de Solana, axe sa stratégie sur le développement de systèmes cryptographiques FHE open source.

Elle a développé plusieurs solutions, notamment des smart contracts confidentiels grâce à la technologie fhEVM, ainsi qu'un système appelé « Concrete ML » destiné à l'entraînement de modèles de machine learning.

Comme le rappelle son PDG, Rand Hindi, la blockchain n'est qu'un point d'entrée sur le marché. L'objectif à long terme de Zama est de devenir leader du chiffrement homomorphe dans les domaines de l’IA et du cloud.

Fhenix : Basée à Tel-Aviv, la startup Fhenix a été fondée par Guy Itzhaki, ancien directeur du département de blockchain et de chiffrement homomorphe d’Intel. Cette solution de layer 2 de type Optimistic Rollup repose sur un chiffrement entièrement homomorphe basé sur la technologie open source fhEVM de Zama.

Fhenix permet aux développeurs d'Ethereum de créer des smart contracts chiffrés et d'effectuer des calculs sur les données chiffrées, tout en utilisant Solidity et d'autres outils familiers. L’objectif de Fhenix est de faire progresser le développement d’applications dans l’écosystème blockchain utilisant la confidentialité renforcée apportée par  le FHE.

Inco : Cette solution de Layer 1 modulaire, construite sur le SDK de Cosmos, combine FHE, ZK proof et MPC, et est conçue pour être simple d'utilisation pour les développeurs, car elle est programmable avec Solidity, le langage de programmation le plus utilisé pour les smart contract.

Elle permet la création de dApps ressemblant de près au Web 2 et se distingue par sa capacité à générer de l'aléatoire on-chain privé en utilisant des clés publiques pour produire un flux de bits sécurisé via FHE. Inco vise à résoudre des défis complexes, comme la facilitation du gaming on-chain, afin d'éliminer des problèmes tels que l'espionnage, la déduction, le sabotage, etc.

Récemment, leur collaboration avec EigenLayer, le leader du restaking sur Ethereum, a renforcé leur notoriété. Cette collaboration vise à augmenter la confidentialité sur Ethereum et à renforcer le lien entre Cosmos et Ethereum. En février dernier, Inco est parvenu à lever plus de 4,5 millions de dollars auprès de fonds bien connus de l'écosystème tels que Matter Labs, Circle Ventures, Polygon Ventures et d’autres. De plus, le projet bénéficie de conseillers expérimentés, notamment le PDG de Zama et celui de Polygon.

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Partager les connaissances que j’accumule sur les technologies de demain est ce qui m’anime à côté de mes études d'informatique.

Flavio Sens

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