我们审查在机器学习（ML）中使用差异隐私（DP）对隐私保护的使用。我们表明，在维护学习模型的准确性的驱动下，基于DP的ML实现非常宽松，以至于它们不提供DP的事前隐私保证。取而代之的是，他们提供的基本上是与传统（经常受到批评的）统计披露控制方法相似的噪声。由于缺乏正式的隐私保证，因此所提供的实际隐私水平必须经过实验评估，这很少进行。在这方面，我们提出的经验结果表明，ML中的标准反拟合技术可以比DP实现更好的实用性/隐私/效率权衡。

Differential privacy is a strong notion for privacy that can be used to prove formal guarantees, in terms of a privacy budget, , about how much information is leaked by a mechanism. However, implementations of privacy-preserving machine learning often select large values of in order to get acceptable utility of the model, with little understanding of the impact of such choices on meaningful privacy. Moreover, in scenarios where iterative learning procedures are used, differential privacy variants that offer tighter analyses are used which appear to reduce the needed privacy budget but present poorly understood trade-offs between privacy and utility. In this paper, we quantify the impact of these choices on privacy in experiments with logistic regression and neural network models. Our main finding is that there is a huge gap between the upper bounds on privacy loss that can be guaranteed, even with advanced mechanisms, and the effective privacy loss that can be measured using current inference attacks. Current mechanisms for differentially private machine learning rarely offer acceptable utility-privacy trade-offs with guarantees for complex learning tasks: settings that provide limited accuracy loss provide meaningless privacy guarantees, and settings that provide strong privacy guarantees result in useless models.

Distributing machine learning predictors enables the collection of large-scale datasets while leaving sensitive raw data at trustworthy sites. We show that locally training support vector machines (SVMs) and computing their averages leads to a learning technique that is scalable to a large number of users, satisfies differential privacy, and is applicable to non-trivial tasks, such as CIFAR-10. For a large number of participants, communication cost is one of the main challenges. We achieve a low communication cost by requiring only a single invocation of an efficient secure multiparty summation protocol. By relying on state-of-the-art feature extractors (SimCLR), we are able to utilize differentially private convex learners for non-trivial tasks such as CIFAR-10. Our experimental results illustrate that for $1{,}000$ users with $50$ data points each, our scheme outperforms state-of-the-art scalable distributed learning methods (differentially private federated learning, short DP-FL) while requiring around $500$ times fewer communication costs: For CIFAR-10, we achieve a classification accuracy of $79.7\,\%$ for an $\varepsilon = 0.59$ while DP-FL achieves $57.6\,\%$. More generally, we prove learnability properties for the average of such locally trained models: convergence and uniform stability. By only requiring strongly convex, smooth, and Lipschitz-continuous objective functions, locally trained via stochastic gradient descent (SGD), we achieve a strong utility-privacy tradeoff.

从公共机器学习（ML）模型中泄漏数据是一个越来越重要的领域，因为ML的商业和政府应用可以利用多个数据源，可能包括用户和客户的敏感数据。我们对几个方面的当代进步进行了全面的调查，涵盖了非自愿数据泄漏，这对ML模型很自然，潜在的恶毒泄漏是由隐私攻击引起的，以及目前可用的防御机制。我们专注于推理时间泄漏，这是公开可用模型的最可能场景。我们首先在不同的数据，任务和模型体系结构的背景下讨论什么是泄漏。然后，我们提出了跨非自愿和恶意泄漏的分类法，可用的防御措施，然后进行当前可用的评估指标和应用。我们以杰出的挑战和开放性的问题结束，概述了一些有希望的未来研究方向。

差异隐私（DP）已被出现为严格的形式主义，以推理可量化的隐私泄漏。在机器学习（ML）中，已采用DP限制推理/披露训练示例。在现有的工作中杠杆横跨ML管道，尽管隔离，通常专注于梯度扰动等机制。在本文中，我们展示了DP-util，DP整体实用分析框架，跨越ML管道，重点是输入扰动，客观扰动，梯度扰动，输出扰动和预测扰动。在隐私敏感数据上给出ML任务，DP-Util使ML隐私从业者能够对DP在这五个扰动点中的影响，以模型公用事业丢失，隐私泄漏和真正透露的数量来测量DP的影响。训练样本。我们在视觉，医疗和金融数据集上使用两个代表性学习算法（Logistic回归和深神经网络）来评估DP-Uts，以防止会员资格推论攻击作为案例研究攻击。我们结果的一个亮点是，预测扰动一致地在所有数据集中始终如一地实现所有模型的最低实用损耗。在Logistic回归模型中，与其他扰动技术相比，客观扰动导致最低的隐私泄漏。对于深度神经网络，梯度扰动导致最低的隐私泄漏。此外，我们的结果揭示了记录的结果表明，由于隐私泄漏增加，差异私有模型揭示了更多数量的成员样本。总体而言，我们的研究结果表明，为了使使用的扰动机制有明智的决定，ML隐私从业者需要检查优化技术（凸与非凸），扰动机制，课程数量和隐私预算之间的动态。

