encryption.md

# 模型加密部署

PaddleX提供一个轻量级的模型加密部署方案，通过PaddleX内置的模型加密工具对推理模型进行加密，预测部署SDK支持直接加载密文模型并完成推理，提升AI模型部署的安全性。

**目前加密方案已支持Windows，Linux系统**

## 1. 方案简介

### 1.1 简介

（1）加密算法的选择和支持的库

一般使用OpenSSL库来支持数据的加解密，OpenSSL提供了大量的加解密算法，包括对称加密算法（AES等）和非对称加密算法（RSA等）。

两种算法使用的场景不同，非对称加密算法一般应用于数字签名和密钥协商的场景下，而对称加密算法一般应用于纯数据加密场景，性能更优。在对模型的加密过程中使用对称加密算法。

以下对模型加密场景实现的说明中以开发一个C/C++库为基础，采用AES对称加密算法，为了加解密前后能够快速判断解密是否成功，使用AES-GCM加解密模式，在密钥的安全性上使用长度为256位的密钥数据。

（2）实现模型保护的一般步骤：

![](../images/encryption_process.png)

下面是对提供的C/C++加解密库内部实现的中文描述，参考以下步骤可以实现一套加解密库来适应自己的场景并通过内存数据加载到Paddle Inference预测库中

> 1）考虑到加密的模型文件解密后需要从内存加载数据，使用conbine的模式生成模型文件和参数文件。
>
> 2）项目集成OpenSSL，使用静态库的形式。
>
> 3）实现AES算法接口，借助OpenSSL提供的EVP接口，在EVP接口中指定算法类型，算法使用对称加解密算法中的AES，加解密模式使用AES-GCM， 密钥长度为256位，AES-GCM的实现可以参考官方提供的例子自己进行封装接口：[AES-GCM实现](https://wiki.openssl.org/index.php/EVP_Authenticated_Encryption_and_Decryption)。
>
> 4）利用OpenSSL库实现SHA256摘要算法，这部分下面有用（可选）。关于SHA256的hash计算可以参考OpenSSL提供的example：[OpenSSL 信息摘要例子](https://wiki.openssl.org/index.php/EVP_Message_Digests)。
>
> 5）在模型加密环节直接对model文件和params文件的数据内容进行加密后保存到新的文件，为了新的文件能够被区分和可迭代，除了加密后的数据外还添加了头部信息，比如为了判断该文件类型使用固定的魔数作为文件的开头；为了便于后面需求迭代写入版本号以示区别；为了能够在解密时判断是否采用了相同的密钥将加密时的密钥进行SHA256计算后存储；这三部分构成了目前加密后文件的头部信息。加密后的文件包含头部信息 + 密文信息。
>
> 6）在模型解密环节根据加密后的文件读取相关的加密数据到内存中，对内存数据使用AES算法进行解密，注意解密时需要采用与加密时一致的加密算法和加密的模式，以及密钥的数据和长度，否则会导致解密后数据错误。
>
> 7）集成模型预测的C/C++库，在具体使用预测时一般涉及paddle::AnalysisConfig和paddle:Predictor，为了能够从内存数据中直接load解密后的模型明文数据（避免模型解密后创建临时文件），这里需要将AnalysisConfig的模型加载函数从SetModel替换为SetModelBuffer来实现从内存中加载模型数据。

需要注意的是，在本方案中，密钥集成在上层预测服务的代码中。故模型的安全强度等同于代码抵御逆向调试的强度。为了保护密钥和模型的安全，开发者还需对自己的应用进行加固保护。常见的应用加固手段有：代码混淆，二进制文件加壳 等等，亦或将加密机制更改为AES白盒加密技术来保护密钥。这类技术领域内有大量商业和开源产品可供选择，此处不一一赘述。

### 1.2 加密工具

[Linux版本 PaddleX模型加密工具](https://bj.bcebos.com/paddlex/tools/paddlex-encryption.zip)，编译脚本会自动下载该版本加密工具，您也可以选择手动下载。

[Windows版本 PaddleX模型加密工具](https://bj.bcebos.com/paddlex/tools/win/paddlex-encryption.zip)，该版本加密工具需手动下载，如果您在使用Visual Studio 2019编译C++预测代码的过程中已经下载过该工具，此处可不必重复下载。

Linux加密工具包含内容为：
```
paddlex-encryption
├── include # 头文件：paddle_model_decrypt.h（解密）和paddle_model_encrypt.h（加密）
|
├── lib # libpmodel-encrypt.so和libpmodel-decrypt.so动态库
|
└── tool # paddlex_encrypt_tool
```

Windows加密工具包含内容为：
```
paddlex-encryption
├── include # 头文件：paddle_model_decrypt.h（解密）和paddle_model_encrypt.h（加密）
|
├── lib # pmodel-encrypt.dll和pmodel-decrypt.dll动态库 pmodel-encrypt.lib和pmodel-encrypt.lib静态库
|
└── tool # paddlex_encrypt_tool.exe 模型加密工具
```
### 1.3 加密PaddleX模型

对模型完成加密后，加密工具会产生随机密钥信息(用于AES加解密使用），需要在后续加密部署时传入该密钥来用于解密。
> 密钥由32字节key + 16字节iv组成， 注意这里产生的key是经过base64编码后的，这样可以扩充key的选取范围

