隱私計(jì)算是使數(shù)據(jù)“可用不可見”的技術(shù)，實(shí)踐中仍存在著一些問題，例如，多方安全計(jì)算受到網(wǎng)絡(luò)帶寬或者延遲的影響，聯(lián)邦學(xué)習(xí)對(duì)參與方和服務(wù)器之間的通信穩(wěn)定性和帶寬要求較高，可信執(zhí)行環(huán)境依靠的是硬件，硬件的升級(jí)改造成本較高而且存在側(cè)信道攻擊的問題。區(qū)塊鏈?zhǔn)悄軌蚪鉀Q多方信任和協(xié)作的有利工具，可以記錄從數(shù)據(jù)發(fā)布到使用的全過程，通過智能合約制定策略，實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制、記錄、回溯等功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高效傳輸網(wǎng)絡(luò)。那么，區(qū)塊鏈技術(shù)是否能夠與隱私計(jì)算融合呢？
區(qū)塊鏈?zhǔn)菍⒚艽a學(xué)、P2P、智能合約、共識(shí)機(jī)制等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的一個(gè)分布式分類賬本，這些技術(shù)賦予了區(qū)塊鏈不可篡改、可追溯、去中心化等特性，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上是使用哈希指針代替普通指針的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。區(qū)塊包括了區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭包含了 版本號(hào)、前一個(gè)區(qū)塊的哈希值、默克爾樹的根哈希值、時(shí)間戳、難度值和隨機(jī)數(shù)，塊體包含了本區(qū)塊的交易。區(qū)塊鏈有六個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)，分別包括基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡(luò)層，中間協(xié)議層的共識(shí)層、激勵(lì)層 和合約層，應(yīng)用服務(wù)層的應(yīng)用層，如下圖所示。
區(qū)塊鏈采用的是P2P的對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有同等地位并且相互連接。節(jié)點(diǎn)又分為全節(jié)點(diǎn)和簡(jiǎn)約節(jié)點(diǎn)，全節(jié)點(diǎn)保存了從創(chuàng)世區(qū)塊以來所有區(qū)塊的信息，并能實(shí)時(shí)獨(dú)立地完成區(qū)塊鏈的查詢、驗(yàn)證和更新。而簡(jiǎn)約節(jié)點(diǎn)只需要存儲(chǔ)每個(gè)區(qū)塊的塊頭信息，不需要存儲(chǔ)全量的交易列表，簡(jiǎn)約節(jié)點(diǎn)只能檢驗(yàn)與自己相關(guān)交易是否合法。
智能合約是區(qū)塊鏈的核心要素，它本是一套數(shù)字形式定義的承諾，在以太坊提出以后，被重新定義為一段滿足條件就能夠自動(dòng)執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程 序。智能合約收到來自外部的請(qǐng)求，觸發(fā)運(yùn)行提前寫好的代碼，生成交易和事件。
關(guān)于對(duì)區(qū)塊鏈的更多理解，可以參考《無廢話圖記區(qū)塊鏈》等【關(guān)聯(lián)閱讀】中的內(nèi)容。
隱私計(jì)算技術(shù)可以歸納為三類: 數(shù)據(jù)加密與再處理、數(shù)據(jù)不動(dòng)而模型動(dòng)、 通過可信環(huán)境進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與管理，即聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)、可信執(zhí)行環(huán)境和多方安全計(jì)算三大核心技術(shù)。
聯(lián)邦學(xué)習(xí)是一種基于隱私保護(hù)的分布式機(jī)器學(xué)習(xí)框架，許多參與方在中心服務(wù)器 的協(xié)調(diào)下共同訓(xùn)練模型，同時(shí)保持訓(xùn)練數(shù)據(jù)的分布性，在不暴露數(shù)據(jù)的前提下分析和學(xué)習(xí)多個(gè)數(shù)據(jù)擁有者的數(shù)據(jù)。谷歌在 2016 年首次提到聯(lián)邦學(xué)習(xí)，它被使用在谷歌輸入法項(xiàng)目上，目的是聚合用戶的本地?cái)?shù)據(jù)模型，在輸入法方面為用戶提供更好的詞匯提示功能。聯(lián)邦學(xué)習(xí)中用來保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的主流方法是使用差分隱私和加密算法。聯(lián)邦學(xué)習(xí)的發(fā)展需要進(jìn)一步結(jié)合一些技術(shù)或算法，在保證模型質(zhì)量的前 提下提高安全性和效率。
