CN110008696A - 一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,相较以往的攻击方法只能重建类别代表数据,本方法可以重建特定用户的隐私数据,并且考虑由恶意服务端实施攻击,从而避免了向原共享模型引入负面影响。此外,本方法介绍了一种多任务生成对抗模型来模拟用户数据的分布,该模型通过对输入样本的真实性、类别和所属用户身份的判别进行训练,提升生成的样本质量。为了更好的区分不同用户,本方法介绍一种基于优化的用户数据代表计算方法来刻画参与联邦学习的用户特征,用以监督生成对抗模型的训练。对于现有关注隐私保护的联邦学习架构,本发明提出的基于多任务生成对抗模型的数据重建攻击可以造成其泄露隐私。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,属于人工智能安全领域。
背景技术
近年来,深度学习技术越来越多地应用在网络领域,例如结合群知感知的学习任务。利用传统的中心化训练方法需要在本地存储众包数据,这通常会带来大容量数据传输、高计算量需求以及隐私泄漏等问题。因此,作为一个深度学习的移动边缘计算框架,协同学习框架受到广泛关注和研究,其可以使得多方数据源共同受益于由全体数据训练得到的共享模型,而无须将数据上传在中心存储。
联邦学习框架是目前主流的协同学习框架之一:各个数据源(即用户)首先就学习目标和模型框架达成一致,服务端初始化一个共享学习模型,用户们在本地利用各自的隐私数据集训练该学习模型,服务端收集训练后的模型/参数更新以更新全局共享模型。接着全局模型重新被下发到各个用户,迭代这个本地训练过程直到训练结束。联邦学习的优势在于,避免了中心服务端对训练数据的显式访问,提高深度学习的隐私保护程度。
近来的研究表明,协同学习易遭受到推断攻击而泄漏数据隐私,如重建攻击和成员推断攻击。这是由于共享模型的更新是源于这些隐私数据集,其数据模式被“编码”为参数更新上传,因此当攻击者构建出一个对应的“解码器”,隐私数据就能被恢复。现有攻击方法通常考虑恶意用户对一个目标实施攻击,推测其数据以隐私,但通常只能推测出类别代表数据,例如对于一个人脸识别任务,已有攻击方法能够推测对应某个ID的通用样本,但无法重建出特定用户所拥有的该ID的样本,尽管这样的通用样本可以表征该类别的特征,但实际上并不能真正造成隐私泄漏。这是由于恶意用户只能从服务端访问到更新后的模型,这是由全体用户上一轮的更新聚合得到,无法针对特定目标实施攻击。另外,现有的攻击方法要求修改共享模型的结构以实施攻击,并向常规的协同学习进程中引入了恶意影响,这样的假设超出了一个恶意用户的攻击能力,并且会造成共享模型的性能降低,容易被***察觉,即攻击的隐蔽性较差。
本发明认为现有的面向联邦学习的数据重建攻击方法建立在过强的攻击者能力假设上,无法在实际场景中实施,并且不能推断出定向的、有价值的隐私信息,因此催生出一种基于恶意服务端的针对用户级隐私数据的数据重建攻击。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种基于多任务生成对抗网络的用户数据重建攻击方法。
面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法包含如下步骤:
1)恶意服务端参与常规的联邦学习流程,首先用户对协同学习的目标、模型达成一致,然后迭代执行:服务端下发共享模型,用户本地训练这个模型并将模型参数上传至服务端,服务端再聚合这些参数更新。直到模型收敛;
2)恶意服务端在本地构建一个多任务生成对抗网络模型,该模型包含一个生成模型G和一个判别模型D,其中D同时执行对输入样本的真实性、类别和所属用户身份的判别任务,G用于合成用户数据;
3)恶意服务端根据用户提交的参数更新来计算不同用户的数据代表,用户数据代表用来监督D模型的样本所属用户身份任务训练;
4)恶意服务端在每轮迭代过程中,利用目标用户及其他用户的参数更新来替代D模型的类别任务的训练;
5)恶意服务端利用本地的额外真实数据集、G合成的假数据集,来训练D模型的样本真实性判别任务。通过G和D的对抗训练,使得G能生成特定用户的隐私数据。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,恶意服务端被认为是“诚实并且好奇的”,这表明攻击者会按照联邦学习的规则去执行常规的学习任务。具体的,假定N个用户各自拥有一个隐私数据集,在实际场景中这些数据通常不是独立同分布。用户们对联邦学习的目标、模型结构达成一致后,经由恶意服务端来实现分布式训练。具体的,共享模型每一轮的更新可以表示为
