隱私計(jì)算技術(shù)應(yīng)用和展望

文 | 國網(wǎng)吉林省電力有限公司四平供電公司 任洪民

國網(wǎng)思極網(wǎng)安科技（北京）有限公司 李祉岐 孫磊 尹琴

隨著個(gè)人數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的重要性逐漸凸顯，聯(lián)邦學(xué)習(xí)、同態(tài)加密和多方計(jì)算等隱私保護(hù)技術(shù)變得愈發(fā)重要。本文旨在探討這些領(lǐng)域的最新國際進(jìn)展。在聯(lián)邦學(xué)習(xí)部分，介紹了聯(lián)邦學(xué)習(xí)的基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域，特別關(guān)注了差分隱私和安全多方計(jì)算在聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，以及最新的隱私增強(qiáng)型聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)。同態(tài)加密部分探討了同態(tài)加密的基礎(chǔ)知識(shí)，以及其在安全云計(jì)算和數(shù)據(jù)隱私保護(hù)中的應(yīng)用。最新進(jìn)展包括針對(duì)同態(tài)加密的性能優(yōu)化和與深度學(xué)習(xí)的結(jié)合。在多方計(jì)算部分，解釋了多方計(jì)算的概念和安全協(xié)議，并討論了多方計(jì)算在敏感數(shù)據(jù)協(xié)作分析和隱私保護(hù)數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用。最新進(jìn)展包括多方計(jì)算協(xié)議的效率改進(jìn)和與人工智能的融合。最后，探討了隱私保護(hù)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，包括隱私與效能的權(quán)衡以及法規(guī)與倫理問題，并展望了未來的趨勢(shì)，包括跨界合作與標(biāo)準(zhǔn)化，以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)與隱私保護(hù)的融合。

一、隱私計(jì)算的基本概念

隱私計(jì)算是由兩方或多方聯(lián)合計(jì)算的技術(shù)和系統(tǒng)，參與方在不泄露各自數(shù)據(jù)的前提下通過協(xié)作對(duì)他們的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合機(jī)器學(xué)習(xí)和聯(lián)合分析，且計(jì)算結(jié)果可被驗(yàn)證。隱私計(jì)算本質(zhì)上是在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的前提下，解決數(shù)據(jù)流通、數(shù)據(jù)應(yīng)用等數(shù)據(jù)服務(wù)問題，其主要特點(diǎn)包括：“數(shù)據(jù)可用不可見，數(shù)據(jù)不動(dòng)模型動(dòng)”“數(shù)據(jù)可用不可見，數(shù)據(jù)可控可計(jì)量”“不共享數(shù)據(jù)，而是共享數(shù)據(jù)價(jià)值”等。

聯(lián)邦學(xué)習(xí)、同態(tài)加密和多方計(jì)算是隱私計(jì)算的三個(gè)重要技術(shù)。聯(lián)邦學(xué)習(xí)是一種分散式的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，用于在多個(gè)數(shù)據(jù)持有方之間合作建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，而無需將原始數(shù)據(jù)集中在一起。每個(gè)數(shù)據(jù)持有方只共享模型更新的信息，而不是明文數(shù)據(jù)。這有助于保護(hù)數(shù)據(jù)隱私，因?yàn)樵紨?shù)據(jù)不離開數(shù)據(jù)持有方的控制。聯(lián)邦學(xué)習(xí)廣泛用于醫(yī)療、金融和智能設(shè)備領(lǐng)域。同態(tài)加密是一種加密技術(shù)，允許對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而無須解密。這意味著數(shù)據(jù)可以保持加密狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行有用的計(jì)算，確保數(shù)據(jù)的隱私性。同態(tài)加密通常用于云計(jì)算環(huán)境，其中云服務(wù)提供商可以計(jì)算加密數(shù)據(jù)，而不了解明文數(shù)據(jù)。多方計(jì)算是一種協(xié)議，允許多個(gè)參與方在不共享明文數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)參與方將其輸入數(shù)據(jù)加密并共享給其他方，然后通過安全計(jì)算協(xié)議執(zhí)行計(jì)算，以獲得最終結(jié)果。多方計(jì)算適用于涉及多個(gè)組織或個(gè)體的數(shù)據(jù)合作項(xiàng)目，如隱私保護(hù)數(shù)據(jù)挖掘和合作分析。