可信執(zhí)行環(huán)境是通過利用軟硬件方法，在計(jì)算中構(gòu)建多個(gè)安全運(yùn)行環(huán)境，并讓數(shù)據(jù)在所構(gòu)建的安全運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行。任何外部攻擊者甚至是擁有高級(jí)權(quán)限的管理員都無法竊取敏感數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比較能更加有效保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性和完整性?？尚艌?zhí)行環(huán)境概念源于開放式移動(dòng)終端平臺(tái) OMTP提出的一種保護(hù)移動(dòng)設(shè)備中敏感信息的方案，該方案使用雙系統(tǒng)運(yùn)行， 與傳統(tǒng)的單系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境相比較，該方案增加一個(gè)隔離的安全系統(tǒng)，專用于處理敏感數(shù)據(jù)，從而保證敏感數(shù)據(jù)的安全性和完整性。目前市面上主要的兩種可信執(zhí)行環(huán)境有 SGX 和 Trust Zone。
多方安全計(jì)算是密碼學(xué)的一個(gè)子領(lǐng)域，目的是多個(gè)參與方從每一方的隱私輸入中協(xié)同計(jì)算某個(gè)函數(shù)的結(jié)果，而不用將這些數(shù)據(jù)展示出來。多方安全計(jì)算即著名的百萬富翁問題，其目的是解決兩個(gè)百萬富翁在不泄露自己的 財(cái)產(chǎn)信息的情況下來比較誰更富有。如今多方安全計(jì)算衍生出同態(tài)加密、密鑰共享、不經(jīng)意傳輸和混淆電路等多個(gè)技術(shù)分支。
區(qū)塊鏈作為一種能夠提供分布式信任機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)，其與隱私計(jì)算技術(shù)進(jìn)行融合可以整合雙方的優(yōu)勢(shì)，互通有無。區(qū)塊鏈與多方安全計(jì)算的融合能保證鏈上數(shù)據(jù)的安全，將多方安全計(jì)算應(yīng)用在授權(quán)、管理密鑰、共識(shí)機(jī)制中，提升區(qū)塊鏈的安全性，加強(qiáng)跨機(jī)構(gòu)的協(xié)作信任，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)營(yíng)。對(duì)于區(qū)塊鏈在聯(lián)邦學(xué)習(xí)上的應(yīng)用，利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦學(xué)習(xí)的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)更多高質(zhì)量的參與方參與訓(xùn)練，提高模型準(zhǔn)確度，使用區(qū)塊鏈對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行篩選，避免遭受到攻擊后低質(zhì)量的模型參數(shù)影響全局精度。使用可信執(zhí)行環(huán)境對(duì)鏈上數(shù)據(jù)進(jìn)行保密計(jì)算，并對(duì)智能合約進(jìn)行隱私保護(hù)，相較于其他加密技術(shù)其計(jì)算損耗更少，基于可信硬件的應(yīng)用對(duì)各個(gè)參與方數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)上鏈存證。
傳統(tǒng)上，系統(tǒng)中心化的可信機(jī)制由于不基于完全可靠的第三方，數(shù)據(jù)隱私容易泄露; 并且數(shù)據(jù)在第三方中不能由用戶自己控制，對(duì)數(shù)據(jù)的不可控性會(huì)產(chǎn)生一系列的安全問題。多方安全計(jì)算著重于計(jì)算過程中的保密性，而 不能確保數(shù)據(jù)的正確性，區(qū)塊鏈可以幫助多方安全計(jì)算實(shí)現(xiàn)計(jì)算周期下的全程可追溯，或者通過與區(qū)塊鏈的結(jié)合，在跨機(jī)構(gòu)間聯(lián)合運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景下完成聯(lián)邦數(shù)據(jù)分析。而多方安全計(jì)算可以在區(qū)塊鏈跨鏈時(shí)充當(dāng)可信中介。