Mt表示第t轮更新后的共享模型,表示第t轮来自用户k的参数更新,由用户k在本地由隐私数据对Mt计算得到。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,攻击者在服务端建立一个多任务生成对抗网络模型,模型包含一个生成模型G,和一个判别模型D。D用来完成三个任务:1)样本的真假判别任务;2)样本的分类任务;3)样本的所属用户身份判别任务。相比于标准生成对抗网络模型,本发明额外地将身份判别作为条件输入到G模型,目的是生成特定用户的隐私样本。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,D模型的结构可以表示为
Dreal=Sigmoid(FCreal(Lshare))
Dcat=Sigmoid(FCcat(Lshare))
Did=Sigmoid(FCid(Lshare))
Dreal,Dcat,Did分别表示上述的三个任务,FCreal,FCcat和FCid分别表示三个任务对应的神经网络全连接层,Lshare表示共享模型的除最后一层外的层结构。Sigmoid为激活函数。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,G模型接收类别和用户身份标签,以及随机噪声,合成特定用户的样本。多任务生成对抗网络的训练可以表示为
x~pvicttm和x~pother分别表示用受害用户和其他用户采样的样本,CE表示交叉熵损失函数。攻击者无法直接获取用户的隐私数据,通过用户上传的更新来近似替代每个用户的数据代表。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,攻击者根据用户上传参数构建不同用户的数据代表,数据代表的可行标志是:当用数据代表作为隐私数据训练共享模型时,能产生与真实隐私数据相似的参数更新,表示为
表示共享模型Mt的参数,γ是比例因子用来平衡的量级,Xk表示不同用户的数据代表。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,为了避免基于优化的算法在计算用户数据代表中引入过多噪点,局部差异总和作为正则项被加入,表示为
xij表示图像x在(i,j)处的像素值。计算图像的临近像素的距离,实现生成图像的平滑
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,攻击者在每一轮对G,D模型的训练表示为
η1和η2表示学习速率,θD和θG分别表示模型D和G的参数。
本发明和现有技术相比,具有的有益效果是:1)与现存的面向重建类别数据代表的攻击机制不同,本发明能针对联邦学习中特定的用户实施攻击,并重建其隐私数据,造成隐私泄漏。由于以往的机制只能重建出某个类别的表征样本,而不与任何真实样本类似,因而实质上不会造成隐私泄漏。2)本发明引入一种多任务生成对抗网络模型,其中判别器同时执行对样本的真实性、类别和所属用户身份的判别任务,生成器用于合成用户数据。提高了合成样本的真实性。3)本发明引入一种用户类别数据计算方法,从而可以刻画出不同用户数据集的特征,监督对抗网络模型能够合成特定用户的数据。4)相比于以往的攻击方式要求攻击者能够修改共享模型的结构、并向联邦学习引入负面影响,本发明是在不影响常规学习进程的前提下实施攻击,提高了攻击的隐蔽性。
附图说明
图1为面向联邦学习的基于恶意服务端的数据重建攻击框架图。
图2为多任务生成对抗性网络的模型结构图。
图3为本发明面向MNIST数据集的重建效果图。
图4为本发明面向AT&T数据集的重建效果图。
图5为本发明与现有攻击方法的重建效果的比较图。
具体实施方式
面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法包含如下步骤:
1)恶意服务端参与常规的联邦学习流程,首先用户对协同学习的目标、模型达成一致,然后迭代执行:服务端下发共享模型,用户本地训练这个模型并将模型参数上传至服务端,服务端再聚合这些参数更新。直到模型收敛;
2)恶意服务端在本地构建一个多任务生成对抗网络模型,该模型包含一个生成模型G和一个判别模型D,其中D同时执行对输入样本的真实性、类别和所属用户身份的判别任务,G用于合成用户数据;
3)恶意服务端根据用户提交的参数更新来计算不同用户的数据代表,用户数据代表用来监督D模型的样本所属用户身份任务训练;
4)恶意服务端在每轮迭代过程中,利用目标用户及其他用户的参数更新来替代D模型的类别任务的训练;
