This paper proposes a new approach for privacy-preserving and verifiable convolutional neural network (CNN) testing, enabling a CNN model developer to convince a user of the truthful CNN performance over non-public data from multiple testers, while respecting model privacy. To balance the security and efficiency issues, three new efforts are done by appropriately integrating homomorphic encryption (HE) and zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge (zk-SNARK) primitives with the CNN testing. First, a CNN model to be tested is strategically partitioned into a private part kept locally by the model developer, and a public part outsourced to an outside server. Then, the private part runs over HE-protected test data sent by a tester and transmits its outputs to the public part for accomplishing subsequent computations of the CNN testing. Second, the correctness of the above CNN testing is enforced by generating zk-SNARK based proofs, with an emphasis on optimizing proving overhead for two-dimensional (2-D) convolution operations, since the operations dominate the performance bottleneck during generating proofs. We specifically present a new quadratic matrix programs (QMPs)-based arithmetic circuit with a single multiplication gate for expressing 2-D convolution operations between multiple filters and inputs in a batch manner. Third, we aggregate multiple proofs with respect to a same CNN model but different testers' test data (i.e., different statements) into one proof, and ensure that the validity of the aggregated proof implies the validity of the original multiple proofs. Lastly, our experimental results demonstrate that our QMPs-based zk-SNARK performs nearly 13.9$\times$faster than the existing QAPs-based zk-SNARK in proving time, and 17.6$\times$faster in Setup time, for high-dimension matrix multiplication.


翻译:本文提出一个新的隐私保存和可核查的神经神经网络测试方法,使CNN模型开发者能够说服一个用户对多个测试者的非公开数据进行真实的CNN性运行,同时尊重模型隐私。为了平衡安全和效率问题,做了三项新的努力,适当整合了同质加密(HE)和零知识简单、非互动的原始知识(zk-SNARK)和CNN测试。首先,要测试的CNN模型在战略上被分割成由模型开发者在当地保存的私人部分,而公共部分则外包给外部服务器。然后,私人部分运行了由测试者发送的受保护的CNN的测试数据,将其输出到公众部分,随后完成CNN测试的计算。第二,通过生成zk-SNARK(zk-SNARK)现有证据,强调为二维(2-D)级的共价交易优化证明管理,因为生成证据的操作控制了业绩瓶。我们特别用新的S-DRal 和多级序列(QMP) 运行一个新的测试程序,我们用新的DRiral 向一个不同的测试程序展示了一次测试。

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