Facebook CrypTen安全多方计算（MPC）框架介绍及核心代码分析

￡神魔★判官ぃ 2023-07-20 13:56 9阅读 0赞

## 简单介绍 ##

CrypTen是Facebook在2019年10月开源的,用于多方安全计算(MPC)的框架。其底层依赖于深度学习框架PyTorch。

*  官网说明见： https://ai.facebook.com/blog/crypten-a-new-research-tool-for-secure-machine-learning-with-pytorch/.
 *  源码地址：https://github.com/facebookresearch/CrypTen

### 使用场景 ###

Alice提供模型，Bob提供数据， 加密的数据被分割并在2方参与计算，最终将计算结果合并解密得到结果。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTIzODYzMTE_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTIzODYzMTE_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 使用示例 ##

x_enc = crypten.cryptensor([1, 2, 3])
    y_enc = crypten.cryptensor([4, 5, 6])
    z_enc = x_enc + y_enc

## 隐藏明文 ##

crypten支持两种分享类型：arithmetic（ArithmeticSharedTensor）和binary（BinarySharedTensor）。  
通过cryptensor()方法构造的MPCTensor(继承了CrypTensor)中，默认使用arithmetic分享类型，主要属性`_tensor`值存放的是ArithmeticSharedTensor。

ArithmeticSharedTensor主要属性是`share`（等价于属性`_tensor`）。  
构造过程主要为如下几步：

1.  使用FixedPointEncoder将tensor编码，结果为scaled Integer类型的tensor。
2.  PRZS(psuedo-random sharing of zero)方式生成tensor。利用pytorch的isend和irecv,使得任意1方拥有n方中2方（prev,next）的随机数生成器的种子。核心代码如下

next_seed = torch.tensor(numpy.random.randint(-2 ** 63, 2 ** 63 - 1, (1,)))
    prev_seed = torch.LongTensor([0])  # placeholder
    # Send random seed to next party, receive random seed from prev party
    if world_size >= 2:  # Otherwise sending seeds will segfault.
        next_rank = (rank + 1) % world_size
        prev_rank = (next_rank - 2) % world_size
        req0 = comm.get().isend(tensor=next_seed, dst=next_rank)
        req1 = comm.get().irecv(tensor=prev_seed, src=prev_rank)
        req0.wait()
        req1.wait()
    else:
        prev_seed = next_seed
    # Seed Generators
    comm.get().g0.manual_seed(next_seed.item())
    comm.get().g1.manual_seed(prev_seed.item())

3方(P1,P2,P3)计算情况，g0和g1的种子（Seed）对应如下结果:

def PRZS(*size):
        """ Generate a Pseudo-random Sharing of Zero (using arithmetic shares) This function does so by generating `n` numbers across `n` parties with each number being held by exactly 2 parties. One of these parties adds this number while the other subtracts this number. """
        tensor = ArithmeticSharedTensor(src=SENTINEL)
        current_share = generate_random_ring_element(*size, generator=comm.get().g0)
        next_share = generate_random_ring_element(*size, generator=comm.get().g1)
        tensor.share = current_share - next_share
        return tensor

1.  主节点（rank = 0) 的tensor = tensor + PRZS.share. 其他节点tensor = PRZS.share.

## 获取明文 ##

获取方式是`x_enc.get_plain_text()`方法，该方法主要步骤如下：

1.  由于n方的PRZS.share的所有值相加为0. 通过pytorch的reduce方式，sum所有节点的tensor.share即可恢复原始tensor。
2.  使用FixedPointEncoder将tensor解码

## 算数运算 ##

“add”,“sub”,“mul”,“matmul"等几个方法在ArithmeticSharedTensor中实现。  
其中"mul”,"matmul"等方法使用了Beaver Triples(Multiplication Triples)协议。协议具体过程如下：

1.  Obtain uniformly random sharings \[a\],\[b\] and \[c\] = \[a \* b\]
2.  Additively hide \[x\] and \[y\] with appropriately sized \[a\] and \[b\]
3.  Open (\[epsilon\] = \[x\] - \[a\]) and (\[delta\] = \[y\] - \[b\])
4.  Return \[z\] = \[c\] + (epsilon \* \[b\]) + (\[a\] \* delta) + (epsilon \* delta)

推理过程如下:

x * y =(x - a + a)(y - b + b) 
        = (epsilon + a)(delta + b) 
        = c + (epsilon * b) + (a * delta) + (epsilon * delta)
    
    [x * y] = [c] + (epsilon * [b]) + ([a] * delta) + (epsilon * delta)

第三步在crypten具体实现中，是通过pytorch的reduce将epsilon和delta做了sum（所有节点值相等）。

### a,b,c的生成方式 ###

a，b，c的生存方式可以通过环境变量“CRYPTEN\_PROVIDER\_NAME”来设置。crypten支持3中方式：TFP（TrustedFirstParty，默认），TTP（TrustedThirdParty），HE（HomomorphicProvider）。  
但目前HomomorphicProvider代码并未完成，TrustedThirdParty测试没有通过。只有TFP是可以的。

## 通信 ##

CrypTen遵循标准的MPI编程模型：它为每一方运行一个单独的进程，但是每个进程运行一个相同的（完整）程序。 每个进程都有一个rank来表示自己。  
crypten 分布式计算依赖的pytorch。crypten默认的配置DISTRIBUTED\_BACKEND=gloo。

## 模型保护 ##

模型的构建过程：

1.  读取pytorch模型文件
2.  将pytorch模型转换为onnx（Open Neural Network Exchange）文件
3.  解读onnx文件，并构造crypten\_model（Graph类或者Module类。Graph继承Container，Container继承Module）

使用场景：Alice提供模型，Bob提供数据

import crypten.mpc as mpc
    import crypten.communicator as comm
    
    ALICE = 0
    BOB = 1
    labels = torch.load('/tmp/bob_test_labels.pth').long()
    count = 100 # For illustration purposes, we'll use only 100 samples for classification
    
    @mpc.run_multiprocess(world_size=2)
    def encrypt_model_and_data():
        # Load pre-trained model to Alice
        model = crypten.load('models/tutorial4_alice_model.pth', dummy_model=dummy_model, src=ALICE)
        
        # Encrypt model from Alice 
        dummy_input = torch.empty((1, 784))
        private_model = crypten.nn.from_pytorch(model, dummy_input)
        private_model.encrypt(src=ALICE)
        
        # Load data to Bob
        data_enc = crypten.load('/tmp/bob_test.pth', src=BOB)
        data_enc2 = data_enc[:count]
        data_flatten = data_enc2.flatten(start_dim=1)
    
        # Classify the encrypted data
        private_model.eval()
        output_enc = private_model(data_flatten)
        
        # Compute the accuracy
        output = output_enc.get_plain_text()
        accuracy = compute_accuracy(output, labels[:count])
        print("\tAccuracy: {0:.4f}".format(accuracy.item()))
        
    encrypt_model_and_data()

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