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基于安全两方计算的高效神经网络推理协议

信息网络安全 2023年第7期23卷 22-30页

作者：许春根薛少康徐磊张盼南京理工大学数学与统计学院南京210094 南京理工大学计算机科学与工程学院南京210094 南京理工大学网络空间安全学院南京210094

近年来机器学习即服务(MLaaS)发展迅速,但在实际应用中,其性能存在很大瓶颈,且面临用户数据和企业神经网络模型参数泄露的风险。目前已有一些具有隐私保护功能的机器学习方案,但存在计算效率低和通信开销大的问题。针对上述问题,文章提... 详细信息

近年来机器学习即服务(MLaaS)发展迅速,但在实际应用中,其性能存在很大瓶颈,且面临用户数据和企业神经网络模型参数泄露的风险。目前已有一些具有隐私保护功能的机器学习方案,但存在计算效率低和通信开销大的问题。针对上述问题,文章提出一种基于安全两方计算的高效神经网络推理协议,其中线性层使用秘密共享技术保护输入数据的隐私,非线性层使用低通信开销的基于不经意传输的比较函数计算激活函数。实验结果表明,与现有方案相比,该协议在两个基准数据集上的效率至少提高了23%,通信开销至少减小51%。

关键词：机器学习安全两方计算神经网络秘密共享不经意传输

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针对模式匹配问题的安全两方计算协议研究

针对模式匹配问题的安全两方计算协议研究

作者：徐琳山东师范大学

学位级别：硕士

随着云计算、大数据等技术的发展,分布式计算场景下的多源数据充分发挥着它的社会和经济价值。在最大程度地发掘多源数据价值的同时,也不可避免地要考虑其隐私泄露问题。在保护数据隐私性方面,安全多方计算(Secure Multi-Party Computat... 详细信息

随着云计算、大数据等技术的发展,分布式计算场景下的多源数据充分发挥着它的社会和经济价值。在最大程度地发掘多源数据价值的同时,也不可避免地要考虑其隐私泄露问题。在保护数据隐私性方面,安全多方计算(Secure Multi-Party Computation,SMPC)扮演着不可替代的角色,其本质上是从协议层面考虑隐私保护问题。安全两方计算是安全多方计算的一种特殊情况,其目的是在保证双方的隐私数据不被泄露的情况下联合执行分布式计算任务。安全模式匹配(Secure Pattern Matching,SPM)协议涉及两个参与方,用户输入待查询的模式字符串,数据库方输入长文本字符串。安全模式匹配协议允许用户获得其模式字符串在文本字符串中出现的位置,同时保证除匹配子串外的文本字符串的其他信息和模式字符串的信息不被泄露。本文主要研究安全模式匹配问题,通过安全两方计算模型对其进行刻画,主要研究内容如下:1.安全通配符模式匹配(Secure Wildcard Pattern Matching,SWPM)是安全模式匹配的一个变种,旨在确定一个短模式p∈{∑∪｛*｝}在长文本t∈{∑}中出现的位置,同时不泄露参与方的隐私输入。其中,通配符*可以匹配字符表∑中的任意字符。通过扩展传统通配符模式匹配的功能,本文提出了带查询的安全通配符模式匹配(Secure Wildcard Pattern Matching with Query,SWPMQ)功能函数,其允许用户(模式持有者)获得匹配的位置和实际数据,同时不泄露模式和文本信息。我们在半诚实敌手模型下给出协议的具体构造,并通过理想/现实模拟范式(Ideal/Realistic Simulation Paradigm)证明协议的安全性。借助茫然传输扩展(Oblivious Transfer Extension,OT扩展)技术,协议的计算复杂度可以降低至O(k),其中k代表需要执行的基础茫然传输(Oblivious Transfer,OT)协议数量。2.安全近似模式匹配(Secure Approximate Pattern Matching,SAPM)也是安全模式匹配的一个变种,旨在确定与模式近似匹配的文本子字符串的位置,即确定与模式p之间的汉明距离小于某给定阈值τ的所有文本子字符串的位置,同时不泄露参与方的隐私输入。针对近似模式匹配场景,设计了高效的安全近似模式匹配协议,并通过理想/现实模拟范式证明协议具有半诚实敌手安全性。就效率而言,与当前已有的安全近似模式匹配工作相比,协议在计算复杂度方面具有优势,将复杂度降至O(nτ),其中n为文本长度,τ为给定阈值。

