💻 computer science

Secure Conformance Checking using Token-based Replay and Homomorphic Encryption

यह शोध पत्र एक सुरक्षित अनुरूपता जाँच (conformance checking) दृष्टिकोण का प्रस्ताव करता है जो टोकन-आधारित रिप्ले को होमोमोर्फिक एन्क्रिप्शन के साथ जोड़कर, संवेदनशील इवेंट लॉग डेटा को प्रकट किए बिना, एक लॉग स्वामी को बाहरी मॉडल के विरुद्ध प्रक्रिया अनुपालन को सत्यापित करने में सक्षम बनाता है।

मूल लेखक: Luis-Armando Rodríguez-Flores, Luciano García-Bañuelos, Abel Armas-Cervantes, Astrid-Monserrat Rivera-Partida

प्रकाशित 2026-04-29

📖 6 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Luis-Armando Rodríguez-Flores, Luciano García-Bañuelos, Abel Armas-Cervantes, Astrid-Monserrat Rivera-Partida

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

यहाँ इस शोध पत्र (paper) का सरल भाषा और रोज़मर्रा के उदाहरणों के साथ विवरण दिया गया है।

मुख्य विचार: "गुप्त रेसिपी" की समस्या

कल्पना कीजिए कि आप एक प्रसिद्ध शेफ (प्रोसेस ओनर) हैं जिसके पास एक परफेक्ट केक की गुप्त रेसिपी है। आप यह रेसिपी एक बेकरी (लॉग ओनर) को बेचना चाहते हैं ताकि वे इसे बना सकें। हालाँकि, बेकरी चिंतित है: यदि वे आपको अपने बेकिंग लॉग्स (उन्होंने वास्तव में क्या बनाया उसके रिकॉर्ड) भेजते हैं, तो आप उनकी गुप्त ग्राहक सूचियाँ या उनके अपने अनूठे बेकिंग तरीके जान सकते हैं।

दूसरी ओर, आप (शेफ) भी अपनी गुप्त रेसिपी उन्हें सादे टेक्स्ट (plain text) में नहीं भेजना चाहते, क्योंकि वे इसे चुरा सकते हैं या प्रतिस्पर्धियों के साथ साझा कर सकते हैं।

समस्या: बेकरी शेफ को यह कैसे साबित कर सकती है कि वे रेसिपी का सही ढंग से पालन कर रहे हैं, बिना शेफ को बेकरी के लॉग्स दिखाए, और बिना बेकरी को शेफ की गुप्त रेसिपी दिखाए?

समाधान: यह शोध पत्र एक "जादुई बॉक्स" (होमोमोर्फिक एन्क्रिप्शन) का प्रस्ताव देता है जो बेकरी और शेफ को बॉक्स के अंदर सब कुछ सुरक्षित रखते हुए रेसिपी की लॉग्स के साथ मिलान करने की अनुमति देता है।

मुख्य अवधारणाएँ

1. टोकन का खेल (टोकन-आधारित रिप्ले)

यह जाँचने के लिए कि क्या किसी प्रक्रिया का सही ढंग से पालन किया जा रहा है, यह पेपर टोकन-आधारित रिप्ले नामक विधि का उपयोग करता है।

उपमा (Analogy): कल्पना कीजिए कि आपके पास एक बोर्ड गेम है जहाँ आपके पास एक मानचित्र (प्रोसेस मॉडल) है और आपके द्वारा किए गए चालों की एक सूची (इवेंट लॉग) है।
यह कैसे काम करता है: आप शुरुआती वर्ग पर कुछ विशिष्ट "टोकन" (जैसे गेम के टुकड़े) के साथ शुरू करते हैं। जैसे-जैसे आप अपनी चालों की सूची को पढ़ते हैं, आप मानचित्र पर पथ के साथ टोकनों को आगे बढ़ाते हैं।
- यदि आप टोकनों को ठीक वैसे ही आगे बढ़ा सकते हैं जैसा मानचित्र कहता है, तो आप "कन्फॉर्मिंग" (सही कर रहे हैं) हैं।
- यदि आप अटक जाते हैं क्योंकि आपकी अगली चाल के लिए कोई रास्ता नहीं है, तो आपको चलते रहने के लिए बैंक से एक टोकन "उधार" लेना पड़ता है (एक गायब टोकन जोड़ना)।
- यदि आप खेल समाप्त करते हैं लेकिन बोर्ड पर अतिरिक्त टोकन बचे रह जाते हैं, तो वह एक "शेष टोकन" (एक गलती) है।
लक्ष्य: गिनें कि आपने कितने टोकन उधार लिए और कितने शेष बचे। यदि आपने शून्य उधार लिया और शून्य छोड़ा, तो आपने नियमों का पूरी तरह से पालन किया।

