使用SEAL构建最小BGV全同态加密原型

全同态加密（Fully Homomorphic Encryption, FHE）是一种革命性的密码学技术，它允许在不解密的情况下直接对加密数据进行计算，从而实现隐私保护的计算。BGV方案是FHE的重要变体，由Brakerski、Gentry和Vaikuntanathan提出，基于环学习带错误（Ring Learning With Errors, RLWE）问题，支持对加密整数进行精确的模运算，包括加法和乘法。这种方案特别适用于需要精确整数计算的场景，如安全多方计算或隐私保护的数据聚合。

在工程实践中，BGV方案的核心在于噪声管理和参数选择。加密过程会引入噪声，随着同态运算（如乘法）的进行，噪声会指数级增长，最终导致解密错误。为控制噪声，BGV引入模切换（modulus switching）和密钥交换（key switching）机制，前者通过逐步减少系数模数来抑制噪声增长，后者用于重线性化以缩小密文尺寸。这些技术使得BGV成为分级同态加密（leveled homomorphic encryption）的典范，支持有限深度的计算，而无需昂贵的自举操作（bootstrapping）。

Microsoft SEAL库是实现BGV方案的优秀工具，它提供了C++接口，支持BGV、BFV和CKKS等多种FHE方案。从SEAL的官方文档中可以看出，BGV实现于4.1版本，专注于模整数运算。使用SEAL构建最小原型时，需要关注参数设置：多项式度数（poly_modulus_degree）决定了SIMD并行度，通常选8192以平衡性能和安全；系数模数（coeff_modulus）影响噪声预算，选择BFVDefault函数生成的默认值可确保128位安全级别；明文模数（plain_modulus）控制整数范围，对于简单算术选1024即可。

要构建原型，首先安装SEAL库：克隆GitHub仓库，配置CMake（-DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DSEAL_BUILD_EXAMPLES=ON），然后构建并安装。原型代码从基本加密开始：生成密钥对，包括公钥、私钥和重线性化密钥。编码输入数据，使用BatchEncoder打包多个整数到单一明文多项式，实现向量级并行运算。加密后，进行同态加法（evaluator.add）和乘法（evaluator.multiply），每次乘法后调用relinearize_inplace以管理密文大小。解密验证结果，检查噪声预算（invariant_noise_budget）以确保计算深度未超出限制。

考虑可落地参数，一个最小原型的安全配置为：poly_modulus_degree=4096（适用于测试），coeff_modulus={60-bit primes chain}（总计218位以支持深度5的乘法），plain_modulus=1<<20（支持-500k到500k整数）。监控点包括：运算前后噪声预算差值>128位时触发模切换；乘法深度不超过log2(输入规模)以避免自举；回滚策略：若噪声溢出，降级到半同态模式，仅支持加法。实际部署中，结合Intel HEXL加速低级内核，提升10-20%性能。

这种原型适用于初学者验证BGV的核心：加密1+2=3，结果解密为3；或(1*2)+3=5，展示乘法噪声增长。通过SEAL的Evaluator类，扩展到矩阵乘法模拟神经网络前向传播，但需注意深度限制，通常<10层无自举。总体，BGV在SEAL中易于上手，推动隐私计算落地，如加密数据库查询或安全投票系统。

（字数约950）