机器学习模型越来越多地被世界各地的企业和组织用于自动化任务和决策。在潜在敏感的数据集上培训，已经显示了机器学习模型来泄露数据集中的个人信息以及全局数据集信息。我们在这里通过提出针对ML模型的新攻击来进一步研究数据集财产推理攻击一步：数据集相关推理攻击，其中攻击者的目标是推断模型的输入变量之间的相关性。我们首先表明攻击者可以利用相关矩阵的球面参数化，以进行明智的猜测。这意味着仅使用输入变量与目标变量之间的相关性，攻击者可以推断出两个输入变量之间的相关性，而不是随机猜测基线。我们提出了第二次攻击，利用暗影建模来利用机器学习模型来改进猜测。我们的攻击采用基于高斯opula的生成建模来生成具有各种相关性的合成数据集，以便为相关推断任务培训Meta-Model。我们评估我们对逻辑回归和多层Perceptron模型的攻击，并显示出胜过模型的攻击。我们的研究结果表明，基于机器的准确性，基于机器学习的攻击随着变量的数量而减少，并达到模型攻击的准确性。然而，无论变量的数量如何，与目标变量高度相关的输入变量之间的相关性更易受攻击。我们的工作桥梁可以考虑训练数据集和个人级泄漏的全球泄漏之间的差距。当加上边缘泄漏攻击时，它也可能构成数据集重建的第一步。

Although query-based systems (QBS) have become one of the main solutions to share data anonymously, building QBSes that robustly protect the privacy of individuals contributing to the dataset is a hard problem. Theoretical solutions relying on differential privacy guarantees are difficult to implement correctly with reasonable accuracy, while ad-hoc solutions might contain unknown vulnerabilities. Evaluating the privacy provided by QBSes must thus be done by evaluating the accuracy of a wide range of privacy attacks. However, existing attacks require time and expertise to develop, need to be manually tailored to the specific systems attacked, and are limited in scope. In this paper, we develop QuerySnout (QS), the first method to automatically discover vulnerabilities in QBSes. QS takes as input a target record and the QBS as a black box, analyzes its behavior on one or more datasets, and outputs a multiset of queries together with a rule to combine answers to them in order to reveal the sensitive attribute of the target record. QS uses evolutionary search techniques based on a novel mutation operator to find a multiset of queries susceptible to lead to an attack, and a machine learning classifier to infer the sensitive attribute from answers to the queries selected. We showcase the versatility of QS by applying it to two attack scenarios, three real-world datasets, and a variety of protection mechanisms. We show the attacks found by QS to consistently equate or outperform, sometimes by a large margin, the best attacks from the literature. We finally show how QS can be extended to QBSes that require a budget, and apply QS to a simple QBS based on the Laplace mechanism. Taken together, our results show how powerful and accurate attacks against QBSes can already be found by an automated system, allowing for highly complex QBSes to be automatically tested "at the pressing of a button".

We quantitatively investigate how machine learning models leak information about the individual data records on which they were trained. We focus on the basic membership inference attack: given a data record and black-box access to a model, determine if the record was in the model's training dataset. To perform membership inference against a target model, we make adversarial use of machine learning and train our own inference model to recognize differences in the target model's predictions on the inputs that it trained on versus the inputs that it did not train on.We empirically evaluate our inference techniques on classification models trained by commercial "machine learning as a service" providers such as Google and Amazon. Using realistic datasets and classification tasks, including a hospital discharge dataset whose membership is sensitive from the privacy perspective, we show that these models can be vulnerable to membership inference attacks. We then investigate the factors that influence this leakage and evaluate mitigation strategies.

大量工作表明，机器学习（ML）模型可以泄漏有关其培训数据的敏感或机密信息。最近，由于分布推断（或属性推断）攻击引起的泄漏正在引起人们的注意。在此攻击中，对手的目标是推断有关培训数据的分配信息。到目前为止，对分布推理的研究集中在证明成功的攻击上，而很少注意确定泄漏的潜在原因和提出缓解。为了弥合这一差距，作为我们的主要贡献，我们从理论和经验上分析了信息泄漏的来源，这使对手能够进行分布推理攻击。我们确定泄漏的三个来源：（1）记住有关$ \ mathbb {e} [y | x] $（给定特征值的预期标签）的特定信息，（（2）模型的错误归纳偏置，以及（3）培训数据的有限性。接下来，根据我们的分析，我们提出了针对分配推理攻击的原则缓解技术。具体而言，我们证明了因果学习技术比相关学习方法更适合特定类型的分布推理所谓的分配构件推理。最后，我们提出了分布推断的形式化，该推论允许对比以前更多的一般对手进行推理。