2. जादुई बॉक्स (होमोमोर्फिक एन्क्रिप्शन)

यह वह तकनीक है जो गोपनीयता को संभव बनाती है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि एक लॉक किया हुआ, पारदर्शी तिजोरी (safe) है। आप इसके अंदर कागज का एक टुकड़ा रख सकते हैं, इसे लॉक कर सकते हैं, और इसे किसी दूसरे को दे सकते हैं।
जादू: भले ही कागज लॉक के अंदर हो, उस व्यक्ति के पास तिजोरी होने के बावजूद वह उस पर गणित (जैसे जोड़ना या गुणा करना) कर सकता है, बिना कभी तिजोरी खोले या नंबर देखे।
परिणाम: जब वे अपना काम पूरा कर लेते हैं, तो वे तिजोरी वापस कर देते हैं। आप उसे खोलते हैं, और कागज पर अब गणित का परिणाम होता है, लेकिन गणित करने वाले व्यक्ति ने मूल नंबर कभी नहीं देखे।

इस पेपर की विधि कैसे काम करती है

लेखकों ने इन दोनों विचारों को मिला दिया। उन्होंने "टोकन के खेल" को गणितीय समस्याओं (मैट्रिक्स गुणन) में बदल दिया जिन्हें "जादुई बॉक्स" के अंदर हल किया जा सकता है।

दोनों पक्षों के बीच यह चरण-दर-चरण प्रक्रिया इस प्रकार है:

सेटअप:
- शेफ (मॉडल ओनर) मानचित्र (पेट्री नेट) तैयार करता है और इसे लॉक कर देता है। वे नियमों का एक सेट (मैट्रिक्स) भी तैयार करते हैं जो मानचित्र पर टोकन के मूवमेंट को दर्शाता है।
- बेकरी (लॉग ओनर) अपनी चालों की सूची (ट्रेस) लेती है और उसे जादुई बॉक्स के अंदर लॉक कर देती है। वे बॉक्स के अंदर "टोकन काउंट" को शून्य से शुरू करते हैं।
चेक (चरण-दर-चरण):
- बेकरी शेफ को लॉक किया हुआ "अगला मूव" भेजती है।
- शेफ उस लॉक किए हुए मूव को अपनी लॉक की हुई "रूलबुक" में डालता है।
- शेफ गणित करता है: जादुई बॉक्स का उपयोग करके, शेफ गणना करता है:
  - "क्या यह चाल संभव है?"
  - "यदि नहीं, तो हमें कितने टोकन उधार लेने की आवश्यकता है?"
  - "टोकन कहाँ समाप्त होते हैं?"
- शेफ लॉक किए हुए परिणाम बेकरी को वापस भेजता है।
परिणाम:
- बेकरी परिणामों को अनलॉक करती है। अब वे जान जाते हैं कि कितने टोकन उधार लिए गए और कितने शेष हैं, लेकिन उन्होंने शेफ का गुप्त मानचित्र कभी नहीं देखा।
- वे अपने लॉग के हर मूव के लिए यही प्रक्रिया दोहराते हैं।
- अंत में, वे यह देखने के लिए एक "फिटनेस स्कोर" (0 से 1 तक का ग्रेड) की गणना करते हैं कि उन्होंने कितनी अच्छी तरह से रेसिपी का पालन किया।

