《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向隱私保護機器學(xué)習(xí)的同態(tài)加密轉(zhuǎn)換器設(shè)計與實現(xiàn)
網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)治理 7期
鐘志威
（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230027）
摘要： 傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)技術(shù)可以充分挖掘數(shù)據(jù)價值但是無法保護數(shù)據(jù)隱私。基于同態(tài)加密的隱私保護機器學(xué)習(xí)是對于該問題的有效解決方案。當前將同態(tài)加密應(yīng)用于隱私保護機器學(xué)習(xí)任務(wù)中的主要挑戰(zhàn)在于缺少高層次的編程工具，尤其是缺少對于矩陣運算的抽象。采用CKKS同態(tài)加密方案，針對隱私保護場景設(shè)計了一種易于使用的同態(tài)加密轉(zhuǎn)換器，其可將機器學(xué)習(xí)算法的明文程序轉(zhuǎn)換為同態(tài)加密程序，同時保證矩陣的編碼、加密和計算過程對用戶透明。在五種醫(yī)療數(shù)據(jù)集上的實驗結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)換器可在保證密態(tài)矩陣運算的安全性、正確性和高效性的同時，兼顧易用性。
中圖分類號：TP309
文獻標識碼：A
DOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2023.07.005
引用格式：鐘志威.面向隱私保護機器學(xué)習(xí)的同態(tài)加密轉(zhuǎn)換器設(shè)計與實現(xiàn)［J］.網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)治理，2023，42（7）：31-36.
Design and implementation of hmomorphic ecryption transformer for privacy-preserving machine learning
Zhong Zhiwei
(School of Computer Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)
Abstract： Traditional machine learning techniques can exploit the full value of data but cannot protect data privacy. Privacypreserving machine learning based on homomorphic encryption is an effective solution to this problem. The main challenge in applying homomorphic encryption to privacy-preserving machine learning tasks is the lack of high-level programming tools, in particular, the lack of abstraction for matrix operations. Using the CKKS homomorphic encryption scheme, an easy-to-use homomorphic encryption transformer is designed for privacy-preserving scenarios, which converts the plaintext program of a machine learning algorithm into a homomorphic encryption program while ensuring that the encoding, encryption and computation of the matrix are transparent to the user. Experimental results on five medical datasets show that the transformer is easy to use while ensuring the security, correctness and efficiency of the cryptomorphic matrix operations.
Key words : privacy preservation; machine learning;homomorphic encryption;matrix arithmetic

0    引言

數(shù)據(jù)被認為是大數(shù)據(jù)時代最寶貴的資源，而機器學(xué)習(xí)成為挖掘數(shù)據(jù)價值的有力工具。近些年來隨著云計算的廣泛普及，人們越來越多地將數(shù)據(jù)保存在云端，并將計算也外包至云端。然而，異地存儲和計算帶來了潛在的數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險。隨著各國數(shù)據(jù)安全法的頒布和實施，人們對于數(shù)據(jù)安全的重視程度不斷提高，一些持有敏感數(shù)據(jù)的機構(gòu)對于數(shù)據(jù)托管和外包計算產(chǎn)生了較大的疑慮。業(yè)界的這種擔憂極大地阻礙了數(shù)據(jù)的共享和流通，數(shù)據(jù)價值難以得到充分利用。隱私計算是解決這一問題的有效途徑，可在保護數(shù)據(jù)本身不泄露的前提下對數(shù)據(jù)進行分析計算，達到數(shù)據(jù)可用不可見的目的，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的轉(zhuǎn)化和釋放。

在現(xiàn)有隱私計算技術(shù)中，同態(tài)加密（Homomorphic Encryption，HE）是一類具有特殊數(shù)學(xué)性質(zhì)的加密方法。利用同態(tài)加密技術(shù)，無密鑰的計算方可以對密文進行計算，在整個計算過程中無須與密鑰方交互，具有極高的安全性。自2009年Gentry提出第一個可行的全同態(tài)加密方案以來，經(jīng)過多年演進，同態(tài)加密逐漸從理論走向現(xiàn)實?，F(xiàn)在，得益于底層理論的進步、更高效的軟件實現(xiàn)以及專用硬件（如GPU）的支持，同態(tài)加密已經(jīng)越來越實用。特別是現(xiàn)代同態(tài)加密方案引入了批量編碼特性，能夠?qū)⒍鄠€明文值編碼到單個密文中，進一步提高了數(shù)據(jù)吞吐量和計算并行性。

