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內(nèi)容簡(jiǎn)介
這是一本能指導(dǎo)零基礎(chǔ)讀者快速了解并上手隱私計(jì)算技術(shù)的著作，快速實(shí)現(xiàn)從入門(mén)到進(jìn)階。
作者在金融和安全領(lǐng)域有10余年的技術(shù)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，是港交所隱私計(jì)算項(xiàng)目的深度參與者，工程實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)豐富。本書(shū)從隱私計(jì)算的安全保護(hù)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)維度，深入淺出地講解了6大類(lèi)隱私計(jì)算技術(shù)的工作原理、應(yīng)用方法、開(kāi)發(fā)框架、案例實(shí)踐。
全書(shū)共11章，分為4篇：
第1篇基礎(chǔ)概念（第1~2章）
講述隱私計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)深入講解隱私計(jì)算原理和技術(shù)做鋪墊。
第二篇安全保護(hù)技術(shù)（第3~8章）
講述隱私計(jì)算技術(shù)中的各項(xiàng)安全保護(hù)技術(shù)，包括
深入講述混淆電路、秘密共享、同態(tài)加密、零知識(shí)證明、差分隱私、可信執(zhí)行環(huán)境等隱私計(jì)算安全保護(hù)技術(shù)。每一項(xiàng)技術(shù)都講解了其原理、應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架以及實(shí)踐案例。
第三篇應(yīng)用技術(shù)（第9~10章）
通過(guò)隱私保護(hù)集合交集技術(shù)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)方面的2個(gè)綜合案例講解了隱私計(jì)算安全保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。
第四篇展望（第11章）
介紹了隱私計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)進(jìn)展，探討隱私計(jì)算技術(shù)的困境和發(fā)展前景。

為什么要寫(xiě)這本書(shū)
幾年前，我次接觸隱私計(jì)算技術(shù)時(shí)，馬上就被它所具有的神奇能力所吸引。隱私計(jì)算技術(shù)可以讓數(shù)據(jù)可用不可見(jiàn)，這是多么神奇的事情，令人難以置信。因?yàn)閿?shù)據(jù)幾乎可以零成本地被復(fù)制，所以長(zhǎng)期以來(lái)數(shù)據(jù)所有權(quán)一直難以得到有效保護(hù)，數(shù)據(jù)隱私問(wèn)題也難以解決，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁有方缺乏提供數(shù)據(jù)的動(dòng)力和意愿，造成了大量的數(shù)據(jù)孤島。數(shù)據(jù)交易并沒(méi)有形成規(guī)模，數(shù)據(jù)石油遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有被充分開(kāi)采。如果通過(guò)隱私計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可用不可見(jiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)所有權(quán)和數(shù)據(jù)使用權(quán)的分離，那么數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題就很可能得到解決。我仿佛已經(jīng)看到數(shù)據(jù)石油井噴的場(chǎng)景，著實(shí)興奮。
然而隨著研究的深入，我發(fā)現(xiàn)這件事情并沒(méi)有一開(kāi)始想的那么簡(jiǎn)單。單就隱私而言，什么是隱私數(shù)據(jù)中是否包含隱私這些問(wèn)題其實(shí)并不容易說(shuō)清楚、想明白。比如Netflix曾舉辦了一場(chǎng)根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)推測(cè)用戶(hù)電影評(píng)分的比賽（Netflix Prize），公開(kāi)數(shù)據(jù)中抹去了可識(shí)別用戶(hù)的信息，但一年后，來(lái)自得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的兩名研究員將公開(kāi)數(shù)據(jù)與IMDB（互聯(lián)網(wǎng)電影數(shù)據(jù)庫(kù)）網(wǎng)站的公開(kāi)記錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)差分攻擊等手段識(shí)別出了部分匿名用戶(hù)的身份。三年后，Netflix終因隱私泄露宣布停止該比賽，并付出了百萬(wàn)美元的高額賠償金。可見(jiàn)，判斷數(shù)據(jù)是否包含隱私、是否可以安全公開(kāi)并不簡(jiǎn)單。