उन्होंने क्या पाया (मूल्यांकन)

लेखकों ने Zama's Concrete (एक सॉफ्टवेयर जो "जादुई बॉक्स" गणित को संभालता है) नामक टूल का उपयोग करके इस प्रणाली का एक प्रोटोटाइप बनाया।

परीक्षण: उन्होंने बेकिंग लॉग्स के एक नकली (सिंथेटिक) सेट और एक छोटे मानचित्र का उपयोग किया।
गति:
- जादुई बॉक्स के बिना (प्लेन टेक्स्ट में) यह करने में मिलीसेकंड लगे।
- जादुई बॉक्स के साथ (एन्क्रिप्टेड) यह करने में छोटे लॉग्स के लिए 8 से 37 सेकंड लगे।
- नोट: उन्होंने एक संस्करण भी आज़माया जहाँ वे टोकन को जादुई बॉक्स के अंदर ही गिनते थे, और इसमें 35 से 84 मिनट लगे। उन्होंने महसूस किया कि यह बहुत धीमा था क्योंकि गिनती करने का गणित एन्क्रिप्शन के लिए बहुत भारी था। इसलिए, उन्होंने इसे तेज़ बनाने के लिए गिनती को "बाहर" (बेकरी की तरफ) ले जाने का निर्णय लिया।
निष्कर्ष: हालांकि यह सामान्य तरीके से करने की तुलना में बहुत धीमा है, फिर भी यह वास्तविक जीवन में उपयोगी होने के लिए पर्याप्त तेज़ है (एक मिनट से कम) जब गोपनीयता महत्वपूर्ण हो।

सारांश

यह पेपर एक तरीका आविष्कार करता है जिससे यह जांचा जा सके कि किसी प्रक्रिया का सही ढंग से पालन किया जा रहा है या नहीं, बिना किसी को अपने रहस्य दिखाए। यह एक "टोकन गेम" को गणित में बदल देता है जिसे तब हल किया जा सकता है जब सब कुछ एक डिजिटल तिजोरी के अंदर लॉक हो। यह सामान्य तरीके से धीमा है, लेकिन यह दो अजनबियों को एक-दूसरे के डेटा को प्रकट किए बिना एक-दूसरे के काम पर भरोसा करने की अनुमति देता है।

यहाँ शोध पत्र "Secure Conformance Checking using Token-based Replay and Homomorphic Encryption" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

कन्फॉर्मेंस चेकिंग (Conformance checking), प्रोसेस माइनिंग का एक मुख्य कार्य है जो एक इवेंट लॉग (वास्तविक व्यवहार) की तुलना एक प्रोसेस मॉडल (अपेक्षित व्यवहार) से करता है ताकि विचलन (deviations) की पहचान की जा सके। पारंपरिक रूप से, इसके लिए मॉडल के स्वामी (model owner) और लॉग के स्वामी (log owner) दोनों को अपना डेटा एक बिजनेस एनालिस्ट के साथ प्लेनटेक्स्ट (plaintext) में साझा करना आवश्यक होता है।

हालाँकि, कस्टम मैन्युफैक्चरिंग या क्रॉस-ऑर्गनाइजेशनल सहयोग जैसे परिदृश्यों में, पक्षकार संवेदनशील जानकारी को सुरक्षित रखना चाहते हैं:

मॉडल के स्वामी (Model Owners) अपनी प्रोप्रायटरी प्रोसेस लॉजिक (जैसे उत्पादन वर्कफ़्लो) को गुप्त रखना चाहते हैं।
लॉग के स्वामी (Log Owners) मॉडल के स्वामी से संवेदनशील निष्पादन डेटा (जैसे ग्राहक ऑर्डर विवरण) को सुरक्षित रखना चाहते हैं।