Linux平台:
```
# 假设模型在/root/projects下
./paddlex-encryption/tool/paddlex_encrypt_tool -model_dir /root/projects/paddlex_inference_model -save_dir /root/projects/paddlex_encrypted_model
```

Windows平台:
```
# 假设模型在D:/projects下
.\paddlex-encryption\tool\paddlex_encrypt_tool.exe -model_dir D:\projects\paddlex_inference_model -save_dir D:\projects\paddlex_encrypted_model
```

`-model_dir`用于指定inference模型路径（参考[导出inference模型](../export_model.md)将模型导出为inference格式模型），可使用[导出小度熊识别模型](../export_model.md)中导出的`inference_model`。加密完成后，加密过的模型会保存至指定的`-save_dir`下，包含`__model__.encrypted`、`__params__.encrypted`和`model.yml`三个文件，同时生成密钥信息，命令输出如下图所示，密钥为`kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=`

![](../images/encrypt.png)

## 2. PaddleX C++加密部署

### 2.1 Linux平台使用
参考[Linux平台编译指南](cpp/linux.md)编译C++部署代码。编译成功后，预测demo的可执行程序分别为`build/demo/detector`，`build/demo/classifier`，`build/demo/segmenter`，用户可根据自己的模型类型选择，其主要命令参数说明如下：

|  参数   | 说明  |
|  ----  | ----  |
| model_dir  | 导出的预测模型所在路径 |
| image  | 要预测的图片文件路径 |
| image_list  | 按行存储图片路径的.txt文件 |
| use_gpu  | 是否使用 GPU 预测, 支持值为0或1(默认值为0) |
| use_trt  | 是否使用 TensorRT 预测, 支持值为0或1(默认值为0) |
| gpu_id  | GPU 设备ID, 默认值为0 |
| save_dir | 保存可视化结果的路径, 默认值为"output"，classifier无该参数 |
| key | 加密过程中产生的密钥信息，默认值为""表示加载的是未加密的模型 |
| batch_size | 预测的批量大小，默认为1 |
| thread_num | 预测的线程数，默认为cpu处理器个数 |
| use_ir_optim | 是否使用图优化策略，支持值为0或1（默认值为1，图像分割默认值为0）|


### 样例

可使用[导出小度熊识别模型](../export_model.md)中的测试图片进行预测。

#### 样例一：

不使用`GPU`测试图片 `/root/projects/images/xiaoduxiong.jpeg`  

```shell
./build/demo/detector --model_dir=/root/projects/paddlex_encrypted_model --image=/root/projects/xiaoduxiong.jpeg --save_dir=output --key=kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=
```
`--key`传入加密工具输出的密钥，例如`kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=`, 图片文件`可视化预测结果`会保存在`save_dir`参数设置的目录下。


#### 样例二:

使用`GPU`预测多个图片`/root/projects/image_list.txt`，image_list.txt内容的格式如下：
```
/root/projects/images/xiaoduxiong1.jpeg
/root/projects/xiaoduxiong2.jpeg
...
/root/projects/xiaoduxiongn.jpeg
```
```shell
./build/demo/detector --model_dir=/root/projects/models/paddlex_encrypted_model --image_list=/root/projects/images_list.txt --use_gpu=1 --save_dir=output --key=kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=
```
`--key`传入加密工具输出的密钥，例如`kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=`, 图片文件`可视化预测结果`会保存在`save_dir`参数设置的目录下。

### 2.2 Windows平台使用
参考[Windows平台编译指南](cpp/windows.md)。需自行下载Windows版PaddleX加密工具压缩包，解压，在编译指南的编译流程基础上，在CMake设置中勾选WITH_ENCRYPTION，ENCRYPTION_DIR填写为加密工具包解压后的目录，再进行编译。参数与Linux版本预测部署一致。预测demo的入口程序为paddlex_inference\detector.exe，paddlex_inference\classifier.exe，paddlex_inference\segmenter.exe。

### 样例

可使用[导出小度熊识别模型](../export_model.md)中的测试图片进行预测。

#### 样例一：

不使用`GPU`测试单张图片，例如图片为`D:\images\xiaoduxiong.jpeg`，加密后的模型目录为`D:\projects\paddlex_encrypted_model`

```shell
.\paddlex_inference\detector.exe --model_dir=D:\projects\paddlex_encrypted_model --image=D:\images\xiaoduxiong.jpeg --save_dir=output --key=kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=
```
`--key`传入加密工具输出的密钥，例如`kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=`, 图片文件`可视化预测结果`会保存在`save_dir`参数设置的目录下。


#### 样例二:

使用`GPU`预测图片列表，例如图片列表为`D:\projects\image_list.txt`，`image_list.txt`的内容如下：
```
D:\projects\images\xiaoduxiong1.jpeg
D:\projects\images\xiaoduxiong2.jpeg
...
D:\projects\images\xiaoduxiongn.jpeg
```

加密后的模型目录例如为`D:\projects\paddlex_encrypted_model`

```
.\paddlex_inference\detector.exe --model_dir=D:\projects\paddlex_encrypted_model --image_list=D:\projects\images_list.txt --use_gpu=1 --save_dir=output --key=kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=
```
`--key`传入加密工具输出的密钥，例如`kLAl1qOs5uRbFt0/RrIDTZW2+tOf5bzvUIaHGF8lJ1c=`, 图片文件`可视化预测结果`会保存在`save_dir`参数设置的目录下。