基于多方安全計(jì)算的智能合約，可以為多方共同完成的一個(gè)智能合約，為多方安全計(jì)算增加了輸入隱私性，確保了計(jì)算節(jié)點(diǎn)在出錯(cuò)的情況下也能正常實(shí)現(xiàn)安全群組通信。
基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享機(jī)制及多方安全計(jì)算模型，可以使用鏈上存儲(chǔ)和鏈下存儲(chǔ)相結(jié)合的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將大規(guī)模的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在鏈下的數(shù)據(jù)庫中，并將此鏈下數(shù)據(jù)的索引信息通過公鑰加密后存儲(chǔ)至鏈上。在需要計(jì)算時(shí)，數(shù)據(jù)持有者使用計(jì)算方的公鑰將數(shù)據(jù)索引進(jìn)行加密后發(fā)送給計(jì)算方，計(jì)算方計(jì)算結(jié)束后再利用數(shù)據(jù)持有方的公鑰進(jìn)行結(jié)果加密，每一個(gè)數(shù)據(jù)持有者都不知道其他人的計(jì)算結(jié)果。這樣就可以在隱私保護(hù)的前提下實(shí)現(xiàn) 了數(shù)據(jù)聯(lián)合共享計(jì)算的功能。
對(duì)于公開可驗(yàn)證的、安全的多方安全協(xié)議而言，同樣可以分為鏈上和鏈下兩個(gè)部分，鏈下部分完成數(shù)據(jù)生成、密鑰生成，利用同態(tài)加密技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。將計(jì)算任務(wù)放置在鏈上進(jìn)行，保證了透明性，計(jì)算的所有步驟都可以進(jìn)行公開驗(yàn)證， 同時(shí)所有數(shù)據(jù)的輸入、輸出都經(jīng)過加密，保證了數(shù)據(jù)的隱私性。
可信執(zhí)行環(huán)境與區(qū)塊鏈具有互補(bǔ)性質(zhì)。可信執(zhí)行環(huán)境的開銷很小，并可在安全環(huán)境中完成計(jì)算，而區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)通常具有有限的計(jì)算能力，需要公開其整個(gè)狀態(tài)來讓其他節(jié)點(diǎn)公開驗(yàn)證?？尚艌?zhí)行環(huán)境不能保證可用性或?qū)W(wǎng)絡(luò)的可靠訪問，而區(qū)塊鏈可以保證其狀態(tài)的強(qiáng)可用性和持久性。
區(qū)塊鏈和可信執(zhí)行環(huán)境的結(jié)合可以提高區(qū)塊鏈的效率和安全性。可信執(zhí)行環(huán)境為區(qū)塊鏈提供底層可信網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜的鏈上計(jì)算任務(wù)可以在鏈下運(yùn)行，區(qū)塊鏈用于記錄數(shù)據(jù)?？尚艌?zhí)行環(huán)境可以用來驗(yàn)證事務(wù)并認(rèn)可有效性，而不需要所有共識(shí)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。在通過受信任軟硬件實(shí)現(xiàn)的安全區(qū)域，可信執(zhí)行環(huán)境可以確保進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部數(shù)據(jù)對(duì)非安全區(qū)域不可見，只有通過特定的訪問接口才能對(duì)安全區(qū)域進(jìn)行操作。在與區(qū)塊鏈的結(jié)合中，可信執(zhí)行環(huán)境主要工作是完成秘密交易、計(jì)算、共識(shí)和跨鏈，適用于可能存在惡意參與方、計(jì)算邏輯復(fù)雜且需要短時(shí)間內(nèi)完成等場(chǎng)景中。如果把可信執(zhí)行環(huán)境的 ＲoT、計(jì)算、代碼等放在鏈上公開，那就可以達(dá)成基于區(qū)塊鏈和可信執(zhí)行環(huán)境的共識(shí)。
如果采用中心化的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理，使用智能合約解決管理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中的權(quán)力集中，缺乏透明度等問題，所有數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的審計(jì)跟蹤使用智能合約進(jìn)行控制。使用智能合約，各方可以 指定規(guī)則來管理其交互，這些規(guī)則在區(qū)塊鏈中獨(dú)立執(zhí)行，而不需要一個(gè)集中的系統(tǒng)。
