隐私计算是指在保护数据本身不对外泄露的前提下,实现数据的计算和分析的一系列信息技术。随着数据成为重要的生产要素,数据的流通与融合需求日益增长,但数据隐私安全问题也愈发突出。隐私计算技术旨在平衡数据的价值挖掘与隐私保护,为数据的安全使用提供解决方案。
隐私计算涉及到多个主要的关键技术:
隐私计算在金融、医疗、政务、互联网等用户场景下,能够保证多方数据交换的同时,保证用户的隐私信息。主要的应用领域详细如下:
多方安全计算允许多个参与方在不泄露各自数据的前提下共同计算一个目标函数。例如,在一个联合统计场景中,各方想计算数据总和,但不想暴露自己的数据。
技术原理:通过秘密分享、混淆电路、不经意传输等密码学原语,将计算任务拆分成多个子任务,各方分别执行自己的子任务,最终汇总结果得到目标计算结果,且任何一方都无法获取其他方的原始数据。
Python 代码示例(简单秘密分享求和):
import random
def share_secret(secret, n, t):
shares = []
coefficients = [random.randint(1, 100) for _ in range(t - 1)]
for i in range(1, n + 1):
share = secret
x = i
for j, coefficient in enumerate(coefficients):
share += coefficient * (x ** (j + 1))
shares.append(share)
return shares
def reconstruct_secret(shares, t):
result = 0
for i, share1 in enumerate(shares[:t]):
x1 = i + 1
numerator = 1
denominator = 1
for j, share2 in enumerate(shares[:t]):
if i!= j:
x2 = j + 1
numerator *= -x2
denominator *= (x1 - x2)
result += share1 * (numerator / denominator)
return result
# 示例使用
secret = 100 # 假设的秘密数据
n = 5 # 分享份数
t = 3 # 最少恢复份数
shares = share_secret(secret, n, t)
recovered_secret = reconstruct_secret(shares, t)
print(f"原始秘密: {secret}, 恢复的秘密: {recovered_secret}")
联邦学习是一种分布式机器学习技术,多个参与方在不交换原始数据的情况下协同训练模型。主要分为横向联邦学习(特征相似,样本不同)、纵向联邦学习(样本相似,特征不同)和联邦迁移学习(样本和特征都不同)。
技术原理:在横向联邦学习中,各方在本地训练模型,然后上传模型参数(如梯度),中心服务器聚合这些参数得到全局模型,再将全局模型下发给各方继续训练。
Python 代码示例(简单横向联邦学习使用 TensorFlow Federated):
首先确保安装 tensorflow_federated 库:
pip install tensorflow_federated
代码示例:
import tensorflow as tf
import tensorflow_federated as tff
# 模拟本地数据集
def create_local_dataset():
data = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((tf.random.normal([10, 2]), tf.random.uniform([10], minval=0, maxval=2, dtype=tf.int32)))
return data.batch(2)
# 构建简单模型
def create_model():
model = tf.keras.Sequential([
tf.keras.layers.Dense(10, activation='relu', input_shape=(2,)),
tf.keras.layers.Dense(2, activation='softmax')
])
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(), loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(), metrics=['accuracy'])
return model
# 模拟多个客户端的本地数据集
client_datasets = [create_local_dataset() for _ in range(3)]
# 联邦学习过程
iterative_process = tff.learning.build_federated_averaging_process(
model_fn=create_model,
client_optimizer_fn=lambda: tf.keras.optimizers.Adam(0.01)
)
state = iterative_process.initialize()
for _ in range(5):
state, metrics = iterative_process.next(state, client_datasets)
print(f"Round {_ + 1}, Metrics: {metrics}")
同态加密允许在密文上进行特定的计算,其结果与在明文上计算后再加密的结果相同。例如,对密文进行加法和乘法运算,解密后的结果等同于对明文进行相应运算的结果。
技术原理:基于数学难题,如大整数分解、离散对数等,构造加密算法,使得密文满足特定的同态性质。
Python 代码示例(使用 SEAL 库实现简单同态加密加法):
首先安装 seal 库(安装过程可能因系统不同而有差异,可参考官方文档):
pip install seal
代码示例:
from seal import *
def homomorphic_encryption_example():
# 初始化加密参数
parms = EncryptionParameters(scheme_type.CKKS)
poly_modulus_degree = 8192
parms.set_poly_modulus_degree(poly_modulus_degree)
parms.set_coeff_modulus(CoeffModulus.Create(poly_modulus_degree, [60, 40, 40, 60]))
scale = 2.0 ** 40
# 创建上下文、密钥生成器等
context = SEALContext.Create(parms)
keygen = KeyGenerator(context)
public_key = PublicKey()
keygen.create_public_key(public_key)
secret_key = keygen.secret_key()
encryptor = Encryptor(context, public_key)
decryptor = Decryptor(context, secret_key)
evaluator = Evaluator(context)
# 明文数据
plaintext1 = Plaintext()
plaintext2 = Plaintext()
encoder = CKKSEncoder(context)
value1 = [1.0, 2.0]
value2 = [3.0, 4.0]
encoder.encode(value1, scale, plaintext1)
encoder.encode(value2, scale, plaintext2)
# 加密
ciphertext1 = Ciphertext()
ciphertext2 = Ciphertext()
encryptor.encrypt(plaintext1, ciphertext1)
encryptor.encrypt(plaintext2, ciphertext2)
# 密文计算(加法)
result_ciphertext = Ciphertext()
evaluator.add(ciphertext1, ciphertext2, result_ciphertext)
# 解密
result_plaintext = Plaintext()
decryptor.decrypt(result_ciphertext, result_plaintext)
result = encoder.decode(result_plaintext)
print(f"明文1: {value1}, 明文2: {value2}, 密文相加结果(解密后): {result}")
if __name__ == "__main__":
homomorphic_encryption_example()