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。

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.

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。

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。

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。

深度神经网络（DNNS）铰接对大型数据集的可用性的最新成功;但是，对此类数据集的培训经常为敏感培训信息构成隐私风险。在本文中，我们的目标是探讨生成模型和梯度稀疏性的力量，并提出了一种可扩展的隐私保留生成模型数据标准。与标准展示隐私保留框架相比，允许教师对一维预测进行投票，在高维梯度向量上投票在隐私保存方面具有挑战性。随着需要尺寸减少技术，我们需要在（1）之间的改进之间导航精致的权衡空间，并进行SGD收敛的放缓。为了解决这一点，我们利用通信高效学习，并通过将顶-K压缩与相应的噪声注入机构相结合，提出一种新的噪声压缩和聚集方法TopAGG。理论上，我们证明了DataLens框架保证了其生成数据的差异隐私，并提供了其收敛性的分析。为了展示DataLens的实际使用情况，我们对不同数据集进行广泛的实验，包括Mnist，Fashion-Mnist和高维Celeba，并且我们表明，DataLens显着优于其他基线DP生成模型。此外，我们改进了所提出的Topagg方法，该方法是DP SGD培训的主要构建块之一，并表明它能够在大多数情况下实现比最先进的DP SGD方法更高的效用案件。我们的代码在HTTPS://github.com/ai-secure/datalens公开提供。

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.

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。

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。

对机器学习模型的会员推理攻击（MIA）可能会导致模型培训中使用的培训数据集的严重隐私风险。在本文中，我们提出了一种针对成员推理攻击（MIAS）的新颖有效的神经元引导的防御方法。我们确定了针对MIA的现有防御机制的关键弱点，在该机制中，他们不能同时防御两个常用的基于神经网络的MIA，表明应分别评估这两次攻击以确保防御效果。我们提出了Neuguard，这是一种新的防御方法，可以通过对象共同控制输出和内部神经元的激活，以指导训练集的模型输出和测试集的模型输出以具有近距离分布。 Neuguard由类别的差异最小化靶向限制最终输出神经元和层平衡输出控制的目标，旨在限制每一层中的内部神经元。我们评估Neuguard，并将其与最新的防御能力与两个基于神经网络的MIA，五个最强的基于度量的MIA，包括三个基准数据集中的新提出的仅标签MIA。结果表明，Neuguard通过提供大大改善的公用事业权衡权衡，一般性和间接费用来优于最先进的防御能力。

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。

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。

机器学习模型容易记住敏感数据，使它们容易受到会员推理攻击的攻击，其中对手的目的是推断是否使用输入样本来训练模型。在过去的几年中，研究人员产生了许多会员推理攻击和防御。但是，这些攻击和防御采用各种策略，并在不同的模型和数据集中进行。但是，缺乏全面的基准意味着我们不了解现有攻击和防御的优势和劣势。我们通过对不同的会员推理攻击和防御措施进行大规模测量来填补这一空白。我们通过研究九项攻击和六项防御措施来系统化成员的推断，并在整体评估中衡量不同攻击和防御的性能。然后，我们量化威胁模型对这些攻击结果的影响。我们发现，威胁模型的某些假设，例如相同架构和阴影和目标模型之间的相同分布是不必要的。我们也是第一个对从Internet收集的现实世界数据而不是实验室数据集进行攻击的人。我们进一步研究是什么决定了会员推理攻击的表现，并揭示了通常认为过度拟合水平不足以成功攻击。取而代之的是，成员和非成员样本之间的熵/横向熵的詹森 - 香农距离与攻击性能的相关性更好。这为我们提供了一种新的方法，可以在不进行攻击的情况下准确预测会员推理风险。最后，我们发现数据增强在更大程度上降低了现有攻击的性能，我们提出了使用增强作用的自适应攻击来训练阴影和攻击模型，以改善攻击性能。

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.

