Swift Homomorphic Encryption

안녕하세요. 그린입니다 🍏

이번 포스팅은 Swift Homomorphic Encryption에 대해 알아보겠습니다 🙋🏻

 

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Swift Homomorphic Encryption

Swift는 시스템 프로그래밍 언어로 시작했지만, 시간이 흐르면서 점점 더 다양한 분야로 확장되고 있어요.

이번에는 Swift.org 공식 블로그에서 발표한 Homomorphic Encryption, 동형 암호라는 프로젝트가 그 대표적인 예라고 볼 수 있습니다.

 

Apple이 공개한 이 프로젝트는 Swift에서 직접 동형 암호 알고리즘을 구현할 수 있도록 하는 라이브러리이자 언어 확장이라고 볼 수 있습니다.

 

그래서 이걸 한번 알아봅니다 😃

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Why Homomorphic Encryption?

많은 앱과 서비스는 개인 정보를 클라우드에 처리합니다.

하지만 개인정보 보호 문제는 여전히 민감한 사항이죠.

이 해결책 중 하나가 바로 Homomorphic Encryption입니다.

 

동형 암호란 암호화된 상태에서도 연산을 수행할 수 있는 암호 기술입니다.

 

즉, 데이터를 복호화하지 않고도 덧셈, 곱셈 등의 연산이 가능하다는 의미죠.

예를 들어서, 클라우드 서버는 사용자의 데이터를 해독하지 않고도 그 위에서 연산을 수행하고 결과만을 사용자에게 전달할 수 있습니다.

애플은 이러한 기술을 Swift에 통합함으로써, 개발자들이 보다 안전하고 강력한 데이터 처리 로직을 구현할 수 있도록 하려는 것입니다.

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Swift Homomorphic Encryption?

해당 프로젝트는 다음과 같은 세 가지 주요 요소로 구성됩니다.

 

1️⃣ HE Engine

핵심 수학 연산과 암호화 알고리즘을 담당합니다. 이는 C++로 작성되어 있으며 고성능을 위한 최적화가 포함되어 있어요.

 

2️⃣ Swift Extension

Swift에서 수학 연산을 자연스럽게 표현할 수 있도록 DSL(Domain-Specific Language) 형태로 구성되어 있습니다.

일반적으로 Swift 코드처럼 암호화된 수를 다룰 수 있죠.

 

3️⃣ 플러그형 백엔드 시스템

다양한 암호 알고리즘을 백엔드로 선택할 수 있습니다.

 

이 구조를 통해 애플은 Swift 개발자들이 복잡한 암호 수학을 신경쓰지 않고도 동형 암호 기능을 활용할 수 있도록 만들었습니다.

 

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Code Sample

Swift Homomorphic Encryption의 실제 사용 흐름을 보여주는 예제 코드는 다음과 같아요.

 

import HomomorphicEncryption

// 1. BFV 암호 스킴을 위한 암호화 파라미터 설정
// *주의: 아래 파라미터는 테스트 용도로만 적합한 수준의 보안입니다.*
let encryptParams =
    try EncryptionParameters<Bfv<UInt64>>(from: .insecure_n_8_logq_5x18_logt_5)

// 2. 위 파라미터를 기반으로 Context 생성 (암호 연산 환경 구성)
let context = try Context(encryptionParameters: encryptParams)

// 3. 입력값을 coefficient 형식으로 인코딩
let values: [UInt64] = [8, 5, 12, 12, 15, 0, 8, 5]
let plaintext: Bfv<UInt64>.CoeffPlaintext = try context.encode(
    values: values,
    format: .coefficient)

// 4. 비밀키 생성 후 plaintext를 암호화
let secretKey = try context.generateSecretKey()
let ciphertext = try plaintext.encrypt(using: secretKey)

// 5. 암호화된 데이터를 복호화하고 결과 확인
let decrypted = try ciphertext.decrypt(using: secretKey)
let decoded: [UInt64] = try decrypted.decode(format: .coefficient)

// 6. 결과 검증 (원래 값과 동일해야 함)
precondition(decoded == values)

 

포인트를 살펴볼께요.

 

• EncryptionParameters<Bfv<UInt64>>: 동형 암호를 위한 스킴(BFV)을 설정하는 부분으로, 정수형 값을 다루기 위해 UInt64를 사용
• Context: 암호화 환경을 캡슐화하여, 인코딩/디코딩, 암호화/복호화 모두 이 context 내에서 이루어짐
• CoeffPlaintext: coefficient 방식으로 인코딩된 평문
• encrypt(using:), decrypt(using:): 각각 비밀키 기반으로 암호화/복호화 수행
• precondition: 디코딩된 값이 원래의 입력값과 동일함을 확인

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Performance & Optimization 

애플은 해당 프로젝트에서 다음과 같은 최적화를 적용했다고 말합니다.

 

• 다항식 기반 FFT 
• SIMD 벡터화
• Apple Silicon에 최적화된 백엔드
• 정밀도 조절을 위한 스케일링 옵션

또한 GPU 기반 가속도 계획중이라고 말하며 향후 더 큰 성능 개선도 기대할 수 있어요.

 

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Conclusion

이 프로젝트는 단순히 “암호화 기능을 Swift로도 쓸 수 있다”는 것보다 훨씬 더 큰 의미를 가집니다.
Swift가 고성능 계산, 프라이버시 보호, 분산 시스템 보안 연산 등 새로운 분야로 진입할 수 있는 기반이 마련된 것입니다.

 

예를 들어 다음과 같은 분야에서 활용 가능합니다.

• 헬스케어 앱: 사용자의 민감한 데이터를 암호화한 채 서버 연산
• 금융 앱: 암호화된 데이터를 기반으로 수익 분석
• IoT/에지 컴퓨팅: 로컬 장비에서 암호화 상태로 연산 수행

애플이 Swift 언어를 통해 동형 암호라는 고급 보안 기술에 접근하는 이유는 분명할거에요.

Swift를 시스템 레벨에서부터 고급 연산, 과학 컴퓨팅, 프라이버시 중심 기술까지 포괄하는 언어로 키우고자 하는 방향성이라고 생각됩니다.

 

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References

Announcing Swift Homomorphic Encryption