由于同態(tài)加密可對加密數(shù)據(jù)進行計算，基于同態(tài)加密的隱私計算解決方案引起了越來越多的關(guān)注。Cheon等人提出了一種支持實數(shù)運算和批量編碼的加密方案CKKS，其特別適合于機器學(xué)習(xí)應(yīng)用，目前已被應(yīng)用于邏輯回歸以及支持向量機等任務(wù)中。盡管將同態(tài)加密應(yīng)用于機器學(xué)習(xí)前景光明，但是目前缺乏一種通用方式讓開發(fā)者在不了解底層加密方案細節(jié)的情況下，為特定隱私保護機器學(xué)習(xí)算法編寫高效的同態(tài)加密應(yīng)用程序。具體來說，將同態(tài)加密應(yīng)用于隱私保護機器學(xué)習(xí)時面臨以下兩個挑戰(zhàn)。

第一，選擇最優(yōu)的加密參數(shù)是一個難題。使用同態(tài)加密時需要設(shè)置合適的加密參數(shù)（Encryption Parameters），才能保證密文的安全性和解密的正確性。一方面，較大的加密參數(shù)會產(chǎn)生非常大的密文，增加計算和存儲密文的成本；另一方面，較小的加密參數(shù)可能導(dǎo)致達不到期望的安全級別，甚至無法解密。最優(yōu)的加密參數(shù)應(yīng)在保證密態(tài)計算的安全性和正確性的同時，最小化加密程序的內(nèi)存占用和執(zhí)行時間。

第二，選擇合適的數(shù)據(jù)編碼方案是一個難題。機器學(xué)習(xí)算法主要涉及矩陣和向量運算，為充分利用同態(tài)加密的批量編碼特性提升計算效率，可將一個矩陣編碼在若干個密文中，并配合相應(yīng)的算法實現(xiàn)對密文的高效計算，這需要熟悉加密方案的專家設(shè)計合理的數(shù)據(jù)編碼方案。如何針對不同的機器學(xué)習(xí)應(yīng)用設(shè)計合理的數(shù)據(jù)編碼方案是一個難題。

近年來，同態(tài)加密編譯器的研究試圖解決以上問題。EVA（Encrypted Vector Arithmetic）編譯器是一種領(lǐng)域特定語言的編譯器，其基于CKKS方案，配合其前端 PyEVA 可以方便地編寫同態(tài)加密應(yīng)用程序。然而，EVA 編譯器在實際中應(yīng)用仍然存在兩個問題需要解決。首先，EVA作為一種向量算術(shù)編譯器，其計算邏輯建立在向量表達式之上，需要手動將輸入數(shù)據(jù)分解為多個向量并提前指定EVA編譯器輸入向量的大小，程序性能非常依賴于手工調(diào)優(yōu)。其次，當前以數(shù)據(jù)為中心的機器學(xué)習(xí)算法的數(shù)學(xué)本質(zhì)是矩陣運算，但EVA尚未提供矩陣層次的抽象，不足以應(yīng)對矩陣運算帶來的挑戰(zhàn)。

從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，EVA編譯器的不足之處在于缺少從向量算術(shù)到矩陣算術(shù)的抽象層，需要用戶手動將矩陣算術(shù)映射為向量算術(shù)。本文設(shè)計的同態(tài)加密轉(zhuǎn)換器研究可以填補這一抽象層的空白，其可以將用高級語言Python編寫的代碼轉(zhuǎn)換為能夠處理加密輸入的等效代碼。本文充分利用了機器學(xué)習(xí)算法的批量計算和同態(tài)加密方案的批量編碼特性，首次提出了對用戶透明的同態(tài)加密轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了矩陣計算邏輯與底層密文計算的完全分離。使用轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)安全高效的隱私保護機器學(xué)習(xí)算法時，不需要考慮矩陣數(shù)據(jù)的編碼和計算細節(jié)。



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作者信息：

鐘志威

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230027）

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