分层文本分类包括将文本文档分类为类和子类的层次结构。尽管人造神经网络已经证明有用的是执行这项任务，但遗憾的是，由于培训数据记忆，他们可以将培训数据信息泄漏到对手。在模型培训期间使用差异隐私可以减轻泄漏攻击训练型型号，使模型能够以降低的模型精度安全地共享。这项工作调查了具有差异隐私保证的分层文本分类中的隐私实用权折衷，并识别了提供优越权衡的神经网络架构。为此，我们使用白盒会员推理攻击来凭经验评估三种广泛使用的神经网络架构的信息泄漏。我们表明，大型差异隐私参数已经足以完全减轻隶属度推理攻击，因此仅导致模型实用程序的中等减少。更具体地说，对于具有长文本的大型数据集，我们观察了基于变压器的模型，实现了整体有利的隐私式实用工具权，而对于具有较短文本的较小的数据集是优选的。

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。

In a membership inference attack, an attacker aims to infer whether a data sample is in a target classifier's training dataset or not. Specifically, given a black-box access to the target classifier, the attacker trains a binary classifier, which takes a data sample's confidence score vector predicted by the target classifier as an input and predicts the data sample to be a member or non-member of the target classifier's training dataset. Membership inference attacks pose severe privacy and security threats to the training dataset. Most existing defenses leverage differential privacy when training the target classifier or regularize the training process of the target classifier. These defenses suffer from two key limitations: 1) they do not have formal utility-loss guarantees of the confidence score vectors, and 2) they achieve suboptimal privacy-utility tradeoffs.In this work, we propose MemGuard, the first defense with formal utility-loss guarantees against black-box membership inference attacks. Instead of tampering the training process of the target classifier, MemGuard adds noise to each confidence score vector predicted by the target classifier. Our key observation is that attacker uses a classifier to predict member or non-member and classifier is vulnerable to adversarial examples. Based on the observation, we propose to add a carefully crafted noise vector to a confidence score vector to turn it into an adversarial example that misleads the attacker's classifier. Specifically, MemGuard works in two phases. In Phase I, MemGuard finds a carefully crafted noise vector that can turn a confidence score vector into an adversarial example, which is likely to mislead the attacker's classifier to make a random guessing at member or non-member. We find such carefully crafted noise vector via a new method that we design to incorporate the unique utility-loss constraints on the noise vector. In Phase II, Mem-Guard adds the noise vector to the confidence score vector with a certain probability, which is selected to satisfy a given utility-loss budget on the confidence score vector. Our experimental results on

Machine learning models leak information about the datasets on which they are trained. An adversary can build an algorithm to trace the individual members of a model's training dataset. As a fundamental inference attack, he aims to distinguish between data points that were part of the model's training set and any other data points from the same distribution. This is known as the tracing (and also membership inference) attack. In this paper, we focus on such attacks against black-box models, where the adversary can only observe the output of the model, but not its parameters. This is the current setting of machine learning as a service in the Internet.We introduce a privacy mechanism to train machine learning models that provably achieve membership privacy: the model's predictions on its training data are indistinguishable from its predictions on other data points from the same distribution. We design a strategic mechanism where the privacy mechanism anticipates the membership inference attacks. The objective is to train a model such that not only does it have the minimum prediction error (high utility), but also it is the most robust model against its corresponding strongest inference attack (high privacy). We formalize this as a min-max game optimization problem, and design an adversarial training algorithm that minimizes the classification loss of the model as well as the maximum gain of the membership inference attack against it. This strategy, which guarantees membership privacy (as prediction indistinguishability), acts also as a strong regularizer and significantly generalizes the model.We evaluate our privacy mechanism on deep neural networks using different benchmark datasets. We show that our min-max strategy can mitigate the risk of membership inference attacks (close to the random guess) with a negligible cost in terms of the classification error.

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.

机器学习模型容易受到会员推理攻击的影响，在这种攻击中，对手的目的是预测目标模型培训数据集中是否包含特定样本。现有的攻击方法通常仅从给定的目标模型中利用输出信息（主要是损失）。结果，在成员和非成员样本都产生类似小损失的实际情况下，这些方法自然无法区分它们。为了解决这一限制，在本文中，我们提出了一种称为\系统的新攻击方法，该方法可以利用目标模型的整个培训过程中的成员资格信息来改善攻击性能。要将攻击安装在共同的黑盒环境中，我们利用知识蒸馏，并通过在不同蒸馏时期的中间模型中评估的损失表示成员资格信息，即\ emph {蒸馏损失轨迹}，以及损失来自给定的目标模型。对不同数据集和模型体系结构的实验结果证明了我们在不同指标方面的攻击优势。例如，在Cinic-10上，我们的攻击至少达到6 $ \ times $ $阳性的速率，低阳性率为0.1 \％的速率比现有方法高。进一步的分析表明，在更严格的情况下，我们攻击的总体有效性。