差分隐私（Differential Privacy）定义及其理解

1 前置知识

本部分只对相关概念做服务于差分隐私介绍的简单介绍，并非细致全面的介绍。

1.1 随机化算法

随机化算法指，对于特定输入，该算法的输出不是固定值，而是服从某一分布。

单纯形（simplex）：一个kk维单纯形是指包含k+1k+1个顶点的凸多面体，一维单纯形是一条线段，二维单纯形是一个三角形，三维单纯形是一个四面体，以此类推推广到任意维。“单纯”意味着基本，是组成更复杂结构的基本构件。

概率单纯形（probability simplex）：是一个数学空间，上面每个点代表有限个互斥事件之间的概率分布。该空间的每条坐标轴代表一个互斥事件，k−1k−1维单纯形上的每个点在kk维空间中的坐标就是其kk个互斥事件上的概率分布。每一点的坐标（向量）包含kk个元素，各元素非负且和为1。

如下图所示，三个事件发生的概率分布形成一个二维的概率单纯形，上面每个点在三个事件上发生的概率之和为1。

形式化定义：给定一个离散集BB，BB上的概率单纯形Δ(B)Δ(B)被定义为

Δ(B)={x∈R|B||xi≥0,i=1,2,⋯,|B∣;|B|∑i=1xi=1}

Δ(B)是一个集合，集合中每一个元素是一个|B|维向量，该向量代表了一个离散型随机变量的概率分布。Δ(B)代表了一个有|B|种取值的离散型随机变量的所有可能的概率分布。

随机化算法（randomized algorithm）：一个随机化算法M有定义域A、离散的值域B。一个输入a∈A，算法M的输出M(a)是一个随机变量，服从概率分布p(x)=Pr(M(a)=x),x∈B，并且p(x)∈Δ(B)。

例如，A={2,3,4}，B={1,2,3,4,5}，设Δ(B)中包含三个元素，分别为(13,13,13,0,0)、(0,13,13,13,0)、(0,0,13,13,13)，即

Δ(B)={(13,13,13,0,0),(0,13,13,13,0),(0,0,13,13,13)}

每个元素均代表算法输出的随机变量取值为1,2,3,4,5的概率分布，现可以规定映射M为

M(2)∼(13,13,13,0,0),M(3)∼(0,13,13,13,0),M(4)∼(0,0,13,13,13)

也就是说，一个特定输入a∈A经过随机化算法M得到的不是一个具体值b∈B，而是一个随机变量M(a)∼p(x),p(x)∈Δ(B)，又或者说，算法将以一定概率输出某一个值。

上述情况是在离散概率空间中讨论的，有时，算法将从连续分布中的采样，但最后将以适当的精度进行离散化。

1.2 KL散度（KL-Divergence）

KL散度（Kullback Leible-Divergence）概念来源于概率论与信息论，又被称作相对熵、互熵。从统计学意义上来说，KL散度可以用来衡量两个分布之间的差异程度，差异越小，KL散度越小。

熵（entropy）：信息论中熵定义首次被香农提出：无损编码事件信息的最小平均编码长度。通俗理解，如果熵比较大，即对该信息进行编码的最小平均编码长度较长，意味着该信息具有较多可能的状态，即有着较大的信息量/混乱程度/不确定性。从某种角度上看，熵描述了一个概率分布的不确定性。

一个离散的随机变量X可能取值为X=x1,x2,...,xn，即取值空间为X={x1,x2,...,xn}，概率分布律为p(x)=Pr(X=x),x∈X，则随机变量的熵定义为

H(X)=−∑x∈Xp(x)logp(x)=Ex∼p[−logp(x)]

规定当p(x)=0时，p(x)logp(x)=0。

其中，−logp(x)表示状态X=x的最小编码长度。

• Pr(A)也即P(A)，表示事件A发生的概率，只是书写习惯不同，避免与其他P混淆。

• 有时也将上面的量记为H(p)；

• 公式中的Ex∼p表示使用概率分布p来计算期望；

• 其中log以2为底时，熵单位为bit，以e为底时，熵单位为nat；

• 上述的对熵的讨论也只是针对离散随机变量进行讨论的，p(x)在离散型随机变量中为概率分布律，在连续型随机变量中为概率密度函数；

交叉熵（cross-entropy）：熵的计算是已知各状态的概率分布求其理论上最小平均编码长度。如果不知道各状态真实的概率分布p(x)，只有预估的概率分布q(x)，我们只好根据预估的概率分布q(x)给事件编码，得到事件各状态x的预估最小编码长度−logq(x)。假如经过观测后我们得到了真实概率分布p(x)，那么在计算预估最小编码长度−logq(x)的期望时就可以采用真实概率分布p(x)，得到交叉熵。

