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【6h】

提供差分隐私保护的线性查询新方法

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目录

摘要

第一章 绪论

第1节 隐私保护数据发布的背景和意义

第2节 差分隐私的相关工作

第3节 本文的主要工作

第二章 递归机制:实现节点差分隐私与无约束Join

第1节 引言

1.1 动机

1.2 主要贡献

第2节 预备知识

2.1 差分隐私的基本概念

2.2 可用性

2.3 全局敏感度

2.4 局部敏感度与平滑敏感度

2.5 K-关系表与c-表

第3节 问题形式化

3.1 敏感数据库与单调查询

3.2 敏感关系表上的线性查询

第4节 递归机制框架

4.1 基本框架

4.2 一个通用但不高效的实现

第5节 高效的递归机制

5.1 使用松弛法的递归机制

5.2 映射φ

5.3 计算开销

第6节 实验评估

6.1 子图计数

6.2 处理K-关系表

第7节 结论

第三章 子敏感度机制:基于虚拟查询核的线性查询高效处理方法

第1节 引言

1.1 动机

1.2 研究路线

第2节 预备知识

2.1 差分隐私

2.2 关系与查询核

2.3 K-norm机制

第3节 子敏感度机制

3.1 概要

3.2 构造偏核

3.3 构造虚拟查询核

第4节 改进的子敏感度机制

4.1 构造一致的低维柱状图

4.2 在z和低维柱状图之间建立联系

第5节 实验评估

5.1 实验配置

5.2 实验结果与分析

第6节 结论

第四章 后处理技术:通过整合历史查询提高数据可用性

第1节 引言

第2节 符号与预备知识

第3节 主成分分析方法

3.1 Kernel PCA方法

3.2 计算核矩阵

3.3 在偏差和方差间进行权衡

3.4 引入关于数据分布的先验知识

3.5 选取恰当的α

第4节 最大熵方法

4.1 目标函数

4.2 学习最大熵模型

4.3 引入先验分布p0

第5节 实验结果

5.1 整合查询结果和提高精度

5.2 数据发布

第6节 结论

第五章 总结与未来工作

参考文献

攻读博士期间完成的论文

声明

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摘要

差分隐私是一种处理敏感数据分析任务时的隐私保护原理,在许多的场合下都得到了成功的应用。差分隐私与许多更早的隐私保护原理不同,它定义了十分严谨的隐私担保形式,并要求其数据分析技术都能够从数学上严格证明满足所定义的隐私担保。简单来说,差分隐私在数据发布过程中对任何个人敏感数据参与发布过程所招致的风险进行了定量的控制,从而使任何攻击者都无法从发布结果推断出任何单个参与者的敏感信息。目前,研究者们已经对差分隐私进行了大量的研究工作,并提出了许多有效的敏感数据分析方法。然而,差分隐私作为一个新的研究领域,仍然有许多新的问题有待解决。在这篇论文中,我们提出了三种在差分隐私下进行数据查询的新方法,显著提高了敏感数据查询的效率与有效性。
  实现差分隐私的一个最简单有效的方法是Laplace机制,它通过往查询结果中引入独立同分布的Laplace噪声来隐藏个人信息。虽然这个方法十分简单且被广泛应用,但它却要求查询结果对个体参与者的全局敏感度必须是有限而且较小的。对于许多复杂查询,例如SQL查询结果上的聚合以及子图计数,查询结果却很可能有着过大甚至无限的全局敏感度。现有的差分隐私机制并不能够处理如此复杂的查询。我们首先提出了一个基于经验敏感度的查询机制,它可以处理跟个体参与者之间有着复杂关系的查询,并且允许查询有无限大的全局敏感度。除此之外,我们的机制还能用于处理任意的子图计数查询并实现节点差分隐私,而这在过去是无法做到的。
  对于许多线性查询,Laplace机制所引入的独立噪声并不是最优的。为了优化查询精度,一些机制往查询结果引入相关的噪声来减小所需噪声的大小。然而,当查询序列是用户任意给定时,这些机制为了找到最优的噪声分布需要的计算开销非常大,随数据维度增加呈指数增长。因此,这些机制在实践中无法用于高维数据集。我们提出了一个基于子敏感度概念的改进机制,它不但可以通过往查询结果引入相关的噪声来优化查询精度,且其计算开销随数据维度增加仅呈多项式增长。冈此,它在实践中的效率和可用性跟以往的方法相比有着显著的提高。
  最后,我们提出了一种用于整合所有已知查询结果的后处理技术,以利用查询中隐藏的冗余性和相关性来提高查询的精度。我们的方法还可以在隐私预算完全耗尽的场合下根据已知的信息给新查询返回有意义的估计结果。这个方法的一个重要优点是,它避免了在整个数据域上显式地构造柱状图,对于许多重要的查询类型它的计算开销随数据维度增加仅呈多项式增长,因此可适用于高维数据集。

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