聯(lián)邦學(xué)習(xí)適用于需要建立共享模型的情況，適合機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用。同態(tài)加密適用于云計(jì)算環(huán)境，可以保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性，但可能會(huì)引入性能開銷。多方計(jì)算適用于涉及多個(gè)數(shù)據(jù)持有方的場(chǎng)景，需要協(xié)同計(jì)算結(jié)果。每種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和限制。選擇合適的隱私計(jì)算技術(shù)取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景和安全需求。有時(shí)，這些技術(shù)也可以結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的隱私保護(hù)。隨著隱私計(jì)算領(lǐng)域的不斷發(fā)展，研究人員不斷努力改進(jìn)這些技術(shù)，以應(yīng)對(duì)不斷演變的數(shù)據(jù)隱私挑戰(zhàn)。

二、聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)

聯(lián)邦學(xué)習(xí)是一種特殊的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它允許在多個(gè)設(shè)備（例如手機(jī)或電腦）上本地進(jìn)行模型的訓(xùn)練和更新，而不需要將數(shù)據(jù)集中在一處。這種技術(shù)在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，特別是有隱私保護(hù)需求的場(chǎng)景下，具有很大的優(yōu)勢(shì)。

聯(lián)邦學(xué)習(xí)的原理基于這樣一個(gè)理念：在多個(gè)設(shè)備上訓(xùn)練的模型可以更準(zhǔn)確地捕捉每個(gè)設(shè)備上的數(shù)據(jù)特征，同時(shí)又不需要共享或傳輸數(shù)據(jù)。具體來說，每個(gè)設(shè)備都會(huì)在自己的數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練一個(gè)本地模型，然后將這個(gè)模型上傳到一個(gè)中心服務(wù)器。服務(wù)器會(huì)聚合這些模型，即對(duì)每個(gè)模型的參數(shù)進(jìn)行平均，以得到一個(gè)全局模型。這個(gè)全局模型會(huì)被下發(fā)給各個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備再在自己的數(shù)據(jù)集上微調(diào)這個(gè)全局模型。這樣，每個(gè)設(shè)備都參與到全局模型的訓(xùn)練中，同時(shí)又不會(huì)暴露自己的數(shù)據(jù)。

聯(lián)邦學(xué)習(xí)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，例如在自動(dòng)駕駛、推薦系統(tǒng)、語音識(shí)別等領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如，在自動(dòng)駕駛中，每個(gè)車輛都可以在本地收集駕駛數(shù)據(jù)并進(jìn)行模型訓(xùn)練，然后將模型參數(shù)上傳到中心服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行模型聚合后下發(fā)給各個(gè)車輛，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)車隊(duì)的駕駛輔助能力的提升。同時(shí)，這種方法還可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理，例如在醫(yī)療影像分析中，每個(gè)醫(yī)生可以在本地對(duì)影像進(jìn)行標(biāo)注和模型訓(xùn)練，然后將模型上傳到服務(wù)器進(jìn)行聚合，以提升診斷的準(zhǔn)確性和效率。

然而，聯(lián)邦學(xué)習(xí)也面臨一些挑戰(zhàn)。由于參與方的數(shù)據(jù)分布和特征可能不同，模型的性能可能會(huì)受到影響。此外，參與方之間的通信成本和計(jì)算資源限制也需要考慮。總之，聯(lián)邦學(xué)習(xí)通過在保護(hù)隱私的前提下，實(shí)現(xiàn)參與方之間模型參數(shù)的共享與協(xié)作，解決了集中式學(xué)習(xí)中隱私泄露的問題。它在個(gè)性化推薦、醫(yī)療、金融等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，并且隨著技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，聯(lián)邦學(xué)習(xí)將在未來發(fā)揮更加重要的作用。