对于同一取值空间X={x1,x2,...,xn}下的离散随机变量P,Q，概率分布分别为p(x)=Pr(P=x),q(x)=Pr(Q=x),x∈X，交叉熵定义为

H(P,Q)=∑x∈Xp(x)log1q(x)=−∑x∈Xp(x)logq(x)=Ex∼p[−logq(x)]

即用预估概率分布q(x)计算每个状态的最小编码长度，用真实概率分布p(x)求期望。可见，H(P,Q)≠H(Q,P),H(P,Q)⩾H(P)。

上述定义也可写作：对于取值空间X的离散随机变量X，有两个分布p(x),q(x),x∈X，这也是《信息论基础（原书第二版）》的表达方式；但考虑到一个随机变量对应一个分布更严谨些，便分成了同一取值空间的两个随机变量进行解释，这是《The Algorithmic Foundations of Differential Privacy》的表达方式。二者意思是一样的。

相对熵（relative entropy）/KL散度（KL-divergence）：用来衡量交叉熵与熵之间的差距的，也是两个随机分布之间距离的度量。

对于同一取值空间X={x1,x2,...,xn}下的离散随机变量P,Q，概率分布分别为p(x)=Pr(P=x),q(x)=Pr(Q=x),x∈X，则P相对Q的相对熵为P,Q的交叉熵−P的熵：

DKL(P‖Q)=H(P,Q)−H(P)=−∑x∈Xp(x)logq(x)−∑x∈X−p(x)logp(x)=−∑x∈Xp(x)(logq(x)−logp(x))=−∑x∈Xp(x)logq(x)p(x)=∑x∈Xp(x)logp(x)q(x)=Ex∼p[−logq(x)]−Ex∼p[−logp(x)]=Ex∼p[logp(x)q(x)]

可见，KL散度也可以用来衡量两个分布P,Q的差异程度，另外，DKL(P‖Q)≠DKL(Q‖P)⩾0。

最大散度（Max Divergence）：KL散度是从整体上衡量两个分布的距离，最大散度是两个分布比值的最大值，从两个分布比值的最大值角度衡量了两个分布的差异。

对于同一取值空间X={x1,x2,...,xn}下的离散随机变量P,Q，概率分布分别为p(x)=Pr(P=x),q(x)=Pr(Q=x),x∈X，最大散度为

D∞(P‖Q)=maxx∈X[logPr[P=x]Pr[Q=x]]=maxx∈X[logp(x)q(x)]

2 差分隐私定义

差分隐私是Dwork在2006年首次提出的一种隐私定义，函数的输出结果对数据集中任何特定记录都不敏感。

假设对于一个考试成绩数据集D，通过查询操作得知有x个同学不及格，现加入一条新纪录得到新数据集D′，通过查询得知有x+1个同学不及格，便可推理出新加入的同学成绩不及格，如此一来，攻击者便通过这样的手段推理出了一些知识。

应对上述攻击，差分隐私通过往查询结果f(D),f(D′)中加入随机噪声r最终得到查询结果M(D)=f(D)+r,M(D′)=f(D′)+r，使得D与D′经过同一查询后的结果并非确定的具体值，而是服从两个很接近的概率分布，这样攻击者无法辨别查询结果来自哪一个数据集，保障了个体级别的隐私性。

2.1 形式化定义

邻接数据集（neighbor datasets）：仅有一条记录不同的两个数据集D，D′。

随机化算法M：随机化算法指，对于特定输入，该算法的输出不是固定值，而是服从某一分布。

隐私预算ϵ（privacy budget）：ϵ用于控制算法的隐私保护程度，ϵ越小，则算法保护效果越好。

隐私损失（privacy loss）：对于任意的输出结果S，lnPr[M(D)∈S]Pr[M(D′)∈S]或lnPr[M(D)=ξ]Pr[M(D′)=ξ]，其描述了算法M在邻接数据集上输出同一个值的概率差别大小，差分隐私机制将算法的隐私损失控制在一个有限范围ϵ内。