經(jīng)過(guò)多年的學(xué)習(xí)和思考，我認(rèn)為解決數(shù)據(jù)隱私問(wèn)題沒(méi)有銀彈，也不存在的數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)要流通、要共享，就必然要透露給別人之前所不知的新信息。問(wèn)題的關(guān)鍵在于，流通、共享過(guò)程中對(duì)透露的信息如何衡量和控制，而這正是隱私計(jì)算技術(shù)需要解決的問(wèn)題。然而，目前隱私計(jì)算技術(shù)雖然種類(lèi)不少，但總體上都談不上十分成熟。公眾對(duì)隱私計(jì)算技術(shù)也不夠了解。市面上雖有學(xué)術(shù)論文著作，但鮮有技術(shù)入門(mén)類(lèi)的書(shū)籍。鑒于此，我本著分享技術(shù)的初衷，將近年來(lái)所學(xué)的隱私計(jì)算技術(shù)整理成書(shū)，希望能幫到一部分讀者，鼓勵(lì)他們?cè)趹?yīng)用研發(fā)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮使用這項(xiàng)技術(shù)。
讀者對(duì)象
大數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)、數(shù)據(jù)安全專(zhuān)業(yè)的學(xué)生。
對(duì)數(shù)據(jù)安全感興趣的程序員。
對(duì)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)有需求的開(kāi)發(fā)人員、架構(gòu)師。
本書(shū)特色
目前，市面上涉及隱私計(jì)算的書(shū)籍主要以聯(lián)邦學(xué)習(xí)為主題，且應(yīng)用場(chǎng)景主要是機(jī)器學(xué)習(xí)，鮮有介紹隱私計(jì)算中各項(xiàng)基礎(chǔ)安全保護(hù)技術(shù)的。本書(shū)講述了隱私計(jì)算中的各項(xiàng)基礎(chǔ)安全保護(hù)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的開(kāi)源應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架，并選取應(yīng)用案例進(jìn)行實(shí)踐，有利于初學(xué)者快速上手學(xué)習(xí)。
如何閱讀本書(shū)
本書(shū)分4篇。
基礎(chǔ)概念篇（第1、2章）：講述隱私計(jì)算的起源、發(fā)展、概念等基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)深入講解隱私計(jì)算原理和技術(shù)做鋪墊。
安全保護(hù)技術(shù)篇（第3～8章）：講述隱私計(jì)算技術(shù)中的各項(xiàng)基礎(chǔ)安全保護(hù)技術(shù)，包括混淆電路、秘密共享、同態(tài)加密、零知識(shí)證明、差分隱私、可信執(zhí)行環(huán)境。
應(yīng)用技術(shù)篇（第9、10章）：通過(guò)兩個(gè)綜合案例介紹隱私計(jì)算中基礎(chǔ)安全保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。
展望篇（第11章）：描述隱私計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)進(jìn)展，探討隱私計(jì)算技術(shù)的困境和發(fā)展前景。
其中，篇以基礎(chǔ)知識(shí)為主，如果你熟悉隱私安全的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，可以直接跳過(guò)這部分內(nèi)容。但是如果你是一名初學(xué)者，請(qǐng)一定從篇開(kāi)始學(xué)習(xí)。第二篇的各章比較獨(dú)立，你可根據(jù)自己的興趣優(yōu)先選擇其中某些內(nèi)容閱讀。另外，本書(shū)涉及的編程語(yǔ)言較多，讀者不必拘泥于編程語(yǔ)言細(xì)節(jié)，重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)技術(shù)的原理和方法即可。
勘誤和支持