属性推理攻击使对手可以从机器学习模型中提取培训数据集的全局属性。此类攻击对共享数据集来培训机器学习模型的数据所有者具有隐私影响。已经提出了几种针对深神经网络的财产推理攻击的现有方法，但它们都依靠攻击者训练大量的影子模型，这会导致大型计算开销。在本文中，我们考虑了攻击者可以毒化训练数据集的子集并查询训练有素的目标模型的属性推理攻击的设置。通过我们对中毒下模型信心的理论分析的激励，我们设计了有效的财产推理攻击，SNAP，该攻击获得了更高的攻击成功，并且需要比Mahloujifar Et的基于最先进的中毒的财产推理攻击更高的中毒量。 al。例如，在人口普查数据集上，SNAP的成功率比Mahloujifar等人高34％。同时更快56.5倍。我们还扩展了攻击，以确定在培训中是否根本存在某个财产，并有效地估算了利息财产的确切比例。我们评估了对四个数据集各种比例的多种属性的攻击，并证明了Snap的一般性和有效性。

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。

Machine learning (ML) models may be deemed confidential due to their sensitive training data, commercial value, or use in security applications. Increasingly often, confidential ML models are being deployed with publicly accessible query interfaces. ML-as-a-service ("predictive analytics") systems are an example: Some allow users to train models on potentially sensitive data and charge others for access on a pay-per-query basis.The tension between model confidentiality and public access motivates our investigation of model extraction attacks. In such attacks, an adversary with black-box access, but no prior knowledge of an ML model's parameters or training data, aims to duplicate the functionality of (i.e., "steal") the model. Unlike in classical learning theory settings, ML-as-a-service offerings may accept partial feature vectors as inputs and include confidence values with predictions. Given these practices, we show simple, efficient attacks that extract target ML models with near-perfect fidelity for popular model classes including logistic regression, neural networks, and decision trees. We demonstrate these attacks against the online services of BigML and Amazon Machine Learning. We further show that the natural countermeasure of omitting confidence values from model outputs still admits potentially harmful model extraction attacks. Our results highlight the need for careful ML model deployment and new model extraction countermeasures.

A distribution inference attack aims to infer statistical properties of data used to train machine learning models. These attacks are sometimes surprisingly potent, but the factors that impact distribution inference risk are not well understood and demonstrated attacks often rely on strong and unrealistic assumptions such as full knowledge of training environments even in supposedly black-box threat scenarios. To improve understanding of distribution inference risks, we develop a new black-box attack that even outperforms the best known white-box attack in most settings. Using this new attack, we evaluate distribution inference risk while relaxing a variety of assumptions about the adversary's knowledge under black-box access, like known model architectures and label-only access. Finally, we evaluate the effectiveness of previously proposed defenses and introduce new defenses. We find that although noise-based defenses appear to be ineffective, a simple re-sampling defense can be highly effective. Code is available at https://github.com/iamgroot42/dissecting_distribution_inference

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.

模型可以公开有关其培训数据的敏感信息。在属性推理攻击中，对手对某些培训记录有部分知识，并访问了对这些记录进行培训的模型，并渗透了这些记录敏感功能的未知值。我们研究了一种属性推理的细粒变体，我们称为\ emph {敏感值推理}，其中对手的目标是高度置信度识别一些来自候选人集的记录，其中未知属性具有特定的敏感值。我们将属性推断与捕获培训分布统计数据的数据插补进行明确比较，该数据在对对手可用的培训数据的各种假设下进行了比较。我们的主要结论是：（1）以前的属性推理方法并没有比对手可以推断出有关训练数据的训练数据的更多信息，而无需访问训练的模型，而是对培训所需的基础分布相同的知识属性推理攻击； （2）Black-Box属性推理攻击很少学习没有模型的任何东西；但是（3）我们在论文中介绍和评估的白框攻击可以可靠地识别一些具有敏感值属性的记录，而这些记录在不访问模型的情况下无法预测。此外，我们表明提出的防御措施，例如私人培训和从培训中删除脆弱记录不会减轻这种隐私风险。我们的实验代码可在\ url {https://github.com/bargavj/evaluatingdpml}上获得。