5)恶意服务端利用本地的额外真实数据集、G合成的假数据集,来训练D模型的样本真实性判别任务。通过G和D的对抗训练,使得G能生成特定用户的隐私数据。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,恶意服务端被认为是“诚实并且好奇的”,这表明攻击者会按照联邦学习的规则去执行常规的学习任务。具体的,假定N个用户各自拥有一个隐私数据集,在实际场景中这些数据通常不是独立同分布。用户们对联邦学习的目标、模型结构达成一致后,经由恶意服务端来实现分布式训练。具体的,共享模型每一轮的更新可以表示为
Mt表示第t轮更新后的共享模型,表示第t轮来自用户k的参数更新,由用户k在本地由隐私数据对Mt计算得到。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,攻击者在服务端建立一个多任务生成对抗网络模型,模型包含一个生成模型G,和一个判别模型D。D用来完成三个任务:1)样本的真假判别任务;2)样本的分类任务;3)样本的所属用户身份判别任务。相比于标准生成对抗网络模型,本发明额外地将身份判别作为条件输入到G模型,目的是生成特定用户的隐私样本。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,D模型的结构可以表示为
Dreal=Sigmoid(FCreal(Lshare))
Dcat=Sigmoid(FCcat(Lshare))
Did=Sigmoid(FCid(Lshare))
Dreal,Dcat,Did分别表示上述的三个任务,FCreal,FCcat和FCid分别表示三个任务对应的神经网络全连接层,Lshare表示共享模型的除最后一层外的层结构。Sigmoid为激活函数。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,G模型接收类别和用户身份标签,以及随机噪声,合成特定用户的样本。多任务生成对抗网络的训练可以表示为
x~pvictim和x~pother分别表示用受害用户和其他用户采样的样本,CE表示交叉熵损失函数。攻击者无法直接获取用户的隐私数据,通过用户上传的更新来近似替代每个用户的数据代表。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,攻击者根据用户上传参数构建不同用户的数据代表,数据代表的可行标志是:当用数据代表作为隐私数据训练共享模型时,能产生与直实隐私数据相似的参数更新,表示为
表示共享模型Mt的参数,γ是比例因子用来平衡的量级,Xk表示不同用户的数据代表。
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,为了避免基于优化的算法在计算用户数据代表中引入过多噪点,局部差异总和作为正则项被加入,表示为
xij表示图像x在(i,j)处的像素值。计算图像的临近像素的距离,实现生成图像的平滑
所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,攻击者在每一轮对G,D模型的训练表示为
η1和η2表示学习速率,θD和θG分别表示模型D和G的参数。
实施例1
1)恶意服务端参与常规的联邦学习流程,首先用户对协同学习的目标、模型达成一致,然后迭代执行:服务端下发共享模型,用户本地训练这个模型并将模型参数上传至服务端,服务端再聚合这些参数更新,直到模型收敛。每一轮的更新可以表示为
Mt表示第t轮更新后的共享模型,表示第t轮来自用户k的参数更新,由用户k在本地由隐私数据对Mt计算得到。
2)恶意服务端在本地构建一个多任务生成对抗网络模型,该模型包含一个生成模型G和一个判别模型D,其中D同时执行对输入样本的真实性、类别和所属用户身份的判别任务,其模型的结构可以表示为
Dreal=Sigmoid(FCreal(Lshare))
Dcat=Sigmoid(FCcat(Lshare))
Did=Sigmoid(FCid(Lshare))
Dreal,Dcat,Did分别表示上述的三个任务,FCreal,FCcat和FCid分别表示三个任务对应的神经网络全连接层,Lshare表示共享模型的除最后一层外的层结构。Sigmoid为激活函数。
3)恶意服务端根据用户提交的参数更新来计算不同用户的数据代表,用户数据代表用来监督D模型的样本所属用户身份任务训练,表示为
表示共享模型Mt的参数,γ是比例因子用来平衡的量级,Xk表示不同用户的数据代表。
4)恶意服务端在每轮迭代过程中,利用目标用户及其他用户的参数更新来替代D模型的类别任务的训练,表示为
其中Mt表示第t轮更新后的共享模型,表示第t轮来自用户k的参数更新。
