Machine Learning (ML) profitiert erheblich von der Verfügbarkeit großer Mengen an Trainingsdaten, sowohl im Bezug auf die Anzahl an Datenpunkten, als auch auf die Anzahl an Features pro Datenpunkt. Es ist allerdings oft weder möglich, noch gewollt, mehr Daten unter zentraler Kontrolle zu aggregieren. Multi-Party-Computation (MPC)-Protokolle stellen eine Lösung dieses Dilemmas in Aussicht, indem sie es mehreren Parteien erlauben, ML-Modelle auf der Gesamtheit ihrer Daten zu trainieren, ohne die Eingabedaten preiszugeben. Generische MPC-Ansätze bringen allerdings erheblichen Mehraufwand in der Kommunikations- und Laufzeitkomplexität mit sich, wodurch sie sich nur beschränkt für den Einsatz in der Praxis eignen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Privatsphäreerhaltendes Machine Learning mittels MPC praxistauglich zu machen. Zuerst fokussieren wir uns auf zwei Anwendungen, lineare Regression und Klassifikation von Dokumenten. Hier zeigen wir, dass sich der Kommunikations- und Rechenaufwand erheblich reduzieren lässt, indem die aufwändigsten Teile der Berechnung durch Sub-Protokolle ersetzt werden, welche auf die Zusammensetzung der Parteien, die Verteilung der Daten, und die Zahlendarstellung zugeschnitten sind. Insbesondere das Ausnutzen dünnbesetzter Datenrepräsentationen kann die Effizienz der Protokolle deutlich verbessern. Diese Beobachtung verallgemeinern wir anschließend durch die Entwicklung einer Datenstruktur für solch dünnbesetzte Daten, sowie dazugehöriger Zugriffsprotokolle. Aufbauend auf dieser Datenstruktur implementieren wir verschiedene Operationen der Linearen Algebra, welche in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden.
Insgesamt zeigt die vorliegende Arbeit, dass MPC ein vielversprechendes Werkzeug auf dem Weg zu Privatsphäre-erhaltendem Machine Learning ist, und die von uns entwickelten Protokolle stellen einen wesentlichen Schritt in diese Richtung dar. / Machine learning (ML) greatly benefits from the availability of large amounts of training data, both in terms of the number of samples, and the number of features per sample. However, aggregating more data under centralized control is not always possible, nor desirable, due to security and privacy concerns, regulation, or competition. Secure multi-party computation (MPC) protocols promise a solution to this dilemma, allowing multiple parties to train ML models on their joint datasets while provably preserving the confidentiality of the inputs. However, generic approaches to MPC result in large computation and communication overheads, which limits the applicability in practice.
The goal of this thesis is to make privacy-preserving machine learning with secure computation practical. First, we focus on two high-level applications, linear regression and document classification. We show that communication and computation overhead can be greatly reduced by identifying the costliest parts of the computation, and replacing them with sub-protocols that are tailored to the number and arrangement of parties, the data distribution, and the number representation used. One of our main findings is that exploiting sparsity in the data representation enables considerable efficiency improvements. We go on to generalize this observation, and implement a low-level data structure for sparse data, with corresponding secure access protocols. On top of this data structure, we develop several linear algebra algorithms that can be used in a wide range of applications. Finally, we turn to improving a cryptographic primitive named vector-OLE, for which we propose a novel protocol that helps speed up a wide range of secure computation tasks, within private machine learning and beyond.
Overall, our work shows that MPC indeed offers a promising avenue towards practical privacy-preserving machine learning, and the protocols we developed constitute a substantial step in that direction.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/24117 |
| Date | 08 October 2021 |
| Creators | Schoppmann, Phillipp |
| Contributors | Scheuermann, Björn, Gascón, Adrià, Scholl, Peter |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY-SA 4.0) Attribution-ShareAlike 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ |
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