चुनौती यह है कि एन्क्रिप्टेड डेटा पर कन्फॉर्मेंस चेकिंग (विशेष रूप से टोकन-आधारित रिप्ले) को इस तरह से करना है कि मॉडल या इवेंट लॉग में से किसी का भी विवरण दूसरे पक्ष को प्रकट न हो, जबकि फिटनेस मेट्रिक्स (विचलन) की गणना करने की क्षमता बनी रहे।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक होमोमोर्फिक एन्क्रिप्शन (HE) का उपयोग करते हुए और लीनियर अलजेब्रा (मैट्रिक्स और वेक्टर ऑपरेशंस) का उपयोग करके टोकन-आधारित रिप्ले एल्गोरिदम के पुनर्गठन (reformulation) के माध्यम से एक सुरक्षित फ्रेमवर्क का प्रस्ताव करते हैं।

मुख्य अवधारणाएं (Core Concepts)

टोकन-आधारित रिप्ले (Token-Based Replay): एक एल्गोरिदम जो पेट्री नेट (Petri net) पर इवेंट लॉग ट्रेसेस को "रिप्ले" करता है। यह उपभोग किए गए (consumed), उत्पादित (produced), गायब (missing) और शेष (remaining) टोकन को ट्रैक करता है।
होमोमोर्फिक एन्क्रिप्शन (HE): विशेष रूप से, लेखक Zama's Concrete (जो TFHE पर आधारित है) का उपयोग करते हैं, जो एन्क्रिप्टेड पूर्णांकों (integers) पर अंकगणितीय संचालन (जोड़, घटाव, गुणा) और तुलना (min/max) का समर्थन करता है बिना डिक्रिप्शन के।
क्लाइंट-सर्वर आर्किटेक्चर (Client-Server Architecture):
- क्लाइंट (लॉग का स्वामी): इवेंट लॉग रखता है। वर्तमान मार्किंग (marking) और अगले इवेंट (ट्रांजिशन) को एन्क्रिप्ट करता है। इन्हें सर्वर को भेजता है।
- सर्वर (मॉडल का स्वामी): पेट्री नेट मॉडल रखता है। प्रीकंप्यूटेड मैट्रिसेस का उपयोग करके एन्क्रिप्टेड डेटा पर रिप्ले स्टेप करता है। नया एन्क्रिप्टेड मार्किंग और लोकल काउंटर्स वापस करता है।
- गोपनीयता (Privacy): सर्वर कभी भी प्लेनटेक्स्ट लॉग नहीं देखता; क्लाइंट रिप्ले से प्राप्त होने वाली जानकारी के अलावा मॉडल संरचना को नहीं देख पाता है।

एल्गोरिद्मिक पुनर्गठन (Algorithmic Reformulation)

HE के अनुकूल बनाने के लिए, लेखकों ने पारंपरिक "टोकन गेम" (जो कंडीशनल लॉजिक और ब्रांचिंग पर निर्भर करता है) को मैट्रिक्स मल्टीप्लिकेशन और वेक्टर ऑपरेशंस में बदल दिया है।

