安全的基于多方计算的机器学习（称为MPL）已成为利用来自具有隐私保护的多个政党的数据的重要技术。尽管MPL为计算过程提供了严格的安全保证，但MPL训练的模型仍然容易受到仅依赖于访问模型的攻击。差异隐私可以帮助防御此类攻击。但是，差异隐私和安全多方计算协议的巨大沟通开销带来的准确性损失使得平衡隐私，效率和准确性之间的三通权衡是高度挑战的。在本文中，我们有动力通过提出一种解决方案（称为PEA（私有，高效，准确））来解决上述问题，该解决方案由安全的DPSGD协议和两种优化方法组成。首先，我们提出了一个安全的DPSGD协议，以在基于秘密共享的MPL框架中强制执行DPSGD。其次，为了减少因差异隐私噪声和MPL的巨大通信开销而导致的准确性损失，我们提出了MPL训练过程的两种优化方法：（1）与数据无关的功能提取方法，旨在简化受过训练的模型结构体; （2）基于本地数据的全局模型初始化方法，旨在加快模型训练的收敛性。我们在两个开源MPL框架中实施PEA：TF-Conteded和Queqiao。各种数据集的实验结果证明了PEA的效率和有效性。例如。当$ {\ epsilon} $ = 2时，我们可以在LAN设置下的7分钟内训练CIFAR-10的差异私有分类模型，其精度为88％。这一结果大大优于来自CryptGPU的一个SOTA MPL框架：在CIFAR-10上训练非私有性深神经网络模型的成本超过16小时，其精度相同。

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。

已经提出了安全的多方计算（MPC），以允许多个相互不信任的数据所有者在其合并数据上共同训练机器学习（ML）模型。但是，通过设计，MPC协议忠实地计算了训练功能，对抗性ML社区已证明该功能泄漏了私人信息，并且可以在中毒攻击中篡改。在这项工作中，我们认为在我们的框架中实现的模型合奏是一种称为Safenet的框架，是MPC的高度无限方法，可以避免许多对抗性ML攻击。 MPC培训中所有者之间数据的自然分区允许这种方法在训练时间高度可扩展，可证明可保护免受中毒攻击的保护，并证明可以防御许多隐私攻击。我们展示了Safenet对在端到端和转移学习方案训练的几个机器学习数据集和模型上中毒的效率，准确性和韧性。例如，Safenet可显着降低后门攻击的成功，同时获得$ 39 \ times $ $的培训，$ 36 \ times $ $ $少于达尔斯科夫（Dalskov）等人的四方MPC框架。我们的实验表明，即使在许多非IID设置中，结合也能保留这些好处。结合的简单性，廉价的设置和鲁棒性属性使其成为MPC私下培训ML模型的强大首选。

我们解决了从培训数据中学习机器学习模型的问题，该模型源于多个数据所有者，同时提供有关保护每个所有者数据的正式隐私保证。基于差异隐私（DP）的现有解决方案以准确性下降为代价。基于安全多方计算（MPC）的解决方案不会引起这种准确性损失，而是在公开可用的训练模型时泄漏信息。我们提出了用于训练DP模型的MPC解决方案。我们的解决方案依赖于用于模型培训的MPC协议，以及以隐私保护方式以拉普拉斯噪声扰动训练有素的模型系数的MPC协议。所得的MPC+DP方法比纯DP方法获得了更高的准确性，同时提供相同的正式隐私保证。我们的工作在IDASH2021轨道III竞赛中获得了针对安全基因组分析的机密计算竞赛的第一名。

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.

Deep neural networks have strong capabilities of memorizing the underlying training data, which can be a serious privacy concern. An effective solution to this problem is to train models with differential privacy, which provides rigorous privacy guarantees by injecting random noise to the gradients. This paper focuses on the scenario where sensitive data are distributed among multiple participants, who jointly train a model through federated learning (FL), using both secure multiparty computation (MPC) to ensure the confidentiality of each gradient update, and differential privacy to avoid data leakage in the resulting model. A major challenge in this setting is that common mechanisms for enforcing DP in deep learning, which inject real-valued noise, are fundamentally incompatible with MPC, which exchanges finite-field integers among the participants. Consequently, most existing DP mechanisms require rather high noise levels, leading to poor model utility. Motivated by this, we propose Skellam mixture mechanism (SMM), an approach to enforce DP on models built via FL. Compared to existing methods, SMM eliminates the assumption that the input gradients must be integer-valued, and, thus, reduces the amount of noise injected to preserve DP. Further, SMM allows tight privacy accounting due to the nice composition and sub-sampling properties of the Skellam distribution, which are key to accurate deep learning with DP. The theoretical analysis of SMM is highly non-trivial, especially considering (i) the complicated math of differentially private deep learning in general and (ii) the fact that the mixture of two Skellam distributions is rather complex, and to our knowledge, has not been studied in the DP literature. Extensive experiments on various practical settings demonstrate that SMM consistently and significantly outperforms existing solutions in terms of the utility of the resulting model.