Machine learning techniques based on neural networks are achieving remarkable results in a wide variety of domains. Often, the training of models requires large, representative datasets, which may be crowdsourced and contain sensitive information. The models should not expose private information in these datasets. Addressing this goal, we develop new algorithmic techniques for learning and a refined analysis of privacy costs within the framework of differential privacy. Our implementation and experiments demonstrate that we can train deep neural networks with non-convex objectives, under a modest privacy budget, and at a manageable cost in software complexity, training efficiency, and model quality. * Google.† OpenAI. Work done while at Google.

隐私和沟通效率是联邦神经网络培训中的重要挑战，并将它们组合仍然是一个公开的问题。在这项工作中，我们开发了一种统一高度压缩通信和差异隐私（DP）的方法。我们引入基于相对熵编码（REC）到联合设置的压缩技术。通过对REC进行微小的修改，我们获得了一种可怕的私立学习算法，DP-REC，并展示了如何计算其隐私保证。我们的实验表明，DP-REC大大降低了通信成本，同时提供与最先进的隐私保证。

制药行业可以更好地利用其数据资产来通过协作机器学习平台虚拟化药物发现。另一方面，由于参与者的培训数据的意外泄漏，存在不可忽略的风险，因此，对于这样的平台，必须安全和隐私权。本文介绍了在药物发现的临床前阶段进行协作建模的隐私风险评估，以加快有前途的候选药物的选择。在最新推理攻击的简短分类法之后，我们采用并定制了几种基础情况。最后，我们用一些相关的隐私保护技术来描述和实验，以减轻此类攻击。

在联合学习（FL）中，数据不会在联合培训机器学习模型时留下个人设备。相反，这些设备与中央党（例如，公司）共享梯度。因为数据永远不会“离开”个人设备，因此FL作为隐私保留呈现。然而，最近显示这种保护是一个薄的外观，甚至是一种被动攻击者观察梯度可以重建各个用户的数据。在本文中，我们争辩说，事先工作仍然很大程度上低估了FL的脆弱性。这是因为事先努力专门考虑被动攻击者，这些攻击者是诚实但好奇的。相反，我们介绍了一个活跃和不诚实的攻击者，作为中央会，他们能够在用户计算模型渐变之前修改共享模型的权重。我们称之为修改的重量“陷阱重量”。我们的活跃攻击者能够完全恢复用户数据，并在接近零成本时：攻击不需要复杂的优化目标。相反，它利用了模型梯度的固有数据泄漏，并通过恶意改变共享模型的权重来放大这种效果。这些特异性使我们的攻击能够扩展到具有大型迷你批次数据的模型。如果来自现有工作的攻击者需要小时才能恢复单个数据点，我们的方法需要毫秒来捕获完全连接和卷积的深度神经网络的完整百分之批次数据。最后，我们考虑缓解。我们观察到，FL中的差异隐私（DP）的当前实现是有缺陷的，因为它们明确地信任中央会，并在增加DP噪音的关键任务，因此不提供对恶意中央党的保护。我们还考虑其他防御，并解释为什么它们类似地不足。它需要重新设计FL，为用户提供任何有意义的数据隐私。

梯度泄漏攻击被认为是深度学习中的邪恶隐私威胁之一，因为攻击者在迭代培训期间隐蔽了梯度更新，而不会影响模型培训质量，但又使用泄漏的梯度逐步重建敏感培训数据，具有高攻击成功率。虽然具有差异隐私的深度学习是发布具有差异隐私保障的深度学习模型的违法标准，但我们展示了具有固定隐私参数的差异私有算法易受梯度泄漏攻击的影响。本文调查了差异隐私（DP）的梯度泄漏弹性深度学习的替代方法。首先，我们分析了差异隐私的深度学习的现有实现，它使用固定噪声方差使用固定隐私参数将恒定噪声对所有层中的梯度注入恒定噪声。尽管提供了DP保证，但该方法遭受了低精度，并且很容易受到梯度泄漏攻击。其次，通过使用动态隐私参数，我们提出了一种梯度泄漏弹性深度学习方法，差异隐私保证。与导致恒定噪声方差导致的固定参数策略不同，不同的动态参数策略存在替代技术，以引入自适应噪声方差和自适应噪声注入，其与差别私有模型训练期间的梯度更新的趋势紧密对齐。最后，我们描述了四个互补指标来评估和比较替代方法。