प्रीकंप्यूटेशन (सर्वर साइड):
- पेट्री नेट को एक इंसिडेंस मैट्रिक्स ( $N$ ) में परिवर्तित किया जाता है।
- एक डायनेमिक्स मैट्रिक्स ( $E$ ) बनाया जाता है जो सभी संभावित "एनेबलमेंट्स" (वर्तमान मार्किंग और ट्रांजिशन के संयोजन) को दर्शाता है।
- एक फायरिंग सीक्वेंसेस मैट्रिक्स ( $S$ ) वैध फायरिंग सीक्वेंस के लिए पारिख वेक्टर्स (Parikh vectors) को स्टोर करता है।
- एक प्रिसेट मैट्रिक्स ( $P$ ) प्रत्येक ट्रांजिशन के इनपुट प्लेसेस को स्टोर करता है।
रिप्ले स्टेप (सुरक्षित निष्पादन):
- एनेबलमेंट चेक: क्लाइंट वर्तमान एन्क्रिप्टेड मार्किंग ( $M$ ) और अगला एन्क्रिप्टेड इवेंट ( $t$ ) भेजता है। सर्वर मैट्रिक्स मल्टीप्लिकेशन का उपयोग करके एक **सेलेक्टर वेक्टर ($sel $)** की गणना करता है:$ E \cdot [M, t]^T$। यह निर्धारित करता है कि ट्रांजिशन सीधे सक्षम (enabled) है या इसके लिए साइलेंट ट्रांजिशन्स ( $\tau$ ) की आवश्यकता है।
- गायब टोकन को संभालना: यदि ट्रांजिशन सक्षम नहीं है, तो एल्गोरिदम प्रिसेट मैट्रिक्स $P$ से आवश्यक "मिसिंग टोकन्स" ( $\pi$ ) की गणना करता है।
- एकीकृत मार्किंग अपडेट (Unified Marking Update): HE में सूचना लीक होने से बचने के लिए (conditional if/else स्टेटमेंट्स से), लेखक "फिटिंग" और "अनफिटिंग" लॉजिक को एक एकल समीकरण में जोड़ देते हैं:
  $M' = (M + N \cdot \sigma^T) \cdot \text{sum}(sel) + (M + \pi^T + N \cdot t^T) \cdot (1 - \text{sum}(sel))$
  यहाँ, $\text{sum}(sel)$ एक बाइनरी स्विच (1 यदि सक्षम है, 0 यदि नहीं) के रूप में कार्य करता है।
- काउंटर गणना: एल्गोरिदम वेक्टर अंतर और कंडीशनल मास्किंग (स्विच के आधार पर 0 या 1 से गुणा करके) का उपयोग करके मिसिंग ( $m$ ), कंज्यूम्ड ( $c$ ), प्रोड्यूस्ड ( $p$ ), और रिमेंनिंग ( $r$ ) टोकन की गणना करता है।
फिटनेस गणना (Fitness Calculation):
- सभी ट्रेसेस को प्रोसेस करने के बाद, क्लाइंट फाइनल काउंटर्स को डिक्रिप्ट करता है और मानक फॉर्मूला का उपयोग करके फिटनेस स्कोर की गणना करता है:
  $f = \frac{1}{2}\left(1 - \frac{m}{c}\right) + \frac{1}{2}\left(1 - \frac{r}{p}\right)$

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

प्रथम सुरक्षित टोकन-आधारित रिप्ले: यह होमोर्फिक एन्क्रिप्शन को विशेष रूप से टोकन-आधारित रिप्ले कन्फॉर्मेंस चेकिंग एल्गोरिदम पर लागू करने वाला पहला कार्य है।
मैट्रिक्स-आधारित पुनर्गठन: लेखकों ने सफलतापूर्वक गैर-रेखीय (non-linear), स्टेट-डिपेंडेंट टोकन गेम को लीनियर अलजेब्रिक फॉर्मूलेशन में बदल दिया जो होमोर्फिक एन्क्रिप्शन के अनुकूल है, जिससे ब्रांचिंग लॉजिक की आवश्यकता समाप्त हो गई।
सीधे तौर पर गोपनीयता बनाए रखते हुए प्रक्रिया सत्यापन को सक्षम बनाता है।
गोपनीयता-संरक्षित आर्किटेक्चर: एक क्लाइंट-सर्वर प्रोटोकॉल जहाँ मॉडल का स्वामी ट्रांस कंटेंट जाने बिना एन्क्रिप्टेड ट्रेसेस को प्रोसेस करता है, और लॉग का स्वामी रिप्ले परिणामों के अलावा मॉडल संरचना के बारे में कुछ नहीं जानता।
कार्यान्वयन और मूल्यांकन: Zama के Concrete फ्रेमवर्क का उपयोग करके पायथन में कार्यान्वित एक वर्किंग प्रोटोटाइप, जो इस दृष्टिकोण की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करता है।

4. परिणाम (Results)

लेखकों ने एक सिंथेटिक इवेंट लॉग और एक पेट्री नेट मॉडल (पुस्तक Process Mining और PM4Py ट्यूटोरियल से) का उपयोग करके प्रोटोटाइप का मूल्यांकन किया।