Federated learning is a collaborative method that aims to preserve data privacy while creating AI models. Current approaches to federated learning tend to rely heavily on secure aggregation protocols to preserve data privacy. However, to some degree, such protocols assume that the entity orchestrating the federated learning process (i.e., the server) is not fully malicious or dishonest. We investigate vulnerabilities to secure aggregation that could arise if the server is fully malicious and attempts to obtain access to private, potentially sensitive data. Furthermore, we provide a method to further defend against such a malicious server, and demonstrate effectiveness against known attacks that reconstruct data in a federated learning setting.

联合学习（FL）提供了一个有效的范式，可以共同培训分布式用户的数据的全球模型。由于本地培训数据来自可能不值得信赖的不同用户，因此一些研究表明，FL容易受到中毒攻击的影响。同时，为了保护本地用户的隐私，FL始终以差异性私人方式（DPFL）进行培训。因此，在本文中，我们问：我们是否可以利用DPFL的先天隐私权来提供对中毒攻击的认证鲁棒性？我们可以进一步改善FL的隐私以改善这种认证吗？我们首先研究了FL的用户级和实例级别的隐私，并提出了新的机制以获得改进的实例级隐私。然后，我们提供两个鲁棒性认证标准：两级DPFL的认证预测和认证攻击成本。从理论上讲，我们证明了DPFL在有限数量的对抗用户或实例下的认证鲁棒性。从经验上讲，我们进行了广泛的实验，以在对不同数据集的一系列攻击下验证我们的理论。我们表明，具有更严格的隐私保证的DPFL总是在认证攻击成本方面提供更强的鲁棒性认证，但是在隐私保护和公用事业损失之间的适当平衡下，获得了最佳认证预测。

安全的多方计算（MPC）允许当事方在数据私有的同时对数据进行计算。该功能具有机器学习应用程序的巨大潜力：它促进了对不同政党拥有的私人数据集的机器学习模型的培训，使用另一方的私人数据评估一方的私人模型等。尽管一系列研究实现了机器 - 通过安全MPC学习模型，此类实现尚未成为主流。没有灵活的软件框架“说话”机器学习研究人员和工程师的灵活软件框架的缺乏阻碍了安全MPC的采用。为了促进机器学习中安全MPC的采用，我们提出了Crypten：一个软件框架，该框架通过在现代机器学习框架中常见的抽象来揭示流行的安全MPC原语，例如张量计算，自动分化和模块化神经网络。本文描述了隐秘的设计，并在最新的文本分类，语音识别和图像分类的模型上衡量其性能。我们的基准表明，Crypten的GPU支持和（任意数量）各方之间的高性能通信使其能够在半honest威胁模型下对现代机器学习模型进行有效的私人评估。例如，使用密码的两方可以使用WAV2letter在语音记录中安全预测音素的速度比实时更快。我们希望Crypten能促使在机器学习社区中采用安全MPC。

Differentially private federated learning (DP-FL) has received increasing attention to mitigate the privacy risk in federated learning. Although different schemes for DP-FL have been proposed, there is still a utility gap. Employing central Differential Privacy in FL (CDP-FL) can provide a good balance between the privacy and model utility, but requires a trusted server. Using Local Differential Privacy for FL (LDP-FL) does not require a trusted server, but suffers from lousy privacy-utility trade-off. Recently proposed shuffle DP based FL has the potential to bridge the gap between CDP-FL and LDP-FL without a trusted server; however, there is still a utility gap when the number of model parameters is large. In this work, we propose OLIVE, a system that combines the merits from CDP-FL and LDP-FL by leveraging Trusted Execution Environment (TEE). Our main technical contributions are the analysis and countermeasures against the vulnerability of TEE in OLIVE. Firstly, we theoretically analyze the memory access pattern leakage of OLIVE and find that there is a risk for sparsified gradients, which is common in FL. Secondly, we design an inference attack to understand how the memory access pattern could be linked to the training data. Thirdly, we propose oblivious yet efficient algorithms to prevent the memory access pattern leakage in OLIVE. Our experiments on real-world data demonstrate that OLIVE is efficient even when training a model with hundreds of thousands of parameters and effective against side-channel attacks on TEE.