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Ian Foster是聯(lián)邦計(jì)算的先驅(qū)之一，提出了“網(wǎng)格計(jì)算”的概念，這為聯(lián)邦計(jì)算的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他認(rèn)為聯(lián)邦計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)跨組織和跨地理位置的合作，為科學(xué)研究和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Peter Stone教授對(duì)聯(lián)邦學(xué)習(xí)在多智能體系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的綜述。他指出聯(lián)邦計(jì)算在解決分布式學(xué)習(xí)中的通信和隱私問題方面具有重要意義，并提出了一系列改進(jìn)方法和算法。Google的聯(lián)邦學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)介紹了一些提高聯(lián)邦學(xué)習(xí)通信效率的策略。微軟亞洲研究院的研究者們也探討了如何實(shí)現(xiàn)規(guī)?；穆?lián)邦學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這些研究者的工作為聯(lián)邦計(jì)算的理論和應(yīng)用發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和思路。他們的觀點(diǎn)和方法對(duì)于解決聯(lián)邦計(jì)算中的挑戰(zhàn)和難題具有重要的指導(dǎo)意義。

三、同態(tài)加密技術(shù)

同態(tài)加密是一種重要的密碼學(xué)技術(shù)，它具有獨(dú)特的概念、原理和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。同態(tài)加密允許在密文域中進(jìn)行計(jì)算，而無須解密密文，從而保護(hù)了數(shù)據(jù)的隱私和安全性。

同態(tài)加密的概念是指在密文領(lǐng)域進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的密文形式。這意味著在不暴露明文的情況下，可以對(duì)密文進(jìn)行加法、乘法以及其他基本運(yùn)算。與之相對(duì)的是傳統(tǒng)的加密算法，它們只能對(duì)明文進(jìn)行加密和解密操作。

同態(tài)加密的原理是基于數(shù)學(xué)上的復(fù)雜運(yùn)算，其中最常見的是基于整數(shù)環(huán)的同態(tài)加密方案。這些方案利用了數(shù)論和模運(yùn)算的性質(zhì)，通過巧妙設(shè)計(jì)的加密算法，使得密文之間的運(yùn)算結(jié)果與明文的運(yùn)算結(jié)果相對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)同態(tài)性質(zhì)。

圖1 同態(tài)加密技術(shù)示意圖

同態(tài)加密的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。首先，同態(tài)加密可以在云計(jì)算中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全共享和計(jì)算外包。用戶可以將數(shù)據(jù)加密后上傳到云端，云服務(wù)提供商可以在密文域中執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，然后將計(jì)算結(jié)果返回給用戶，而不會(huì)暴露數(shù)據(jù)的明文內(nèi)容。

圖2 多方計(jì)算技術(shù)示意圖

其次，同態(tài)加密在金融領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用。例如，在金融風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，銀行可以通過同態(tài)加密將客戶的敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并在不暴露客戶隱私的情況下進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策。在醫(yī)療數(shù)據(jù)共享中，同態(tài)加密可以保護(hù)患者的隱私，同時(shí)允許醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究和分析。此外，同態(tài)加密還可以在安全多方計(jì)算中發(fā)揮重要作用。安全多方計(jì)算是一種協(xié)議，允許多個(gè)參與者在不暴露個(gè)體私密輸入的情況下進(jìn)行計(jì)算。同態(tài)加密可以用于實(shí)現(xiàn)安全多方計(jì)算的隱私保護(hù)功能，確保計(jì)算的正確性和安全性?？傮w而言，同態(tài)加密作為一種強(qiáng)大的密碼學(xué)技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。它在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私、實(shí)現(xiàn)安全計(jì)算和促進(jìn)數(shù)據(jù)共享方面具有重要作用，并在各個(gè)領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用和研究。

