A homomorphic encryption based threshold private set intersection protocol: Design and comparative evaluation
Homomorfik şifremeleye dayalı bir eşik özel küme kesişimi protokolü: tasarım ve karşılaştırmalı değerlendirme
- Tez No: 1004420
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI BAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Açık anahtarlı kripto sistemler, Veri gizliliği, Public key cryptosystems, Data privacy
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Antalya Bilim Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, toplamsal homomorfik şifrelemeye dayalı yeni bir iki taraflı Eşik Özel Küme Kesişimi (Threshold Private Set Intersection, T-PSI) protokolü önermekte, gerçekleştirmekte ve deneysel olarak değerlendirmektedir. Amaç, birbirine güvenmeyen iki tarafın, yalnızca kesişimin eleman sayısı önceden belirlenmiş bir eşik değerini aştığında özel kümelerinin kesişimini öğrenmesini sağlamak; bu koşul sağlanmadığında ise kesişimde yer almayan tüm elemanları, kümelerin tam boyutlarını ve eşik testinin sonucunu gizli tutmaktır. Ruan ve arkadaşları (2019) bit-vektör tabanlı PSI kurgusuna dayanarak, önerilen protokol, sabit bir alan üzerindeki kümeleri Paillier kriptosistemi altında şifrelenmiş bit vektörleri şeklinde temsil etmekte ve böylece kümelerin kardinalitesini doğal olarak gizlemektedir. Eşik fonksiyonu ise, Nishide–Ohta tarzı doğrusal gizli paylaşım şeması ile somutlaştırılan Veugen ve arkadaşları (2012) güvenli karşılaştırma protokolünün entegrasyonu ile gerçekleştirilmekte; böylece şifrelenmiş kesişim boyutu ile şifrelenmiş eşik değeri arasındaki karşılaştırma tamamen şifreli alanda yürütülmekte ve yalnızca şifreli bir karşılaştırma biti açığa çıkmaktadır. Tez, protokolü biçimsel olarak tanımlamakta, doğruluğunu ispatlamakta ve güvenliğini yarı-dürüst saldırgan modeli altında analiz etmektedir. Önerilen yapının pratikliğini değerlendirmek amacıyla, protokol Java dilinde, Ruan'ın PSI'ı ve Zhang'ın T-PSI'ına ait başvuru referans uygulamalarıyla birlikte ortak bir yazılım çerçevesi içinde gerçekleştirilmiştir. Farklı küme büyüklükleri, eşik değerleri ve ağ bant genişliği kısıtları altında çalışma süresi, iletişim hacmi ve her bir protokol aşamasının katkısını ölçen kapsamlı bir deneysel çalışma yürütülmüştür. Sonuçlar, önerilen T-PSI protokolünün alan büyüklüğüne göre neredeyse doğrusal bir şekilde ölçeklendiğini, hesaplama ve güvenli karşılaştırma aşamalarının toplam çalışma süresine baskın olduğunu ve iletişimin esasen şifrelenmiş bit vektörlerinin aktarımı tarafından belirlendiğini ve bant genişliği sınırlamalarına duyarlı olduğunu göstermektedir. Ruan ve Zhang protokolleriyle yapılan karşılaştırmalı değerlendirme, önerilen protokolün rekabetçi olduğu somut parametre rejimlerini ortaya koymakta ve hesaplama ile iletişim verimliliği arasındaki ödünleşimleri gözler önüne sererek, mahremiyeti koruyan farklı uygulama senaryoları için uygunluğunu netleştirmektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis proposes, implements, and empirically evaluates a new two-party Threshold Private Set Intersection (T-PSI) protocol based on additively homomorphic encryption. The goal is to enable two distrustful parties to learn the intersection of their private sets only if the intersection cardinality exceeds a predefined threshold, while hiding all non-intersecting elements, the exact set sizes, and the threshold outcome whenever the condition is not met. Building on Ruan et al. (2019)'s bit-vector PSI construction, the protocol represents sets over a fixed domain as encrypted bit vectors under the Paillier cryptosystem, which naturally conceals the cardinality of the underlying sets. Threshold functionality is then realized by integrating Veugen et al. (2012)'s secure comparison protocol, instantiated with a Nishide–Ohta style linear secret sharing scheme, so that the comparison between the encrypted intersection size and the encrypted threshold is performed entirely in the encrypted domain and only an encrypted comparison bit is revealed. The thesis formally specifies the protocol, proves its correctness, and analyzes its security in the semi-honest adversarial model. To assess practicality, the proposed construction is implemented in Java together with reference implementations of Ruan's PSI and Zhang's T-PSI within a common software framework. A comprehensive experimental study is conducted over varying domain sizes, threshold values, and network bandwidth constraints, measuring runtime, communication volume, and the contribution of each protocol stage. The results show that the proposed T-PSI exhibits near-linear scaling in the domain size, that the computation and secure comparison stages dominate runtime, and that communication is primarily driven by the transfer of encrypted bit vectors and is sensitive to bandwidth limitations. The comparative evaluation with Ruan's and Zhang's schemes highlights concrete parameter regimes in which the proposed protocol is competitive and reveals trade-offs between computational and communication efficiency, thereby clarifying its suitability for different privacy-preserving application scenarios.
Benzer Tezler
- Improved security and privacy preservation for biometric hashing
Biyometrik kıyım için arttırılmış güvenlik ve mahremiyet koruması
ÇAĞATAY KARABAT
Doktora
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HAKAN ERDOĞAN
- Design and analysis of privacy-preserving and regulations-compliant central bank digital currency
Mahremiyet koruyucu ve regülasyonlara uyumlu merkez bankası dijital parası tasarımı ve analizi
ALİ DOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Matematikİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEMAL BIÇAKCI
- Bulut tabanlı otonom sürüş sıstemlerınde görüntü işleme ıçın tam homomorfık şıfreleme yaklaşımı
A fully homomorphic encryption approach to image processing in cloud based autonomous driving systems
KAMRAN SAEED
Doktora
Türkçe
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMED FATİH ADAK
- A GPU library for BFV homomorphic encryption scheme via three different ntt algorithms
Üç farklı hızlandırılmış ntt algortıması kullanarak BFV homomorfık şıfreleme şeması ıçın bır GPU kütüphanesı gelıştırılmesı
ALİ ŞAH ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAY SAVAŞ
- Homomorphic encryption based on user defined pin code
Başlık çevirisi yok
IBRAHIM IMAD OMAİS
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolÜsküdar ÜniversitesiSiber Güvenlik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EHAB ELAFF