隐私损失可正可负，越正和越负都表示隐私损失很大，因此严格来说隐私损失应加个绝对值，为

Privacyloss=|lnPr[M(D)∈S]Pr[M(D′)∈S]|

当然，如没有加绝对值的地方默认Pr[M(D)∈S]⩾Pr[M(D′)∈S]。

ϵ−差分隐私：对于只有一个记录不同的邻接数据集D、D′，给这两个数据集施加一个随机化算法（机制）M，对于所有的S⊆Range(M)，若有

Pr[M(D)∈S]⩽Pr[M(D′)∈S]×eϵ

即

maxS[lnPr[M(D)∈S]Pr[M(D′)∈S]]⩽ϵ

成立，则称算法M满足ϵ−差分隐私。

其中Range(M)是随机算法M映射结果随机变量的取值空间，S是其子集；对于所有的S⊆Range(M)即对于Range(M)的所有子集。

另种写法：

Pr[M(D)=x]⩽Pr[M(D′)=x]×eϵ,x∈S

即

maxx∈S[logPr[M(D)=x]Pr[M(D′)=x]]⩽ϵ

(ϵ,σ)−差分隐私：上面描述的是严格的差分隐私的定义，为了算法的实用性，Dwork后面引入了松弛的差分隐私，加入一个小常数δ（称作失败概率）：

Pr[M(D)∈S]⩽Pr[M(D′)∈S]×eϵ+δ

2.2 该定义是如何得来的

差分隐私的目的是使M(D),M(D′)的分布尽可能接近，便可用Max Divergence衡量两个分布的差异：

D∞(M(D)‖M(D′))=maxx∈S[logPr[M(D)=x]Pr[M(D′)=x]]=maxS[logPr[M(D)∈S]Pr[M(D′)∈S]]

其中S⊆Range(M)，Range(M)是随机算法M映射结果随机变量的取值空间，S是其子集。

对于Range(M)的所有子集，即对于任意的S⊆Range(M)，两个分布的差异都被限制在隐私预算ϵ以内：

maxx∈S[logPr[M(D)=x]Pr[M(D′)=x]]=maxS[logPr[M(D)∈S]Pr[M(D′)∈S]]⩽ϵ

可见，上述的Max Divergence就是隐私损失。

取log的底为e，并两边同时利用指数运算、乘以分母变形得：

Pr[M(D)=x]⩽Pr[M(D′)=x]×eϵ,x∈S

或

Pr[M(D)∈S]⩽Pr[M(D′)∈S]×eϵ

3 差分隐私中常用的随机化算法（机制）

常用的随机化机制有：

• 拉普拉斯机制（Laplace mechanism）
• 指数机制（Exponential mechanism）
• 高斯机制（Gaussian mechanism）

这些机制中，噪声发现取决于算法的敏感度。

敏感度（sensitivity）：对于只有一个记录不同的两个数据集D,D′，对于一个函数M:D→Rd，则M的敏感度为接收所有可能的输入后，得到输出的最大变化值：

ΔM=maxD,D′‖M(D)−M(D′)‖

其中，‖⋅‖表示向量的范数。l1−敏感度和l2−敏感度分别适用于l1范数和l2范数。

参考资料：

1. 概率单纯形 https://zhuanlan.zhihu.com/p/479892005
2. 【数学知识】KL散度 https://zhuanlan.zhihu.com/p/365400000
3. 一文搞懂熵(Entropy),交叉熵(Cross-Entropy) https://zhuanlan.zhihu.com/p/149186719
4. 差分隐私Differential Privacy介绍 https://zhuanlan.zhihu.com/p/40760105
5. 差分隐私（一） Differential Privacy 简介 https://zhuanlan.zhihu.com/p/139114240
6. 差分隐私的算法基础 第二章 第三节 形式化差分隐私 https://zhuanlan.zhihu.com/p/502656652
7. 《联邦学习》杨强.et al 电子工业出版社
8. 机器学习的隐私保护研究综述. 刘俊旭 孟小峰 doi: 10.7544/issn1000-1239.2020.20190455
9. 《The Algorithmic Foundations of Differential Privacy》Dwork.et al 3.5.1
10. 《信息论基础（原书第2版）》Thomas.et al 机械工业出版社