如果使用哈希鎖和時(shí)間鎖加密，將可信執(zhí)行環(huán)境提供的可信資源訪問和授權(quán)與區(qū)塊鏈支付結(jié)合起來。在保證安全的前提下完成支付過程，并將支付記錄存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中，為支付記錄的完備性提供了保證。
如果應(yīng)用盲簽名和同態(tài)加密技術(shù)來保護(hù)投票的隱私，投票者通過遠(yuǎn)程認(rèn)證，在自己的客戶端與具有可信執(zhí)行環(huán)境的平臺(tái)之間建立安全信道。加密算法是在可信執(zhí)行環(huán)境中實(shí)現(xiàn)加密操作，為智能合約提供可信的數(shù)據(jù)源，可以有效地減少智能合約中的復(fù)雜操作，降低智能合約的執(zhí)行成本。
如果使用基于區(qū)塊鏈的可信執(zhí)行環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交易，可以為公平的數(shù)據(jù)交易提供了一個(gè)可信的去中心化平臺(tái)?？尚艛?shù)據(jù)交易平臺(tái)是一個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，由正常節(jié)點(diǎn)和可信交換節(jié)點(diǎn)組成。在一個(gè)交易過程中，數(shù)據(jù)買家首先廣播數(shù)據(jù)需求，并根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)找到合適的數(shù)據(jù)賣家。數(shù)據(jù)買家在區(qū)塊鏈上選擇一個(gè)可信的交易節(jié)點(diǎn)，并將可信交易節(jié)點(diǎn)的地址通知數(shù)據(jù)賣家。然后，數(shù)據(jù)賣家將數(shù)據(jù)發(fā)送到受信任的節(jié)點(diǎn)。最后，只有在可信交易節(jié)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的可信交易程序檢測(cè)到數(shù)據(jù)買家已經(jīng)向數(shù)據(jù)賣家支付了費(fèi)用之后，數(shù)據(jù)買家才能從區(qū)域內(nèi)接收數(shù)據(jù)。因此，基于區(qū)塊鏈的可信執(zhí)行環(huán)境能夠有效保證數(shù)據(jù)交易的公平完成。
區(qū)塊鏈和聯(lián)邦學(xué)習(xí)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，聯(lián)邦學(xué)習(xí)是基于隱私保護(hù)的分布式機(jī)器學(xué)習(xí)，而區(qū)塊鏈?zhǔn)悄軐?shí)現(xiàn)價(jià)值轉(zhuǎn)移的分布式數(shù)據(jù)庫，使用加密算法和共識(shí)機(jī)制，使得所存的數(shù)據(jù)不可篡改且公開透 明。區(qū)塊鏈和聯(lián)邦學(xué)習(xí)都是分布式體系架構(gòu)，但本質(zhì)不同，聯(lián)邦學(xué)習(xí)以數(shù)據(jù)不出域的思想為核心，而區(qū)塊鏈要利用分布式共識(shí)，保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的一致性。因此，區(qū)塊鏈能給聯(lián)邦學(xué)習(xí)類似虛擬貨幣的激勵(lì)機(jī)制，通過激勵(lì)機(jī)制鼓勵(lì)參與方貢獻(xiàn)自己的計(jì)算資源和數(shù)據(jù); 區(qū)塊鏈代替聯(lián)邦學(xué)習(xí)的中心服務(wù)器，為聯(lián)邦學(xué)習(xí)提供一個(gè)安全的數(shù)據(jù)交換環(huán)境，或者利用區(qū)塊鏈的可追溯性幫助聯(lián)邦學(xué)習(xí)找到惡意參與方，及時(shí)進(jìn)行止損和懲罰。
聯(lián)邦學(xué)習(xí)的安全需求主要來源于模型質(zhì)量和數(shù)據(jù)泄露。惡意參與方通過數(shù)據(jù)投毒可以影響局部模型的質(zhì)量，進(jìn)而影響全局模型的準(zhǔn)確度。局部模型的不加密上傳有被攻擊者進(jìn)行推理攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，從而造成數(shù)據(jù)泄露。