प्रदर्शन (क्लियर बनाम एन्क्रिप्टेड):
- क्लियर डेटा (CLR): निष्पादन समय मिलीसेकंड में था।
- एन्क्रिप्टेड डेटा (SEC): टोकन काउंटर गणना के बिना निष्पादन समय 7.8 से 15.8 सेकंड के बीच था।
- काउंटर्स के साथ एन्क्रिप्टेड (SEC+): निष्पादन समय 19.3 से 37.4 सेकंड के बीच था।
ऑप्टिमाइजेशन अंतर्दृष्टि:
- एक प्रारंभिक संस्करण जिसने सर्वर-साइड फंक्शन के अंदर काउंटर्स ( $p, c, m, r$ ) की गणना की थी, उसने 35 से 84 मिनट का समय लिया।
- लेखकों ने पाया कि यह धीमापन HE कंपाइलर (Concrete) द्वारा रिटर्न वैल्यू के लिए 16-बिट इंटीजर को डिफॉल्ट करने के कारण हुआ था, जिससे भारी ओवरहेड हुआ। काउंटर एक्युमुलेशन को क्लाइंट साइड पर ले जाकर (मध्यवर्ती परिणामों को डिक्रिप्ट करके), उन्होंने समय को 40 सेकंड से कम कर दिया।
स्केलेबिलिटी: विधि ने विभिन्न लंबाई के ट्रेसेस (4 से 13 इवेंट्स) और फिटिंग एवं नॉन-फिटिंग ट्रेसेस को सफलतापूर्वक संभाला।

5. महत्व और भविष्य का कार्य (Significance and Future Work)

महत्व: यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि सुरक्षित प्रोसेस माइनिंग व्यावहारिक रूप से संभव है। यह संगठनों को अपने व्यापारिक रहस्यों या रोगी की गोपनीयता से समझौता किए बिना प्रक्रिया अनुपालन (जैसे आपूर्ति श्रृंखला या स्वास्थ्य सेवा में) को सत्यापित करने में सक्षम बनाता है। ब्रांचिंग लॉजिक से मैट्रिक्स ऑपरेशंस की ओर बदलाव होमोर्फिक एन्क्रिप्शन को जटिल एल्गोरिद्मिक कार्यों पर लागू करने के लिए एक महत्वपूर्ण सैद्धांतिक योगदान है।
सीमाएँ:
- प्रदर्शन: हालांकि यह एक मिनट के भीतर है, एन्क्रिप्टेड निष्पादन प्लेनटेक्स्ट की तुलना में काफी धीमा (कई गुना अधिक) है।
- टोकन फ्लडिंग (Token Flooding): वर्तमान कार्यान्वयन एन्क्रिप्टेड डोमेन में "टोकन फ्लडिंग" (जहाँ प्लेसेस में >1 टोकन जमा हो जाते हैं) को पूरी तरह से संबोधित नहीं करता है।
- सटीकता (Precision): HE फ्रेमवर्क में इंटीजर प्रिसिजन (integer precision) पर निर्भरता ऑपरेशंस की जटिलता को सीमित करती है।
भविष्य की दिशाएँ:
- वास्तविक जीवन के इवेंट लॉग के साथ परीक्षण।
- एन्क्रिप्टेड डोमेन में टोकन फ्लडिंग को संबोधित करना।
- प्रिसिजन और परफॉरमेंस के बीच संतुलन को अनुकूलित करने के लिए अन्य HE प्लेटफॉर्म्स का पता लगाना।
- संचार लागत का विश्लेषण करने के लिए पूर्ण क्लाइंट-सर्वर नेटवर्क संस्करण को लागू करना।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र सुरक्षित प्रोसेस माइनिंग के लिए एक मजबूत प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट प्रदान करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि होमोर्फिक एन्क्रिप्शन को बीजगणितीय पुनर्गठन (algebraic reformulation) के माध्यम से जटिल एल्गोरिद्मिक कार्यों जैसे टोकन-आधारित रिप्ले के लिए प्रभावी ढंग से अनुकूलित किया जा सकता है।