问题

隐私计算/多方安全计算/联邦学习问题?

回答
咱们来聊聊隐私计算、多方安全计算和联邦学习这几个听起来有点“硬核”,但实际上跟咱们生活息息相关的话题。它们都是为了解决一个核心问题:在不泄露原始数据的前提下,如何让数据发挥价值。

想象一下,你的银行账户、你的病历、你浏览网页的习惯,这些都是非常私密的信息。但如果这些信息能够被整合起来,分析出新的趋势,比如预测下一次疫情的爆发点,或者发现某种疾病的早期信号,那将是多么了不起的事情。问题是,没人愿意把自己的隐私数据直接交给别人去分析,对吧?

这就是隐私计算、多方安全计算和联邦学习要解决的“两难”。

隐私计算:数据安全使用的“保护伞”

首先,我们得明确“隐私计算”这个大概念。你可以把它理解成一个总的指导原则和技术体系。它不是某一项具体的技术,而是一系列的技术和方法,目标就是让数据在“可用”和“可信”之间找到平衡。

打个比方,隐私计算就像是一个保险箱。你把贵重物品(数据)放进保险箱,别人看不到里面的东西,但你可以授权保险箱的管理员(被授权的计算方)在你授权的范围内“检查”一下,或者让他们根据箱子里的信息做些事情,但箱子里的东西本质上还是安全的,不直接暴露。

隐私计算涵盖的技术非常广,包括但不限于:

多方安全计算(MPC):我们下面会详谈。
联邦学习(FL):后面也会细说。
同态加密(HE):这是一种非常神奇的技术,它允许你在加密后的数据上进行计算,并且计算结果解密后与在原始数据上进行计算的结果完全一样。想象一下,你可以直接在银行的加密账本上计算平均工资,而不需要解密账本。这就像你不用打开一个包裹,就能知道里面物品的总重量一样。
可信执行环境(TEE):这就像是一个独立的、受硬件保护的“小房间”,数据被放到这个房间里进行计算。即使是主机系统(甚至管理员),也无法窥探到房间内部发生的事情。
差分隐私(DP):这是一种统计学方法,通过在数据分析结果中加入一些“噪音”,来确保单个个体的信息无法被识别出来,即使攻击者知道数据集中除了你之外的所有信息。就像你在一个大群组的平均值报告里,加入一点点不易察觉的误差,让你的个人贡献(或缺失)无法被追踪。

所以,隐私计算是一个总的战略,而MPC和FL是实现这个战略的重要手段。

多方安全计算(MPC):“合而不分”的数据协作

接下来,我们来聊聊多方安全计算(MPC)。这是隐私计算体系里一个非常核心的“基石”技术。

MPC的核心思想是:多个参与方各自拥有自己的私密数据,他们希望在不共享原始数据的情况下,共同计算一个函数,并且最终只有这个函数的计算结果被输出,每个参与方仍然不知道其他人的原始数据。

听起来有点绕?咱们用一个经典的例子来说明:百万富翁问题。

场景: 两个百万富翁,Alice和Bob,他们都想知道谁更有钱,但他们不想互相透露自己有多少钱,因为这可能会引起不必要的攀比或者敏感。

MPC如何解决:

1. 加密和秘密分享:Alice和Bob各自将自己的财富金额用一种特殊的方式“加密”并“分享”出去。这里的“分享”不是简单的复制,而是将一个秘密值拆分成多个“份额”,分发给不同的“可信第三方”或者通过数学方法进行转换。
2. 协同计算:MPC协议会定义一系列的计算步骤。这些步骤可以在加密或秘密分享的数据上进行,比如比较大小、加法、乘法等等。重要的是,每一步计算都不会暴露原始数据,只会在份额之间进行操作。
3. 结果揭示:当所有计算步骤完成后,MPC协议会以一种安全的方式,让Alice和Bob(或者其中一方,根据协议设计)获得最终的比较结果,但无论如何,他们都无法得知对方的真实财富数字。

MPC的关键点:

参与方越多,协议越复杂:MPC的安全性通常依赖于一种“容错”机制,比如假设最多有一个参与方是恶意的。参与方越多,需要设计的“可信第三方”或密钥分享的复杂度就越高。
计算开销大:相比于在明文数据上直接计算,MPC的计算过程涉及大量的加密、解密、通信和复杂的数学运算,所以效率相对较低。
信任模型:早期的MPC需要引入“可信第三方”来协助计算,但这引入了新的信任问题。现代MPC技术在努力实现“无第三方”或者“少量第三方”的场景,进一步增强了安全性。

MPC的应用场景:

联合审计/风控:多家银行可以共同计算某个风险指标,但又不暴露彼此的客户名单或交易数据。
安全拍卖:参与者提交加密的竞拍价格,系统在不暴露具体价格的情况下,找出最高出价者。
隐私保护的统计分析:多个机构可以联合分析某个社会现象的统计数据,而无需共享各自的敏感数据集。

联邦学习(FL):“分布式学习”,数据不出本地

现在我们来看看联邦学习(FL)。联邦学习可以说是MPC的一个更具体、更贴近机器学习应用的“实践派”。

联邦学习的核心思想是:在不移动原始数据的情况下,让模型在本地数据上进行训练,然后只将模型更新(比如参数的梯度)汇总到中央服务器,由服务器进行聚合,形成一个全局模型。

你可以把联邦学习想象成一个“远程教学”。

场景: 很多手机用户(参与方)都有自己的输入法历史记录,这些记录可以用来训练一个更智能、更懂用户的输入法模型。但是,谁愿意把自己的输入习惯、聊天内容都上传到云端呢?

