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實現(xiàn)隱私計算的相關技術


2021年01月12日

一、隱私計算(Privacy Computing)

隱私計算,廣義上是指面向隱私保護的計算系統(tǒng)與技術,涵蓋數(shù)據(jù)的產生、存儲、計算、應用、銷毀等信息流程全過程,想要達成的效果是使數(shù)據(jù)在各個環(huán)節(jié)中 “可用不可見”。目前最先落地于金融、醫(yī)療等行業(yè)。


二、實現(xiàn)隱私計算的相關技術

從技術角度出發(fā),和隱私計算相關聯(lián)的概念很多——多方安全計算(MPC)、可信硬件(TEE)、聯(lián)邦學習、差分隱私、區(qū)塊鏈等。目前業(yè)內采用的主流技術包括三類:多方安全計算(MPC)、聯(lián)邦學習和可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)。

當前實現(xiàn)隱私計算的技術主要可分為可信計算和密碼學兩大方向。

  • 可信硬件
    • 可信硬件指可信執(zhí)行環(huán)境,核心思想是構建一個安全的硬件區(qū)域,各方數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到該區(qū)域內進行計算。
  • 密碼學
    密碼學指用算法實現(xiàn)對計算過程中的數(shù)據(jù)保護,以多方安全計算聯(lián)邦學習等為代表。

1. 多方安全計算(Secure Multi-Party Computation MPC)

多方安全計算(Secure Multi-Party Computation,簡稱MPC)是指在無可信第三方情況下,通過多方共同參與,安全地完成某種協(xié)同計算。即在一個分布式環(huán)境中,多個參與者共同完成對某個函數(shù)的計算,該函數(shù)的輸入信息分別由這些參與者提供,且每個參與者的輸入信息是保密的,在計算結束后,各參與者獲得正確的計算結果,但無法獲知其他參與者的輸入信息。這種方式主要基于密碼學的一些隱私技術,相關概念還包括同態(tài)加密(Homomorpgic Encryption)、不經意傳輸(Oblivious Transfer)、混淆電路(Garbled Circuit)和秘密共享(Secret Sharing)等。

核心在于計算參與方在數(shù)據(jù)加密狀態(tài)下進行計算。彼此不知對方數(shù)據(jù),卻能得到正確的計算結果。
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圖1:安全多方計算(Secure Multi-Party Computation)

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圖2:安全多方計算的相關概念


2. 聯(lián)邦學習(Federated machine learning/Federated Learning)

聯(lián)邦機器學習(Federated machine learning/Federated Learning),又名聯(lián)邦學習,聯(lián)合學習、聯(lián)盟學習。聯(lián)邦機器學習是一個機器學習框架,能幫助多個機構在滿足用戶隱私保護、數(shù)據(jù)安全和政府法規(guī)的要求下,進行數(shù)據(jù)使用和機器學習建模。有觀點認為,基于多方數(shù)據(jù)進行聯(lián)合建模,各自原始數(shù)據(jù)不對外輸出,由中心方進行協(xié)調的建模,都可稱為聯(lián)邦學習。

聯(lián)邦學習的系統(tǒng)架構大致分為橫向聯(lián)邦學習、縱向聯(lián)邦學習、遷移學習三類,分別對應不同數(shù)據(jù)集的差異情況。

核心:“數(shù)據(jù)不出門,算法滿地跑”
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圖3:聯(lián)邦學習(Federated machine learning/Federated Learning)


3. 可信執(zhí)行環(huán)境(Trusted Execution Environment TEE)

以上兩種方式主要是在軟件和算法層面實現(xiàn)隱私計算。可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)則基于硬件實現(xiàn)。

這種方式的思路是在CPU 上構建一塊安全區(qū)域,這塊區(qū)域的作用是給數(shù)據(jù)和代碼的執(zhí)行提供一個更安全的空間,在這個安全區(qū)域內進行相關的計算。比較有代表性的是Intel-SGX、ARM-TrustZone等。


三種技術的對比

這三種方式在安全性、工程能力和落地場景等方面存在不同的特點,我們可以通過下文這張對比圖,了解不同技術思路的優(yōu)劣勢。
在這里插入圖片描述

圖4:三大技術對比圖


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