Machine learning on encrypted data can address the concerns related to privacy and legality of sharing sensitive data with untrustworthy service providers. Fully Homomorphic Encryption (FHE) is a promising technique to enable machine learning and inferencing while providing strict guarantees against information leakage. Since deep convolutional neural networks (CNNs) have become the machine learning tool of choice in several applications, several attempts have been made to harness CNNs to extract insights from encrypted data. However, existing works focus only on ensuring data security and ignore security of model parameters. They also report high level implementations without providing rigorous analysis of the accuracy, security, and speed trade-offs involved in the FHE implementation of generic primitive operators of a CNN such as convolution, non-linear activation, and pooling. In this work, we consider a Machine Learning as a Service (MLaaS) scenario where both input data and model parameters are secured using FHE. Using the CKKS scheme available in the open-source HElib library, we show that operational parameters of the chosen FHE scheme such as the degree of the cyclotomic polynomial, depth limitations of the underlying leveled HE scheme, and the computational precision parameters have a major impact on the design of the machine learning model (especially, the choice of the activation function and pooling method). Our empirical study shows that choice of aforementioned design parameters result in significant trade-offs between accuracy, security level, and computational time. Encrypted inference experiments on the MNIST dataset indicate that other design choices such as ciphertext packing strategy and parallelization using multithreading are also critical in determining the throughput and latency of the inference process.


翻译:加密数据的机器学习可以解决与与不值得信赖的服务提供者共享敏感数据的隐私和合法性有关的问题。完全单调加密(FHE)是一种很有希望的技术,可以使机器学习和推推,同时提供严格的信息泄漏保障。由于深层神经神经网络(CNN)已成为若干应用中选择的机器学习工具,已多次尝试利用CNN从加密数据中提取洞见。然而,现有工作仅侧重于确保数据安全,忽视模型参数的安全性。它们还报告高层次的实施,而没有提供对FHE实施CNN通用原始操作者(如 convolution、非线性激活和集合)的准确性、快速交易交易的严格分析。在这项工作中,我们把机器学习视为一种服务(MLAS)情景,其中输入数据和模型参数和模型参数都得到保证。 我们所选择的FHE计划的业务参数,例如精密多级多级多级协议的精确度、深度交易规则的精确度限制,以及我们主要级的精确度设计方法的精确度分析方法,包括我们主要级的精度设计方法的精确度的精确度,例如精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度,以及精确度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度,以及精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度。

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机器学习(Machine Learning)是一个研究计算学习方法的国际论坛。该杂志发表文章,报告广泛的学习方法应用于各种学习问题的实质性结果。该杂志的特色论文描述研究的问题和方法,应用研究和研究方法的问题。有关学习问题或方法的论文通过实证研究、理论分析或与心理现象的比较提供了坚实的支持。应用论文展示了如何应用学习方法来解决重要的应用问题。研究方法论文改进了机器学习的研究方法。所有的论文都以其他研究人员可以验证或复制的方式描述了支持证据。论文还详细说明了学习的组成部分,并讨论了关于知识表示和性能任务的假设。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ml/
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