5)恶意服务端利用本地的额外真实数据集、G合成的假数据集,来训练D模型的样本真实性判别任务。通过G和D的对抗训练,使得G能生成特定用户的隐私数据,每一轮对G,D模型的训练表示为
η1和η2表示学习速率,θD和θG分别表示模型D和G的参数。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,其特征在于,包含如下步骤:
步骤1、恶意服务端参与常规的联邦学习流程,首先用户对协同学习的目标、模型达成一致,然后迭代执行:服务端下发共享模型,用户本地训练这个模型并将模型参数上传至服务端,服务端再聚合这些参数更新;直到模型收敛;
步骤2、恶意服务端在本地构建一个多任务生成对抗网络模型,该模型包含一个生成模型G和一个判别模型D,其中D同时执行对输入样本的真实性、类别和所属用户身份的判别任务,G用于合成用户数据;
步骤3、恶意服务端根据用户提交的参数更新来计算不同用户的数据代表,用户数据代表用来监督D模型的样本所属用户身份任务训练;
步骤4、恶意服务端在每轮迭代过程中,利用目标用户及其他用户的参数更新来替代D模型的类别任务的训练;
步骤5、恶意服务端利用本地的额外真实数据集、G合成的假数据集,来训练D模型的样本真实性判别任务;通过G和D的对抗训练,使得G能生成特定用户的隐私数据。
2.如权利要求1所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,其特征在于,恶意服务端被认为是“诚实并且好奇的”,这表明攻击者会按照联邦学习的规则去执行常规的学习任务;具体的,假定N个用户各自拥有一个隐私数据集,在实际场景中这些数据通常不是独立同分布;用户们对联邦学习的目标、模型结构达成一致后,经由恶意服务端来实现分布式训练;具体的,共享模型每一轮的更新可以表示为
Mt表示第t轮更新后的共享模型,表示第t轮来自用户k的参数更新,由用户k在本地由隐私数据对Mt计算得到。
3.如权利要求1所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,其特征在于,攻击者在服务端建立一个多任务生成对抗网络模型,模型包含一个生成模型G,和一个判别模型D;D用来完成三个任务:1)样本的真假判别任务;2)样本的分类任务;3)样本的所属用户身份判别任务;相比于标准生成对抗网络模型,本发明额外地将身份判别作为条件输入到G模型,目的是生成特定用户的隐私样本。
4.如权利要求1所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,其特征在于,D模型的结构可以表示为
Dreal=Sigmoid(FCreal(Lshare))
Dcat=Sigmoid(FCcat(Lshare))
Did=Sigmoid(FCid(Lshare))
Dreal,Dcat,Did分别表示上述的三个任务,FCreal,FCcat和FCid分别表示三个任务对应的神经网络全连接层,Lshare表示共享模型的除最后一层外的层结构;Sigmoid为激活函数。
5.如权利要求1所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,其特征在于,G模型接收类别和用户身份标签,以及随机噪声,合成特定用户的样本;多任务生成对抗网络的训练可以表示为
x~pvictim和x~pother分别表示用受害用户和其他用户采样的样本,CE表示交叉熵损失函数;攻击者无法直接获取用户的隐私数据,通过用户上传的更新来近似替代每个用户的数据代表。
6.如权利要求1所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,其特征在于,攻击者根据用户上传参数构建不同用户的数据代表,数据代表的可行标志是:当用数据代表作为隐私数据训练共享模型时,能产生与真实隐私数据相似的参数更新,表示为
表示共享模型Mt的参数,γ是比例因子用来平衡的量级,Xk表示不同用户的数据代表。
7.如权利要求1所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,其特征在于,为了避免基于优化的算法在计算用户数据代表中引入过多噪点,局部差异总和作为正则项被加入,表示为
xij表示图像x在(i,j)处的像素值;计算图像的临近像素的距离,实现生成图像的平滑。
8.如权利要求1所述的一种面向深度联邦学习的用户数据重建攻击方法,攻击者在每一轮对G,D模型的训练表示为
η1和η2表示学习速率,θD和θG分别表示模型D和G的参数。
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