隐私保护的高效安全三方稀疏数据计算

作     者：周丹钰 阎允雪 张建栋 蒋瀚 徐秋亮 ZHOU Dan-Yu;YAN Yun-Xue;ZHANG Jian-Dong;JIANG Han;XU Qiu-Liang

作者机构：山东大学软件学院济南250101 山东省软件工程重点实验室(山东大学)济南250101 

基　　金：国家自然科学基金项目(62172258) 山东省软件工程重点实验室科技创新基地专项(11480004042015) 山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2022TSGC1086)资助 

出 版 物：《计算机学报》 (Chinese Journal of Computers)

年 卷 期：2024年第47卷第5期

页      码：1179-1193页

摘      要：如今,大数据与人工智能技术发展迅猛,基于海量数据进行精确训练的机器学习模型及其应用推动了生产力的提升,但同时也带来了严重的数据安全与隐私泄露问题,这一问题促进了隐私保护机器学习的研究.在实际应用中,机器学习算法常常在稀疏数据集上进行运算,明文下的模型训练存在高效计算方法,可以充分利用数据稀疏性,提高计算效率.为了保护数据隐私而引入的密码技术,将稀疏数据转化为稠密数据,从而使高效的稀疏数据运算变得复杂.现有的对于安全稀疏数据计算的相关研究都涉及大量公钥密码操作,计算效率不高,并且主要考虑两方的场景.实际上,稀疏数据的计算可简化为非零位置上相应元素的计算.为了充分利用这一特性以提高效率,本文将稀疏向量乘法问题分为了过滤和乘法计算两个模块来处理,并在三方联合计算的场景下进行协议设计.首先,基于三方加法复制秘密分享以及伪随机置换技术构建过滤协议,该协议能够实现对向量元素的过滤,筛选出向量中非零位置对应的元素.随后,在过滤协议的基础上引入加法同态加密技术,对非零元素进行安全乘法计算,实现一个隐私保护的安全三方稀疏向量乘法协议,并在半诚实敌手模型下,使用理想现实模拟范式证明了协议的安全性.最后,将隐私保护稀疏向量乘法协议应用到逻辑回归模型中,验证了其可用性.通过实验以及效率分析表明,相对于隐私保护稀疏矩阵乘法协议CAESAR,本文所提出的协议将主要计算开销由O(n)的密文运算次数,降低为O(m)次,其中n是向量的维数,m是向量中非零元素数量;在小批量的逻辑回归模型训练中,文本协议与通用安全多方计算框架ABY3相比有10%~30%的效率提升.

主 题 词：安全多方计算 隐私保护机器学习 秘密分享 稀疏向量乘法 隐私计算 

学科分类：08[工学] 0839[0839] 081201[081201] 0812[工学-测绘类] 

核心收录：

D　O　I：10.11897/SP.J.1016.2024.01179

馆 藏 号：203126116...