联合学习允许一组用户在私人训练数据集中培训深度神经网络。在协议期间，数据集永远不会留下各个用户的设备。这是通过要求每个用户向中央服务器发送“仅”模型更新来实现，从而汇总它们以更新深神经网络的参数。然而，已经表明，每个模型更新都具有关于用户数据集的敏感信息（例如，梯度反转攻击）。联合学习的最先进的实现通过利用安全聚合来保护这些模型更新：安全监控协议，用于安全地计算用户的模型更新的聚合。安全聚合是关键，以保护用户的隐私，因为它会阻碍服务器学习用户提供的个人模型更新的源，防止推断和数据归因攻击。在这项工作中，我们表明恶意服务器可以轻松地阐明安全聚合，就像后者未到位一样。我们设计了两种不同的攻击，能够在参与安全聚合的用户数量上，独立于参与安全聚合的用户数。这使得它们在大规模现实世界联邦学习应用中的具体威胁。攻击是通用的，不瞄准任何特定的安全聚合协议。即使安全聚合协议被其理想功能替换为提供完美的安全性的理想功能，它们也同样有效。我们的工作表明，安全聚合与联合学习相结合，当前实施只提供了“虚假的安全感”。

Machine learning is widely used in practice to produce predictive models for applications such as image processing, speech and text recognition. These models are more accurate when trained on large amount of data collected from different sources. However, the massive data collection raises privacy concerns.In this paper, we present new and efficient protocols for privacy preserving machine learning for linear regression, logistic regression and neural network training using the stochastic gradient descent method. Our protocols fall in the two-server model where data owners distribute their private data among two non-colluding servers who train various models on the joint data using secure two-party computation (2PC). We develop new techniques to support secure arithmetic operations on shared decimal numbers, and propose MPC-friendly alternatives to non-linear functions such as sigmoid and softmax that are superior to prior work. We implement our system in C++. Our experiments validate that our protocols are several orders of magnitude faster than the state of the art implementations for privacy preserving linear and logistic regressions, and scale to millions of data samples with thousands of features. We also implement the first privacy preserving system for training neural networks.

从分布式敏感数据中学习隐私的模型是一个越来越重要的问题，通常在联邦学习环境中提出。最近通过分区的变异推理算法扩展到了非私有联盟学习设置。为了保护隐私，当前的黄金标准称为差异隐私。差异隐私在强大的数学上明确定义的意义上保证了隐私。在本文中，我们介绍了差异化的分区变异推断，这是学习与联合学习环境中贝叶斯后分布的差异近似的第一个通用框架，同时最大程度地减少了通信弹的数量并为数据主体提供差异隐私保证。我们在通用框架中提出了三个替代实现，一个基于单个方面的本地优化，而两个基于扰动全局更新（一种使用联合平均版本，一个将虚拟方添加到协议中），并比较其属性，并比较其属性理论上和经验。我们表明，只要各方都有足够的本地数据，扰动本地优化与简单且复杂的模型效果很好。但是，每个方始终独立保证隐私。相比之下，扰动全局更新与相对简单的模型最有效。鉴于可以访问合适的安全原始词，例如安全聚合或安全的改组，所有各方都可以共同保证隐私。

在联合学习（FL）中，一组参与者共享与将更新结合到全局模型中的聚合服务器在本地数据上计算的更新。但是，将准确性与隐私和安全性进行调和是FL的挑战。一方面，诚实参与者发送的良好更新可能会揭示其私人本地信息，而恶意参与者发送的中毒更新可能会损害模型的可用性和/或完整性。另一方面，通过更新失真赔偿准确性增强隐私，而通过更新聚合损坏安全性，因为它不允许服务器过滤掉单个中毒更新。为了解决准确性私人关系冲突，我们提出{\ em碎片的联合学习}（FFL），其中参与者在将其发送到服务器之前，随机交换并混合其更新的片段。为了获得隐私，我们设计了一个轻巧的协议，该协议允许参与者私下交换和混合其更新的加密片段，以便服务器既不能获得单个更新，也不能将其链接到其发起人。为了实现安全性，我们设计了针对FFL量身定制的基于声誉的防御，该防御根据他们交换的片段质量以及他们发送的混合更新来建立对参与者及其混合更新的信任。由于交换的片段的参数可以保持其原始坐标和攻击者可以中和，因此服务器可以从接收到的混合更新中正确重建全局模型而不会准确损失。四个真实数据集的实验表明，FFL可以防止半冬季服务器安装隐私攻击，可以有效地抵抗中毒攻击，并可以保持全局模型的准确性。