关键词：安全两方计算安全模式匹配协议安全通配符模式匹配安全近似模式匹配理想/现实模拟范式

基于ElGamal变体同态的安全两方计算协议设计

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通信学报 2015年第2期36卷 204-211页

作者：陈志伟张卷美李子臣数据通信科学技术研究所北京100191 北京电子科技学院信息安全系北京100070

本文分析了El Gamal的同态特性,针对协议设计需要,设计了El Gamal变体加密方案,使其满足加法同态和常数乘法同态。在半诚实模型下,基于这个变体提出了过私有点直线方程同态计算协议,并分析了协议的正确性、安全性、计算和通信复杂性,同... 详细信息

本文分析了El Gamal的同态特性,针对协议设计需要,设计了El Gamal变体加密方案,使其满足加法同态和常数乘法同态。在半诚实模型下,基于这个变体提出了过私有点直线方程同态计算协议,并分析了协议的正确性、安全性、计算和通信复杂性,同时将该协议的应用范围扩展到安全两方线段求交协议等。与解决同类几何问题的协议相比,未采用基于不经意传输和百万富翁协议设计思路,而是基于同态加密体制提出了一种安全两方计算协议,提高了该类协议的执行效率,降低了通信负担。

关键词：安全两方计算同态加密 ElGamal加密体制私有点计算

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基于博弈论的公平安全两方计算协议

西南交通大学学报 2016年第5期51卷 902-909页

作者：王洁山西师范大学数学与计算机科学学院山西临汾041004

针对传统安全两方计算无法实现完全公平性的问题,结合博弈论方法,将参与者看作是理性的,提出了理性安全两方计算协议.首先,在扩展式博弈框架下,给出安全两方计算的博弈模型;其次,根据博弈模型描述,给出理性安全两方计算理想函数F_(RPCP... 详细信息

针对传统安全两方计算无法实现完全公平性的问题,结合博弈论方法,将参与者看作是理性的,提出了理性安全两方计算协议.首先,在扩展式博弈框架下,给出安全两方计算的博弈模型;其次,根据博弈模型描述,给出理性安全两方计算理想函数F_(RPCP)以及理性安全两方计算协议π_(RPCP);最后对协议的安全性、公平性及纳什均衡进行了分析.分析结果表明,在混合模型下,协议π_(RPCP)能安全地实现理想函数F_(RPCP),并且在BDH困难假设下,协议π_(RPCP)中各理性参与者的最佳策略是选择合作,当博弈达到纳什均衡时,参与者双方能公平地获得计算结果.

关键词：安全两方计算扩展博弈纳什均衡公平性

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基于安全两方计算的隐私保护线性回归算法

计算机工程与应用 2021年第22期57卷 139-146页

作者：魏立斐李梦思张蕾陈聪聪陈玉娇王勤上海海洋大学信息学院上海201306

随着数据安全与隐私泄露事件频发,泄露规模连年加剧,如何保证机器学习中数据和模型参数的隐私引发科学界和工业界的广泛关注。针对本地存储计算资源的有限性及云平台的不可信性所带来的数据隐私问题,基于秘密共享技术提出了一种安全两... 详细信息

