Recently cloud-based graph convolutional network (GCN) has demonstrated great success and potential in many privacy-sensitive applications such as personal healthcare and financial systems. Despite its high inference accuracy and performance on cloud, maintaining data privacy in GCN inference, which is of paramount importance to these practical applications, remains largely unexplored. In this paper, we take an initial attempt towards this and develop $\textit{CryptoGCN}$--a homomorphic encryption (HE) based GCN inference framework. A key to the success of our approach is to reduce the tremendous computational overhead for HE operations, which can be orders of magnitude higher than its counterparts in the plaintext space. To this end, we develop an approach that can effectively take advantage of the sparsity of matrix operations in GCN inference to significantly reduce the computational overhead. Specifically, we propose a novel AMA data formatting method and associated spatial convolution methods, which can exploit the complex graph structure and perform efficient matrix-matrix multiplication in HE computation and thus greatly reduce the HE operations. We also develop a co-optimization framework that can explore the trade offs among the accuracy, security level, and computational overhead by judicious pruning and polynomial approximation of activation module in GCNs. Based on the NTU-XVIEW skeleton joint dataset, i.e., the largest dataset evaluated homomorphically by far as we are aware of, our experimental results demonstrate that $\textit{CryptoGCN}$ outperforms state-of-the-art solutions in terms of the latency and number of homomorphic operations, i.e., achieving as much as a 3.10$\times$ speedup on latency and reduces the total Homomorphic Operation Count by 77.4\% with a small accuracy loss of 1-1.5$\%$.


翻译:最近基于云的图形共变网络(GCN)在很多对隐私敏感的应用(如个人医疗保健和金融系统)中表现出了巨大的成功和潜力。尽管在云层上的测算准确度和性能很高,但在对于这些实际应用至关重要的GCN测算中保持数据隐私,但基本上尚未探索。在本文中,我们初步尝试了这个方法,并开发了美元(textit{CryptoGN}$-基于GCN的同位加密(HE)框架。我们的方法成功的关键在于减少HE操作的巨大计算间接费用,而这种费用可能比普通空间的对应方高出数量级。为此,我们开发了一种办法,可以有效地利用GCN的矩阵操作的偏差性来大幅降低计算。我们提出了一个新的AMA数据格式化方法和相关的空间变数方法,可以利用复杂的图形结构,在计算中高效的基价倍增倍增,从而大大降低HEO业务。我们还开发了一个最高级的直位计算方法,通过直位数据模型来测量我们直径的直径直径直径的基数。

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