分发推断，有时称为财产推断，Infers关于从访问该数据训练的模型设置的训练的统计属性。分发推理攻击可能会在私人数据培训培训时构成严重风险，但难以从统计机器学习的内在目的区分 - 即生产捕获统计特性的模型。 yeom等人的推导框架的动机，我们提出了一般的主要定义，这足以描述区分可能训练分布的广泛攻击。我们展示了我们的定义如何捕获基于比率的属性推论攻击以及新类型的攻击，包括揭示训练图的平均节点度或聚类系数。为了理解分发推理风险，我们介绍了一种量化，通过将观察到的泄漏与泄漏直接提供给对手的样本来进行泄漏来介绍观察到的泄漏。我们在一系列不同的发行版中报告了一系列不同的分布，并使用全新的黑匣子攻击和最先进的白盒攻击版本。我们的研究结果表明，廉价的攻击往往与昂贵的元分类器攻击一样有效，并且攻击有效性令人惊讶的不对称。

当模型向人们提供决定时，分销转移可能会造成不当差异。但是，由于模型及其训练集通常是专有的，因此外部实体很难检查分配变化。在本文中，我们介绍并研究了一种黑盒审计方法，以检测分配转移案例，从而导致跨人口组的模型差异。通过扩展在成员资格和属性推理攻击中使用的技术（旨在暴露于学习模型中的私人信息），我们证明了外部审核员可以仅通过查询模型来获取这些分配所需的信息，以识别这些分布的变化。我们对现实世界数据集的实验结果表明，这种方法是有效的，在检测培训集中人口统计组不足的转移方面达到了80--100％的AUC-ROC。研究人员和调查记者可以使用我们的工具对专有模型进行非授权审核，并在培训数据集中暴露出不足的案例。

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。

隐私敏感数据的培训机器学习模型已成为一种流行的练习，在不断扩大的田野中推动创新。这已经向新攻击打开了门，这可能会产生严重的隐私含义。一个这样的攻击，会员推导攻击（MIA），暴露了特定数据点是否用于训练模型。一种越来越多的文献使用差异的私人（DP）训练算法作为反对这种攻击的辩护。但是，这些作品根据限制假设评估防御，即所有培训集以及非成员的所有成员都是独立的并相同分布的。这种假设没有在文献中的许多真实用例中占据。由此激励，我们评估隶属于样本之间的统计依赖性，并解释为什么DP不提供有意义的保护（在这种更常规的情况下，培训集尺寸$ N $的隐私参数$ \ epsilon $ scales）。我们使用从现实世界数据构建的培训集进行了一系列实证评估，其中包括示出样品之间的不同类型依赖性的培训集。我们的结果表明，培训集依赖关系可能会严重增加MIS的性能，因此假设数据样本在统计上独立，可以显着低估均撒的性能。

机器学习（ML）模型已广泛应用于各种应用，包括图像分类，文本生成，音频识别和图形数据分析。然而，最近的研究表明，ML模型容易受到隶属推导攻击（MIS），其目的是推断数据记录是否用于训练目标模型。 ML模型上的MIA可以直接导致隐私违规行为。例如，通过确定已经用于训练与某种疾病相关的模型的临床记录，攻击者可以推断临床记录的所有者具有很大的机会。近年来，MIS已被证明对各种ML模型有效，例如，分类模型和生成模型。同时，已经提出了许多防御方法来减轻米西亚。虽然ML模型上的MIAS形成了一个新的新兴和快速增长的研究区，但还没有对这一主题进行系统的调查。在本文中，我们对会员推论和防御进行了第一个全面调查。我们根据其特征提供攻击和防御的分类管理，并讨论其优点和缺点。根据本次调查中确定的限制和差距，我们指出了几个未来的未来研究方向，以激发希望遵循该地区的研究人员。这项调查不仅是研究社区的参考，而且还为该研究领域之外的研究人员带来了清晰的照片。为了进一步促进研究人员，我们创建了一个在线资源存储库，并与未来的相关作品继续更新。感兴趣的读者可以在https://github.com/hongshenghu/membership-inference-machine-learning-literature找到存储库。