随着数据安全与隐私泄露事件频发,泄露规模连年加剧,如何保证机器学习中数据和模型参数的隐私引发科学界和工业界的广泛关注。针对本地存储计算资源的有限性及云平台的不可信性所带来的数据隐私问题,基于秘密共享技术提出了一种安全两方计算的隐私保护线性回归算法。利用加法同态加密和加法掩码实现了秘密共享值的乘法计算协议,结合小批量梯度下降算法,最终实现了在两个非共谋的云服务器上的安全线性回归算法。实验结果表明,该方案同时保护了线性回归算法训练及预测阶段中的数据及模型参数,且模型预测性能与在明文域中进行训练的模型相近。

关键词：线性回归安全两方计算秘密共享加法同态加密隐私保护

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基于安全两方计算的具有隐私性的回归算法

信息网络安全 2018年第10期 10-16页

作者：唐春明魏伟明广州大学数学与信息科学学院广东广州510006

为了确保模型的精确度,传统机器学习算法需要收集大量的原始数据进行模型训练,但这容易造成隐私泄露。为此,文章使用加法秘密共享方案在两个非共谋半诚实服务器进行安全两方计算,给出了具有隐私性的线性回归算法。考虑到sigmoid函数不... 详细信息

为了确保模型的精确度,传统机器学习算法需要收集大量的原始数据进行模型训练,但这容易造成隐私泄露。为此,文章使用加法秘密共享方案在两个非共谋半诚实服务器进行安全两方计算,给出了具有隐私性的线性回归算法。考虑到sigmoid函数不利于进行安全两方计算,因此使用它的泰勒逼近形式,并结合线性回归算法给出了具有隐私性的Logistic回归算法。这两种算法都可以同时实现原始数据和模型参数的隐私保护。

关键词：安全两方计算秘密共享隐私保护回归模型

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基于安全两方计算的隐私保护应用协议研究

基于安全两方计算的隐私保护应用协议研究

作者：秦红山东师范大学

学位级别：硕士

近几年大数据、云计算等新一代信息技术发展迅速,在带来便利的同时也引发了许多安全隐患,数据泄露事件时有发生。确保数据安全,保障用户隐私刻不容缓。大数据时代的特点之一是数据由不同的实体掌握,为了实现资源共享,这些实体希望通过... 详细信息

近几年大数据、云计算等新一代信息技术发展迅速,在带来便利的同时也引发了许多安全隐患,数据泄露事件时有发生。确保数据安全,保障用户隐私刻不容缓。大数据时代的特点之一是数据由不同的实体掌握,为了实现资源共享,这些实体希望通过合作获取有价值的计算结果,但前提是合作方式能够保护各方的数据隐私。安全多方计算是一种安全的协同计算技术,可以解决互不信任的多个参与方安全计算一个约定函数的问题,其中安全两方计算最为常见。作为安全多方计算的特殊实例,安全两方计算有着较为广泛的应用场景,且在效率方面具有优势。本文以安全两方计算为基础,分别针对模式匹配和k-均值聚类问题构造安全计算协议,主要工作和创新点如下:1.针对一方持有带通配符的模式串,一方持有文本字符串的场景,提出了保护双方数据隐私的带通配符模式匹配协议。协议利用秘密分享和茫然传输技术,将带通配符的模式匹配等价转换为精确模式匹配,并调用安全的字符串相等性测试来判断匹配是否成功。借助茫然传输扩展技术,协议的计算复杂度可以降到O(κ),其中κ代表需要执行的基础茫然传输协议数量,一般为80或128;协议的通信复杂度为O(nm),其中m,n分别是模式和文本的长度。此外在半诚实敌手模型下证明了协议的安全性;2.针对聚类计算方利用多个用户样本数据执行聚类的场景,研究了k-均值聚类算法的安全计算问题。通过引入辅助计算服务器,构造了只需常数轮交互的两方k-均值聚类计算协议,协议分为初始化和聚类计算两个阶段。在初始化阶段,用户使用加法同态加密方案(如Paillier加密方案)对样本数据进行加密,并上传密文至独立的辅助计算服务器,随后的计算过程无需用户在线;在聚类计算阶段,服务器通过与持有私钥的聚类计算方交互,完成了乘法、欧氏距离、大小比较和除法的安全计算。具体的,利用同态加密和混合协议转换技术ABY,本文设计了针对同态密文的乘法协议、距离计算协议、最小元素标记协议和除法协议,实现了同态密文、算术分享份额和Yao分享份额的相互转换。本协议无需使用昂贵的比特分解技术,具有较高的效率,其安全性能够在半诚实模型中得到证明。