如果基于區(qū)塊鏈的聯(lián)邦學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，可以鼓勵(lì)工廠提供設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以多個(gè)工廠生產(chǎn)設(shè)備的使用狀況為樣本，用來確定設(shè)備故障的位置。通過對(duì)客戶端的數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希運(yùn)算，并將根節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)在區(qū)塊 鏈上，實(shí)現(xiàn)客戶端數(shù)據(jù)的驗(yàn)證完整性。參與方除了托管本地設(shè)備的數(shù)據(jù)以外，還管理一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，為了鼓 勵(lì)參與方貢獻(xiàn)算力和數(shù)據(jù)，在智能合約中可以加入獎(jiǎng)勵(lì) 機(jī)制，根據(jù)參與方的訓(xùn)練狀態(tài)、訓(xùn)練輪次、參與方數(shù) 據(jù)集大小等為參與方發(fā)放虛擬貨幣。
如果將基于區(qū)塊鏈的聯(lián)邦學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)用到交通領(lǐng)域，使用區(qū)塊鏈代替中心服務(wù)器，可以在保護(hù)車輛數(shù)據(jù)隱私的前提下實(shí)現(xiàn)交通流量預(yù)測(cè)。例如，來自分布式車輛的模型上傳給區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈來驗(yàn)證模型是否合格，然后進(jìn)行存儲(chǔ)。車輛上傳的局部模型使用差分隱私機(jī)制并添加噪聲干擾。這樣或許能夠有效地防止數(shù)據(jù)遭受攻擊，提高了模型更新的隱私保護(hù)能 力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全的交通流預(yù)測(cè)。
如果解決聯(lián)邦學(xué)習(xí)效率低和易受攻擊的問題，或許可以采用基于區(qū)塊鏈的異步聯(lián)邦學(xué)習(xí)機(jī)制。例如，將應(yīng)用層中的設(shè)備虛擬連接到區(qū)塊鏈層中的節(jié)點(diǎn)。利用區(qū)塊鏈防止單個(gè)服務(wù)器的故障， 保證數(shù)據(jù)的分布式安全存儲(chǔ)。同時(shí)，把訓(xùn)練時(shí)間、樣本數(shù)量、局部更新的相關(guān)性和全局更新的作弊次數(shù)上傳到區(qū)塊鏈上，在區(qū)塊鏈不超載的情況下盡快上傳模型。這樣，或許會(huì)比典型聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的平均算法有較好的抗攻擊能力。對(duì)于大型模型，可以采用智能合約進(jìn)行分塊運(yùn)算，將數(shù)據(jù)和模型參數(shù)分成多個(gè)小的智能合約，然后進(jìn)行聯(lián)邦學(xué)習(xí)。
硬幣是有兩面的，將區(qū)塊鏈應(yīng)用在隱私計(jì)算中，但仍存在一些問題。在區(qū)塊鏈與多方安全計(jì)算應(yīng)用中，加解密的過程會(huì)損耗大量計(jì)算和通信資源。區(qū)塊鏈與聯(lián)邦學(xué)習(xí)結(jié)合存在使用差分隱私添加噪聲、參與方數(shù)據(jù)質(zhì)量和大小影響模型精度的問題。將合理的激勵(lì)機(jī)制應(yīng)用在訓(xùn)練場(chǎng)景，保證訓(xùn)練學(xué)習(xí)的公平性是發(fā)展區(qū)塊鏈融合聯(lián)邦學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。受限于面臨攻擊多、標(biāo)準(zhǔn)不完善等問題，區(qū)塊鏈和可信執(zhí)行環(huán)境的結(jié)合仍不足以作為通用安全技術(shù)廣泛應(yīng)用。
隱私計(jì)算為打破數(shù)據(jù)孤島、發(fā)掘數(shù)據(jù)價(jià)值、加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全等方面提供了解決辦法，但也產(chǎn)生了新的隱私安全問題。區(qū)塊鏈因具有去中心化、可溯源、不可篡改等特點(diǎn)，為隱私計(jì)算提供了新的解決思路。兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在提供隱私保護(hù)的同時(shí)也增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可用性，可以推動(dòng)了各行業(yè)的發(fā)展，打破了行業(yè)內(nèi)外的數(shù)據(jù)壁壘，為 提升數(shù)據(jù)價(jià)值、增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可用性提供了新的解 決方案。但是，要清晰地了解其局限性和適用場(chǎng)景，區(qū)塊鏈可能只是實(shí)現(xiàn)隱私計(jì)算的一種技術(shù)輔助。
聯(lián)系客服