FL如何解决:

1. 本地模型训练:中央服务器(比如输入法公司)会提供一个基础的模型。然后,这个模型会被分发到各个用户的手机上(或者其他数据存储端)。
2. 本地更新:模型在用户的本地数据上进行训练,产生一些“模型更新”,比如梯度的方向和大小。这些更新不是原始数据,而是模型参数调整的“方向”。
3. 模型聚合:手机将这些本地的“模型更新”发送回中央服务器。服务器将所有手机发来的更新进行聚合(比如加权平均),然后用聚合后的更新来改进全局模型。
4. 迭代优化:这个过程会不断重复。新一轮的全局模型会再次分发到手机上,进行新的本地训练,再进行聚合,直到模型效果达到满意。

FL的关键点:

数据不出本地:这是FL最核心的优势。原始数据始终保留在用户手中,大大降低了隐私泄露的风险。
模型更新的安全性:虽然模型更新本身不是原始数据,但如果攻击者足够强大,仍然有可能从模型更新中推断出一些关于原始数据的信息(称为“模型逆向攻击”)。因此,FL常常会与MPC、同态加密或差分隐私等技术结合,进一步增强安全性。
训练效率:相比于将所有数据集中起来训练,FL的分发和聚合过程会带来一定的通信开销和延迟。
数据异构性:不同用户的数据量、分布以及质量可能差异很大(称为“NonIID”数据),这对模型的训练和聚合提出了挑战。

FL的应用场景:

输入法联想/预测
手机厂商的用户行为分析
医疗领域:多家医院可以在不共享患者数据的情况下,联合训练疾病诊断模型。
金融领域:银行之间可以合作训练欺诈检测模型。
物联网:智能设备可以协同训练模型,但传感器数据不出本地。

它们之间的关系?

可以这样理解:

隐私计算 是一个总的目标和一系列的方法论,它就像一个“安全数据处理的哲学”。
多方安全计算(MPC) 是实现隐私计算目标的一种底层数学和密码学技术,它专注于在多个参与方之间安全地协同计算,而不需要信任任何一方。
联邦学习(FL) 是隐私计算在机器学习领域的一种具体实践,它侧重于分布式地训练模型,核心是将模型训练过程“移到数据所在的地方”,而不是把数据移动到模型训练的地方。

举个更生动的例子:

想象你和几个朋友(MPC参与方)都要计算一个共同的账单,但你们都不想告诉彼此自己的具体消费情况。

MPC 就像你们发明了一种“秘密算账法”,大家轮流把自己的消费金额写在一个纸条上,然后用一种特殊的折叠和传递方式(加密和秘密分享),让所有人都能参与到“加总”和“均分”的过程中,最后只知道每个人需要付多少钱,但没人知道别人具体花了多少。
FL 就像你们不是直接算个人消费,而是要学习一个“省钱秘籍”。每个人都用自己的消费记录去“练习”这个秘籍,然后告诉大家“我通过练习,我这个月的消费减少了X%”这样的“经验总结”。大家把这些“经验总结”汇总起来,形成一个更好的“省钱秘籍”,再发给大家去练习。

总结一下:

隐私计算、多方安全计算和联邦学习这三个概念,都是为了让我们在日益增长的数据时代,既能享受数据带来的便利和价值,又能坚守个人和机构的隐私底线。它们之间相互补充,共同构筑了一个更加安全、可信的数据未来。随着技术的不断发展,我们会有更多创新的方式来解锁数据的潜力,同时守护好我们的“数字隐私”。

网友意见

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利益相关:楼主提问引用了我的论文:)

里面RSA PSI这个问题是不存在的,因为r每次都会变,发送者会记下每次的r,回去再消除。

不过其他不少问题确实是存在的,国内隐私计算现在还处于一个野蛮生长的阶段,对安全性没有明确的要求,而且因为隐私计算都是内部应用,没有公网攻击面,所以安全性差一些也不会有后果。

不客气的讲,目前国内隐私计算业界遇到的需求都可以野路子解决,而且没有处罚措施,所以并不存在真正需要让密码学家发挥的地方。

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不是专家,只是菜狗。

隐私计算距离实用还有很大的gap,希望有志做相关研究的同道可以沉下心来。大浪淘沙,有没有价值历史会给出答案。

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