关键词：安全两方计算隐私保护模式匹配 k-均值聚类

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一种改进的安全两方矩阵计算协议

山东农业大学学报（自然科学版） 2012年第3期43卷 430-434页

作者：余景波刘国林曹振坦崔娟山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266510 海岛(礁)测绘技术国家测绘局重点实验室山东青岛266510 山东省第四地质矿产勘查院山东潍坊261021

利用安全向量两方加乘混算协议和安全两方矩阵加乘混算协议基本思想,构造和改进了一种安全两方矩阵计算协议。该协议引入了加密算法和验证算法,提高了数据传输中的安全性、有效性。理论分析表明,该协议安全有效,对参与者和攻击者发布虚... 详细信息

利用安全向量两方加乘混算协议和安全两方矩阵加乘混算协议基本思想,构造和改进了一种安全两方矩阵计算协议。该协议引入了加密算法和验证算法,提高了数据传输中的安全性、有效性。理论分析表明,该协议安全有效,对参与者和攻击者发布虚假信息都有一定的防范作用。

关键词：安全多方计算安全两方计算安全两方矩阵计算加密算法验证算法

基于NTRUEncrypt的安全两方多项式数据计算的研究

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基于NTRUEncrypt的安全两方多项式数据计算的研究

作者：王焰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

在电子信息产业飞速发展的当下,“数据孤岛”成为信息化时代面临的主要问题。数据被多参与方各自存储,导致了数据之间无法建立实际联系。而安全多方计算的出现,为“数据孤岛”问题提供了良好的解决方案,在保证个体数据隐私的情况下,实... 详细信息

在电子信息产业飞速发展的当下,“数据孤岛”成为信息化时代面临的主要问题。数据被多参与方各自存储,导致了数据之间无法建立实际联系。而安全多方计算的出现,为“数据孤岛”问题提供了良好的解决方案,在保证个体数据隐私的情况下,实现隐私数据的联合运算,促成各方之间的安全合作。另一方面,随着量子计算机的发展,基于格的后量子密码算法相较于其他密码体制在安全性、密钥大小和计算速度之间取得了更好的平衡,NTRUEncrypt是一种基于格的抗量子攻击加密算法。本学位论文启发于AES和RSA密码体制的安全两方计算,实现分布式密钥管理。本文以两方计算和NTRUEncrypt为出发点,主要创新点如下:1、提出了一种实现NTRUEncrypt的安全两方计算方案。利用安全多方计算中的基础模块不经意传输和隐私集合求交,通过两个参与方协同产生密钥和共同解密的方式,实现NTRUEncrypt的整个过程,并给出了在半诚实模型下该方案的安全性证明。2、针对多项式运算,本文利用中国剩余定理将数值类数据编码为多项式形式数据,其编码规则满足数据的同态特性,减少编码开销,实现两种通用的安全两方多项式类型数据运算方案,即隐私计算下的多项式加法和乘法运算。3、提出了基于NTRUEncrypt的通用多项式数据验证方案,证明多项式的正确性,以保证后续协议的正确执行。同时该方案还可以用于保护密钥,主要思想是将密钥进行拆分处理。综上所述,本文很好的扩充了数据的运算,将数据运算提升到了多项式层次,且由于NTRUEncrypt本身高安全性和同态加密下的直接密文计算,参与计算的双方皆可以很好地保证数据安全,也为实现密码体制下的多方计算提供了可行性。

关键词：安全两方计算 NTRUEncrypt 同态加密多项式运算