登錄https://github.com/li-weirong/ppct可下載書(shū)中全部源文件，登錄https://hub.docker.com/u/liweirong可拉取Docker鏡像文件。由于筆者能力有限，書(shū)中難免會(huì)存在一些錯(cuò)誤或者不準(zhǔn)確的地方，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。如果你有寶貴意見(jiàn)，請(qǐng)發(fā)送郵件到郵箱liweirong@outlook.com，期待得到你的真摯反饋。
致謝
首先要感謝前公司領(lǐng)導(dǎo)許慎，是他帶我走進(jìn)隱私計(jì)算這一前沿技術(shù)的世界，讓我領(lǐng)略到了這一新技術(shù)的魅力。
其次要感謝機(jī)械工業(yè)出版社華章公司的編輯楊福川和陳潔，他們?cè)谖覍?xiě)作期間始終支持我，引導(dǎo)我順利完成了全部書(shū)稿。
后感謝我的家人，他們?cè)谖揖帉?xiě)此書(shū)的過(guò)程中始終支持和鼓勵(lì)我，讓我安心思考和寫(xiě)作，從而終完稿。
謹(jǐn)以此書(shū)獻(xiàn)給我親愛(ài)的家人！

目錄 Contents
序
前言
篇　基礎(chǔ)概念
第1章　隱私計(jì)算技術(shù)的起源、發(fā)展及應(yīng)用3
1.1　隱私計(jì)算技術(shù)的起源3
1.2　隱私計(jì)算的概念4
1.3　隱私計(jì)算技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)6
1.4　隱私計(jì)算技術(shù)是重大科技趨勢(shì)7
1.4.1　政策扶持7
1.4.2　商業(yè)市場(chǎng)前景8
1.4.3　商業(yè)研究機(jī)構(gòu)的認(rèn)同9
1.5　隱私計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景10
1.5.1　金融行業(yè)10
1.5.2　醫(yī)療健康行業(yè)11
1.5.3　政務(wù)行業(yè)11
1.6　本章小結(jié)12
第2章　隱私計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)13
2.1　非對(duì)稱(chēng)加密RSA算法13
2.1.1　RSA算法基礎(chǔ)13
2.1.2　密鑰生成15
2.1.3　加密與解密16
2.1.4　基于RSA算法的盲簽名17
2.2　不經(jīng)意傳輸17
2.3　布隆過(guò)濾器19
2.4　隱私計(jì)算安全性假設(shè)20
2.4.1　安全行為模型20
2.4.2　不誠(chéng)實(shí)門(mén)限22
2.5　本章小結(jié)22
第二篇　安全保護(hù)技術(shù)
第3章　混淆電路技術(shù)的原理與實(shí)踐25
3.1　混淆電路的原理25
3.2　開(kāi)發(fā)框架Obliv-C28
3.2.1　通過(guò)Docker構(gòu)建環(huán)境29
3.2.2　使用obliv修飾隱私輸入數(shù)據(jù)30
3.2.3　提供隱私輸入數(shù)據(jù)31
3.2.4　計(jì)算過(guò)程中的流程控制32
3.2.5　obliv函數(shù)33
3.2.6　對(duì)數(shù)組的訪(fǎng)問(wèn)34
3.2.7　關(guān)鍵詞frozen34
3.2.8　高級(jí)功能：無(wú)條件代碼段35
3.2.9　Obliv-C項(xiàng)目的文件結(jié)構(gòu)36
3.3　應(yīng)用案例：解決百萬(wàn)富翁難題40
3.3.1　具體代碼實(shí)現(xiàn)40
3.3.2　網(wǎng)絡(luò)抓包及分析42
3.4　擴(kuò)展閱讀44
3.4.1　姚氏布爾電路優(yōu)化44
3.4.2　算術(shù)電路44
3.5　本章小結(jié)45
第4章　秘密共享技術(shù)的原理與實(shí)踐46
4.1　秘密共享的概念46
4.2　Shamir門(mén)限秘密共享方案47
4.2.1　Shamir門(mén)限秘密共享方案流程47
4.2.2　Shamir門(mén)限秘密共享方案原理47
4.3　通過(guò)秘密共享實(shí)現(xiàn)隱私計(jì)算的原理49
4.4　開(kāi)發(fā)框架JIFF51
4.4.1　通過(guò)Docker構(gòu)建環(huán)境51
4.4.2　JIFF服務(wù)器52
4.4.3　JIFF客戶(hù)端53
4.4.4　隱私輸入數(shù)據(jù)的秘密共享55
4.4.5　秘密共享中的運(yùn)算57
4.4.6　計(jì)算過(guò)程中的流程控制59
4.4.7　計(jì)算結(jié)果輸出60
4.4.8　模塊擴(kuò)展62
4.4.9　使用預(yù)處理來(lái)提升性能63
4.4.10　使用并行計(jì)算來(lái)提升性能64
4.4.11　安全模型和假設(shè)68
4.5　應(yīng)用案例：求向量?jī)?nèi)積68
4.5.1　具體代碼實(shí)現(xiàn)68
4.5.2　網(wǎng)絡(luò)抓包及分析71
4.5.3　性能優(yōu)化72
4.6　擴(kuò)展閱讀74
4.6.1　GMW協(xié)議74
4.6.2　BGW協(xié)議75
4.6.3　SPDZ協(xié)議75