会员推理攻击是机器学习模型中最简单的隐私泄漏形式之一：给定数据点和模型，确定该点是否用于培训模型。当查询其培训数据时，现有会员推理攻击利用模型的异常置信度。如果对手访问模型的预测标签，则不会申请这些攻击，而不会置信度。在本文中，我们介绍了仅限标签的会员资格推理攻击。我们的攻击而不是依赖置信分数，而是评估模型预测标签在扰动下的稳健性，以获得细粒度的隶属信号。这些扰动包括常见的数据增强或对抗例。我们经验表明，我们的标签占会员推理攻击与先前攻击相符，以便需要访问模型信心。我们进一步证明，仅限标签攻击违反了（隐含或明确）依赖于我们呼叫信心屏蔽的现象的员工推论攻击的多种防御。这些防御修改了模型的置信度分数以挫败攻击，但留下模型的预测标签不变。我们的标签攻击展示了置信性掩蔽不是抵御会员推理的可行的防御策略。最后，我们调查唯一的案例标签攻击，该攻击推断为少量异常值数据点。我们显示仅标签攻击也匹配此设置中基于置信的攻击。我们发现具有差异隐私和（强）L2正则化的培训模型是唯一已知的防御策略，成功地防止所有攻击。即使差异隐私预算太高而无法提供有意义的可证明担保，这仍然存在。

在其培训集中，给定训练有素的模型泄漏了多少培训模型泄露？会员资格推理攻击用作审计工具，以量化模型在其训练集中泄漏的私人信息。会员推理攻击受到不同不确定性的影响，即攻击者必须解决培训数据，培训算法和底层数据分布。因此，攻击成功率，在文献中的许多攻击，不要精确地捕获模型的信息泄漏关于他们的数据，因为它们还反映了攻击算法具有的其他不确定性。在本文中，我们解释了隐含的假设以及使用假设检测框架在现有工作中进行的简化。我们还从框架中获得了新的攻击算法，可以实现高AUC分数，同时还突出显示影响其性能的不同因素。我们的算法捕获模型中隐私损失的非常精确的近似，并且可以用作在机器学习模型中执行准确和了解的隐私风险的工具。我们对各种机器学习任务和基准数据集的攻击策略提供了彻底的实证评估。

窃取对受控信息的攻击，以及越来越多的信息泄漏事件，已成为近年来新兴网络安全威胁。由于蓬勃发展和部署先进的分析解决方案，新颖的窃取攻击利用机器学习（ML）算法来实现高成功率并导致大量损坏。检测和捍卫这种攻击是挑战性和紧迫的，因此政府，组织和个人应该非常重视基于ML的窃取攻击。本调查显示了这种新型攻击和相应对策的最新进展。以三类目标受控信息的视角审查了基于ML的窃取攻击，包括受控用户活动，受控ML模型相关信息和受控认证信息。最近的出版物总结了概括了总体攻击方法，并导出了基于ML的窃取攻击的限制和未来方向。此外，提出了从三个方面制定有效保护的对策 - 检测，破坏和隔离。

员额推理攻击允许对训练的机器学习模型进行对手以预测模型的训练数据集中包含特定示例。目前使用平均案例的“精度”度量来评估这些攻击，该攻击未能表征攻击是否可以自信地识别培训集的任何成员。我们认为，应该通过计算其低（例如<0.1％）假阳性率来计算攻击来评估攻击，并在以这种方式评估时发现大多数事先攻击差。为了解决这一问题，我们开发了一个仔细结合文献中多种想法的似然比攻击（Lira）。我们的攻击是低于虚假阳性率的10倍，并且在攻击现有度量的情况下也严格占主导地位。

在培训机器学习模型期间，它们可能会存储或“了解”有关培训数据的更多信息，而不是预测或分类任务所需的信息。属性推理攻击旨在从给定模型的培训数据中提取统计属性，而无需访问培训数据本身，从而利用了这一点。这些属性可能包括图片的质量，以识别相机模型，以揭示产品的目标受众的年龄分布或在计算机网络中使用恶意软件攻击的随附的主机类型。当攻击者可以访问所有模型参数时，即在白色盒子方案中，此攻击尤其准确。通过捍卫此类攻击，模型所有者可以确保其培训数据，相关的属性以及其知识产权保持私密，即使他们故意共享自己的模型，例如协作培训或模型泄漏。在本文中，我们介绍了属性，这是针对白盒属性推理攻击的有效防御机制，独立于培训数据类型，模型任务或属性数量。属性通过系统地更改目标模型的训练的权重和偏见来减轻属性推理攻击，从而使对手无法提取所选属性。我们在三个不同的数据集（包括表格数据和图像数据）以及两种类型的人工神经网络（包括人造神经网络）上进行了经验评估属性。我们的研究结果表明，以良好的隐私性权衡取舍，可以保护机器学习模型免受财产推理攻击的侵害，既有效又可靠。此外，我们的方法表明该机制也有效地取消了多个特性。