联合学习（FL），数据保留在联合客户端，并且仅与中央聚合器共享梯度更新是私人的。最近的工作表明，具有梯度级别访问权限的对手可以成功进行推理和重建攻击。在这种情况下，众所周知，差异化（DP）学习可以提供弹性。但是，现状中使用的方法（\ ie中央和本地DP）引入了不同的公用事业与隐私权衡权衡。在这项工作中，我们迈出了通过{\ em层次fl（HFL）}来缓解此类权衡的第一步。我们证明，通过引入一个新的中介层，可以添加校准的DP噪声，可以获得更好的隐私与公用事业权衡；我们称此{\ em层次结构DP（HDP）}。我们使用3个不同数据集的实验（通常用作FL的基准）表明HDP产生的模型与使用中央DP获得的模型一样准确，在中央聚集器处添加了噪声。这种方法还为推理对手提供了可比的好处，例如在本地DP案例中，在联合客户端添加了噪音。

我们考虑使用迷你批量梯度进行差异隐私（DP）的培训模型。现有的最先进的差异私有随机梯度下降（DP-SGD）需要通过采样或洗机来获得最佳隐私/准确性/计算权衡的隐私放大。不幸的是，在重要的实际情况下，精确采样和洗牌的精确要求可能很难获得，特别是联邦学习（FL）。我们设计和分析跟随 - 正规的领导者（DP-FTRL）的DP变体，其比较（理论上和经验地）与放大的DP-SGD相比，同时允许更灵活的数据访问模式。DP-FTRL不使用任何形式的隐私放大。该代码可在https://github.com/google-Research/federated/tree/master/dp_ftrl和https://github.com/google-reesearch/dp-ftrl处获得。

如今，深度学习模型的所有者和开发人员必须考虑其培训数据的严格隐私保护规则，通常是人群来源且保留敏感信息。如今，深入学习模型执行隐私保证的最广泛采用的方法依赖于实施差异隐私的优化技术。根据文献，这种方法已被证明是针对多种模型的隐私攻击的成功防御，但其缺点是对模型的性能的实质性降级。在这项工作中，我们比较了差异私有的随机梯度下降（DP-SGD）算法与使用正则化技术的标准优化实践的有效性。我们分析了生成模型的实用程序，培训性能以及成员推理和模型反转攻击对学习模型的有效性。最后，我们讨论了差异隐私的缺陷和限制，并从经验上证明了辍学和L2型规范的卓越保护特性。

Federated learning facilitates the collaborative training of models without the sharing of raw data. However, recent attacks demonstrate that simply maintaining data locality during training processes does not provide sufficient privacy guarantees. Rather, we need a federated learning system capable of preventing inference over both the messages exchanged during training and the final trained model while ensuring the resulting model also has acceptable predictive accuracy. Existing federated learning approaches either use secure multiparty computation (SMC) which is vulnerable to inference or differential privacy which can lead to low accuracy given a large number of parties with relatively small amounts of data each. In this paper, we present an alternative approach that utilizes both differential privacy and SMC to balance these trade-offs. Combining differential privacy with secure multiparty computation enables us to reduce the growth of noise injection as the number of parties increases without sacrificing privacy while maintaining a pre-defined rate of trust. Our system is therefore a scalable approach that protects against inference threats and produces models with high accuracy. Additionally, our system can be used to train a variety of machine learning models, which we validate with experimental results on 3 different machine learning algorithms. Our experiments demonstrate that our approach out-performs state of the art solutions. CCS CONCEPTS• Security and privacy → Privacy-preserving protocols; Trust frameworks; • Computing methodologies → Learning settings.

差异隐私（DP）提供了正式的隐私保证，以防止对手可以访问机器学习模型，从而从提取有关单个培训点的信息。最受欢迎的DP训练方法是差异私有随机梯度下降（DP-SGD），它通过在训练过程中注入噪声来实现这种保护。然而，以前的工作发现，DP-SGD通常会导致标准图像分类基准的性能显着降解。此外，一些作者假设DP-SGD在大型模型上固有地表现不佳，因为保留隐私所需的噪声规范与模型维度成正比。相反，我们证明了过度参数化模型上的DP-SGD可以比以前想象的要好得多。将仔细的超参数调整与简单技术结合起来，以确保信号传播并提高收敛速率，我们获得了新的SOTA，而没有额外数据的CIFAR-10，在81.4％的81.4％下（8，10^{ - 5}） - 使用40 -layer wide-Resnet，比以前的SOTA提高了71.7％。当对预训练的NFNET-F3进行微调时，我们在ImageNet（0.5，8*10^{ - 7}）下达到了83.8％的TOP-1精度。此外，我们还在（8，8 \ cdot 10^{ - 7}）下达到了86.7％的TOP-1精度，DP仅比当前的非私人SOTA仅4.3％。我们认为，我们的结果是缩小私人图像分类和非私有图像分类之间准确性差距的重要一步。