近年來，同態(tài)加密作為一種重要的密碼學(xué)技術(shù)，受到了國際上眾多研究者的關(guān)注和研究。同態(tài)加密的研究進(jìn)展在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私和安全通信方面具有重要意義。Craig Gentry是同態(tài)加密領(lǐng)域的知名研究者，于2009年提出了首個(gè)全同態(tài)加密方案。他的研究成果為同態(tài)加密的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并引領(lǐng)了該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究，觀點(diǎn)主要集中在同態(tài)加密的安全性和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。Shai Halevi是加密學(xué)領(lǐng)域的專家，在同態(tài)加密方面的研究也有重要貢獻(xiàn)，主要關(guān)注同態(tài)加密的實(shí)用性和性能優(yōu)化，提出了一些改進(jìn)的方案和算法，使同態(tài)加密更加高效可行。Zvika Brakerski是同態(tài)加密領(lǐng)域的年輕研究者，在同態(tài)加密的安全性和功能性方面做了許多有影響力的工作，提出了基于零知識(shí)證明的同態(tài)加密方案，為同態(tài)加密的安全性提供了更多保障。

四、多方計(jì)算技術(shù)

多方計(jì)算是一種保護(hù)隱私的計(jì)算方法，旨在在多個(gè)參與方之間執(zhí)行計(jì)算任務(wù)而不暴露私密數(shù)據(jù)。其基本原理是通過使用密碼學(xué)技術(shù)和協(xié)議，使得每個(gè)參與方只能獲得計(jì)算結(jié)果，而無法獲知其他參與方的輸入。

多方計(jì)算的核心概念是安全多方計(jì)算協(xié)議。這些協(xié)議允許參與方在不泄露私密數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行計(jì)算，并確保計(jì)算結(jié)果的正確性和完整性。其中最著名的安全多方計(jì)算協(xié)議是基于秘密共享技術(shù)的安全多方計(jì)算協(xié)議。該協(xié)議將私密數(shù)據(jù)分割成多個(gè)部分，分發(fā)給參與方，并使用密碼學(xué)技術(shù)確保只有在滿足特定條件的情況下才能重建出原始數(shù)據(jù)。

多方計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。在金融領(lǐng)域，多方計(jì)算可以用于保護(hù)交易數(shù)據(jù)的隱私，使得參與方可以進(jìn)行計(jì)算和分析，同時(shí)不暴露敏感信息。在醫(yī)療領(lǐng)域，多方計(jì)算可以用于合作研究，醫(yī)院可以共享數(shù)據(jù)進(jìn)行疾病預(yù)測(cè)和藥物研發(fā)，而不必泄露患者的個(gè)人信息。

另外，多方計(jì)算還可以應(yīng)用于隱私保護(hù)的人工智能領(lǐng)域。當(dāng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型需要使用多個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，參與方可以通過多方計(jì)算將數(shù)據(jù)合并并訓(xùn)練出模型，而不必共享原始數(shù)據(jù)。這可以有效防止數(shù)據(jù)泄露和隱私侵犯。

盡管多方計(jì)算具有廣泛的應(yīng)用前景，但也存在一些挑戰(zhàn)和限制。首先，多方計(jì)算的計(jì)算開銷較大，需要更多的計(jì)算資源和時(shí)間。其次，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)安全的多方計(jì)算協(xié)議需要深厚的密碼學(xué)和分布式系統(tǒng)知識(shí)。此外，參與方之間的信任關(guān)系也需要謹(jǐn)慎考慮，以確保計(jì)算結(jié)果的可信度。

總之，多方計(jì)算是一種保護(hù)隱私的計(jì)算方法，通過密碼學(xué)技術(shù)和協(xié)議實(shí)現(xiàn)參與方之間的計(jì)算，不暴露私密數(shù)據(jù)。它在金融、醫(yī)療和人工智能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，但也需要解決計(jì)算開銷、安全協(xié)議設(shè)計(jì)和參與方信任等挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)大，多方計(jì)算將在保護(hù)隱私和數(shù)據(jù)合作方面發(fā)揮越來越重要的作用。