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。

拜占庭式联合学习（FL）旨在对抗恶意客户并培训准确的全球模型，同时保持极低的攻击成功率。然而，大多数现有系统仅在诚实/半hon最达克的多数设置中都具有强大的功能。 FLTRUST（NDSS '21）将上下文扩展到对客户的恶意多数，但在训练之前，应在训练之前为服务器提供辅助数据集，以便过滤恶意输入。私人火焰/flguard（Usenix '22）提供了一种解决方案，以确保在半多数上下文中既有稳健性和更新机密性。到目前为止，不可能平衡恶意背景，鲁棒性和更新机密性之间的权衡。为了解决这个问题，我们提出了一种新颖的拜占庭式bybust和隐私的FL系统，称为简介，以捕获恶意的少数群体和多数服务器和客户端。具体而言，基于DBSCAN算法，我们设计了一种通过成对调整的余弦相似性聚类的新方法，以提高聚类结果的准确性。为了阻止多数攻击恶意的攻击，我们开发了一种称为模型分割的算法，在该算法中，同一集群中的本地更新聚集在一起，并且将聚合正确地发送回相应的客户端。我们还利用多种密码工具来执行聚类任务，而无需牺牲培训正确性并更新机密性。我们介绍了详细的安全证明和经验评估以及简要的收敛分析。实验结果表明，简介的测试精度实际上接近FL基线（平均为0.8％的差距）。同时，攻击成功率约为0％-5％。我们进一步优化了设计，以便可以分别降低{67％-89.17％和66.05％-68.75％}的通信开销和运行时。

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.

分布式隐私的回归方案已在各个领域开发和扩展，在这些领域中，多方协作和私人运行优化算法，例如梯度下降，以学习一组最佳参数。但是，传统的基于梯度的方法无法解决包含具有L1正则化的客观功能的问题，例如LASSO回归。在本文中，我们介绍了一个名为FCD的新分布式方案联合坐标下降，旨在在多方场景下安全地解决此问题。具体而言，通过安全的聚合和添加的扰动，我们的方案确保：（1）没有向其他方泄漏本地信息，并且（2）全局模型参数不会暴露于云服务器。最终，各方可以消除附加的扰动，以得出具有高性能的全球模型。我们表明，FCD方案填补了多方安全坐标下降方法的空白，并且适用于一般线性回归，包括线性，脊和拉索回归。理论安全分析和实验结果表明，可以有效，有效地执行FCD，并以低MAE度量作为在现实世界UCI数据集的三种线性回归的任务下作为集中方法提供的低MAE度量。

联邦学习一直是一个热门的研究主题，使不同组织的机器学习模型的协作培训在隐私限制下。随着研究人员试图支持更多具有不同隐私方法的机器学习模型，需要开发系统和基础设施，以便于开发各种联合学习算法。类似于Pytorch和Tensorflow等深度学习系统，可以增强深度学习的发展，联邦学习系统（FLSS）是等效的，并且面临各个方面的面临挑战，如有效性，效率和隐私。在本调查中，我们对联合学习系统进行了全面的审查。为实现流畅的流动和引导未来的研究，我们介绍了联合学习系统的定义并分析了系统组件。此外，我们根据六种不同方面提供联合学习系统的全面分类，包括数据分布，机器学习模型，隐私机制，通信架构，联合集市和联合的动机。分类可以帮助设计联合学习系统，如我们的案例研究所示。通过系统地总结现有联合学习系统，我们展示了设计因素，案例研究和未来的研究机会。

我们考虑垂直逻辑回归（VLR）接受了迷你批次梯度下降训练，这种环境吸引了行业日益增长的兴趣，并被证明在包括金融和医学研究在内的广泛应用中很有用。我们在一系列开源联合学习框架中提供了对VLR的全面和严格的隐私分析，其中协议之间可能会有所不同，但是获得了获得本地梯度的过程。我们首先考虑了诚实而有趣的威胁模型，其中忽略了协议的详细实施，并且仅假定共享过程，我们将其作为甲骨文提取。我们发现，即使在这种一般环境下，在适当的批处理大小约束下，仍然可以从另一方恢复单维功能和标签，从而证明了遵循相同理念的所有框架的潜在脆弱性。然后，我们研究基于同态加密（HE）的协议的流行实例。我们提出了一种主动攻击，该攻击通过生成和压缩辅助密文来显着削弱对先前分析中批处理大小的约束。为了解决基于HE的协议中的隐私泄漏，我们基于差异隐私（DP）开发了一种简单的对策，并为更新的算法提供实用程序和隐私保证。最后，我们从经验上验证了我们对基准数据集的攻击和防御的有效性。总之，我们的发现表明，仅依靠他的所有垂直联合学习框架可能包含严重的隐私风险，而DP已经证明了其在水平联合学习中的力量，也可以在垂直环境中起着至关重要的作用，尤其是当耦合时使用HE或安全的多方计算（MPC）技术。