鉴于对机器学习模型的访问，可以进行对手重建模型的培训数据？这项工作从一个强大的知情对手的镜头研究了这个问题，他们知道除了一个之外的所有培训数据点。通过实例化混凝土攻击，我们表明重建此严格威胁模型中的剩余数据点是可行的。对于凸模型（例如Logistic回归），重建攻击很简单，可以以封闭形式导出。对于更常规的模型（例如神经网络），我们提出了一种基于训练的攻击策略，该攻击策略接收作为输入攻击的模型的权重，并产生目标数据点。我们展示了我们对MNIST和CIFAR-10训练的图像分类器的攻击的有效性，并系统地研究了标准机器学习管道的哪些因素影响重建成功。最后，我们从理论上调查了有多差异的隐私足以通过知情对手减轻重建攻击。我们的工作提供了有效的重建攻击，模型开发人员可以用于评估超出以前作品中考虑的一般设置中的个别点的记忆（例如，生成语言模型或访问培训梯度）;它表明，标准模型具有存储足够信息的能力，以实现培训数据点的高保真重建;它表明，差异隐私可以成功减轻该参数制度中的攻击，其中公用事业劣化最小。

Differentially Private Stochastic Gradient Descent (DP-SGD) is a key method for applying privacy in the training of deep learning models. This applies isotropic Gaussian noise to gradients during training, which can perturb these gradients in any direction, damaging utility. Metric DP, however, can provide alternative mechanisms based on arbitrary metrics that might be more suitable. In this paper we apply \textit{directional privacy}, via a mechanism based on the von Mises-Fisher (VMF) distribution, to perturb gradients in terms of \textit{angular distance} so that gradient direction is broadly preserved. We show that this provides $\epsilon d$-privacy for deep learning training, rather than the $(\epsilon, \delta)$-privacy of the Gaussian mechanism; and that experimentally, on key datasets, the VMF mechanism can outperform the Gaussian in the utility-privacy trade-off.

Federated learning seeks to address the issue of isolated data islands by making clients disclose only their local training models. However, it was demonstrated that private information could still be inferred by analyzing local model parameters, such as deep neural network model weights. Recently, differential privacy has been applied to federated learning to protect data privacy, but the noise added may degrade the learning performance much. Typically, in previous work, training parameters were clipped equally and noises were added uniformly. The heterogeneity and convergence of training parameters were simply not considered. In this paper, we propose a differentially private scheme for federated learning with adaptive noise (Adap DP-FL). Specifically, due to the gradient heterogeneity, we conduct adaptive gradient clipping for different clients and different rounds; due to the gradient convergence, we add decreasing noises accordingly. Extensive experiments on real-world datasets demonstrate that our Adap DP-FL outperforms previous methods significantly.

联邦学习（FL）和分裂学习（SL）是两个流行的分布式机器学习方法。遵循模型到数据方案;客户培训和测试机器学习模型而不共享原始数据。由于客户端和服务器之间的机器学习模型架构，SL提供比FL更好的模型隐私。此外，分割模型使SL成为资源受限环境的更好选择。然而，由于基于中继的训练，SL表现在多个客户端的继电器训练引起的速度。在这方面，本文提出了一种名为Splitfed Learning（SFL）的新方法，该方法可分摊两种方法消除其固有缺点，以及包含差异隐私和PIXELD的精制架构配置，以增强数据隐私和模型鲁棒性。我们的分析和经验结果表明，（纯）SFL提供了类似的测试精度和通信效率，作为SL，同时每个全球时代显着降低其用于多个客户端的SL中的计算时间。此外，如SL在SL中，它的通信效率随着客户的数量而改善。此外，在扩展实验环境下进一步评估了具有隐私和鲁棒性度量的SFL的性能。

联邦机器学习利用边缘计算来开发网络用户数据的模型，但联合学习的隐私仍然是一个重大挑战。已经提出了使用差异隐私的技术来解决这一点，但是带来了自己的挑战 - 许多人需要一个值得信赖的第三方，或者增加了太多的噪音来生产有用的模型。使用多方计算的\ EMPH {SERVE聚合}的最新进步消除了对第三方的需求，但是在计算上尤其在规模上昂贵。我们提出了一种新的联合学习协议，利用了一种基于与错误学习的技术的新颖差异私有的恶意安全聚合协议。我们的协议优于当前最先进的技术，并且经验结果表明它缩放到大量方面，具有任何差别私有联合学习方案的最佳精度。