近年來，多方計(jì)算成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的熱門研究方向。多方計(jì)算旨在實(shí)現(xiàn)在分布式計(jì)算環(huán)境中多個(gè)參與方之間的安全和私密計(jì)算，保護(hù)參與方的隱私數(shù)據(jù)不被泄露。在國際上，許多研究者致力于多方計(jì)算的研究，并取得了重要的進(jìn)展。Andrew Yao是多方計(jì)算領(lǐng)域的先驅(qū)之一，提出了著名的“耐損性”概念，即使在部分參與方受到攻擊或被腐敗的情況下，多方計(jì)算仍能保持其安全性。Shafi Goldwasser是多方計(jì)算和密碼學(xué)領(lǐng)域的知名科學(xué)家，與Silvio Micali共同提出了零知識(shí)證明的概念，為多方計(jì)算提供了更強(qiáng)的隱私保護(hù)，并首次提出了基于零知識(shí)證明的多方計(jì)算協(xié)議。Oded Goldreich提出了安全多方計(jì)算的理論模型。Ronald Cramer等人提出了一種安全多方計(jì)算協(xié)議，用于計(jì)算區(qū)間函數(shù)。

五、隱私計(jì)算技術(shù)展望

隱私計(jì)算技術(shù)是當(dāng)今數(shù)字時(shí)代中備受關(guān)注的熱門話題之一。隨著人們對(duì)個(gè)人數(shù)據(jù)隱私的日益重視和對(duì)數(shù)據(jù)安全的不斷擔(dān)憂，隱私計(jì)算技術(shù)的發(fā)展前景變得愈發(fā)廣闊。展望未來，隱私計(jì)算技術(shù)將在以下幾個(gè)方面取得顯著進(jìn)展。

首先，隱私保護(hù)法規(guī)的進(jìn)一步完善將成為推動(dòng)隱私計(jì)算技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。隨著歐盟《通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例》（GDPR）等法規(guī)的實(shí)施，隱私保護(hù)成為全球范圍內(nèi)的共識(shí)。未來，更多國家和地區(qū)將出臺(tái)相關(guān)法規(guī)，規(guī)范個(gè)人數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)和共享。在這種背景下，隱私計(jì)算技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，幫助企業(yè)和組織實(shí)現(xiàn)合規(guī)性，并保護(hù)用戶的隱私權(quán)益。

其次，隱私計(jì)算技術(shù)將更加普及和成熟。當(dāng)前的隱私計(jì)算技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在計(jì)算過程中的加密和保護(hù)，但仍存在一定的局限性。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和算法的改進(jìn)，隱私計(jì)算技術(shù)將變得更加強(qiáng)大和高效。更多的行業(yè)和領(lǐng)域?qū)㈤_始應(yīng)用隱私計(jì)算技術(shù)，包括醫(yī)療健康、金融、人工智能等。同時(shí)，隱私計(jì)算技術(shù)將逐漸成為數(shù)據(jù)共享和合作的基礎(chǔ)，為不同組織間的數(shù)據(jù)交換提供安全可靠的解決方案。

此外，隱私計(jì)算技術(shù)的研究和創(chuàng)新也將持續(xù)推動(dòng)其發(fā)展。隨著對(duì)隱私計(jì)算技術(shù)的深入理解和需求的不斷演變，研究人員將不斷提出新的算法和技術(shù)，以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)隱私挑戰(zhàn)。例如，差分隱私技術(shù)、同態(tài)加密技術(shù)等將得到進(jìn)一步發(fā)展和完善。同時(shí)，隱私計(jì)算技術(shù)與其他前沿技術(shù)的結(jié)合也將帶來更多的創(chuàng)新應(yīng)用，如區(qū)塊鏈、邊緣計(jì)算等。

總而言之，隱私計(jì)算技術(shù)將在未來取得長足的發(fā)展。隨著隱私保護(hù)法規(guī)的完善、技術(shù)的進(jìn)步以及研究的深入，隱私計(jì)算技術(shù)將成為保護(hù)個(gè)人隱私、促進(jìn)數(shù)據(jù)共享和合作的重要工具。在數(shù)字化時(shí)代，隱私計(jì)算技術(shù)的發(fā)展對(duì)于構(gòu)建信任、保護(hù)個(gè)人權(quán)益和推動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新具有重要意義。