4.6.4　門(mén)限簽名75
4.6.5　開(kāi)發(fā)框架FRESCO76
4.7　本章小結(jié)77
第5章　同態(tài)加密技術(shù)的原理與實(shí)踐78
5.1　同態(tài)加密算法概述78
5.1.1　同態(tài)加密算法的概念78
5.1.2　同態(tài)加密算法的分類(lèi)79
5.2　半同態(tài)加密算法實(shí)踐83
5.2.1　Paillier加法同態(tài)83
5.2.2　RSA乘法同態(tài)84
5.3　開(kāi)發(fā)框架SEAL85
5.3.1　加密參數(shù)設(shè)置85
5.3.2　密鑰生成與加解密87
5.3.3　層的概念89
5.3.4　密文計(jì)算91
5.3.5　重線(xiàn)性化91
5.3.6　重縮放92
5.3.7　通過(guò)Docker構(gòu)建環(huán)境94
5.4　應(yīng)用案例：距離計(jì)算94
5.5　擴(kuò)展閱讀99
5.5.1　標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展99
5.5.2　HElib99
5.5.3　PALISADE99
5.6　本章小結(jié)100
第6章　零知識(shí)證明技術(shù)的原理與實(shí)踐101
6.1　零知識(shí)證明技術(shù)的算法原理101
6.1.1　交互式零知識(shí)證明102
6.1.2　非交互式零知識(shí)證明104
6.1.3　通過(guò)R1CS來(lái)描述算術(shù)電路106
6.1.4　開(kāi)發(fā)步驟108
6.2　開(kāi)發(fā)框架libsnark109
6.2.1　使用原型板搭建電路110
6.2.2　生成密鑰對(duì)111
6.2.3　證明者構(gòu)造證明112
6.2.4　驗(yàn)證者驗(yàn)證112
6.2.5　可復(fù)用的電路Gadget113
6.2.6　通過(guò)Docker構(gòu)建環(huán)境114
6.2.7　代碼的編譯以及運(yùn)行115
6.3　應(yīng)用案例：以零知識(shí)證明方式提供財(cái)富達(dá)標(biāo)證明116
6.4　同態(tài)承諾120
6.4.1　承諾的概念120
6.4.2　哈希承諾121
6.4.3　橢圓曲線(xiàn)121
6.4.4　Pedersen同態(tài)承諾122
6.4.5　基于Pedersen同態(tài)承諾的轉(zhuǎn)賬123
6.5　擴(kuò)展閱讀123
6.5.1　Zash的Powers of Tau活動(dòng)123
6.5.2　無(wú)須可信設(shè)置的技術(shù)方案Spartan124
6.6　本章小結(jié)124
第7章　差分隱私技術(shù)的原理與實(shí)踐126
7.1　差分隱私概述126
7.1.1　核心思想126
7.1.2　分類(lèi)128
7.1.3　經(jīng)典算法130
7.1.4　應(yīng)用場(chǎng)景132
7.2　開(kāi)發(fā)框架SmartNoise133
7.2.1　SmartNoise核心庫(kù)的組成133
7.2.2　基于核心庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析134
7.2.3　SmartNoise SDK庫(kù)的組成137
7.2.4　基于SDK庫(kù)進(jìn)行SQL統(tǒng)計(jì)查詢(xún)137
7.2.5　通過(guò)Docker構(gòu)建環(huán)境138
7.3　應(yīng)用案例：美國(guó)人口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)139
7.3.1　簡(jiǎn)單幾何機(jī)制的直方圖分析139
7.3.2　拉普拉斯機(jī)制的直方圖分析141
7.4　擴(kuò)展閱讀142
7.4.1　機(jī)器學(xué)習(xí)中的隱私攻擊142
7.4.2　差分隱私模型訓(xùn)練開(kāi)源庫(kù)Opacus143
7.5　本章小結(jié)143
第8章　可信執(zhí)行環(huán)境技術(shù)的原理與實(shí)踐145
8.1　可信執(zhí)行環(huán)境的原理145
8.2　基于硬件的可信執(zhí)行環(huán)境Intel SGX147
8.2.1　SGX的安全特性147
8.2.2　SGX可信應(yīng)用程序執(zhí)行流程148
8.2.3　SGX相比純軟件方案的優(yōu)勢(shì)149
8.2.4　SGX的不足150
8.3　Intel SGX開(kāi)發(fā)入門(mén)151
8.3.1　判斷系統(tǒng)是否支持SGX151
8.3.2　SGX開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介及搭建153
8.3.3　基于Intel SGX SDK構(gòu)建加密應(yīng)用156
8.3.4　SGX的啟動(dòng)審批機(jī)制180
8.3.5　SGX的密鑰182
8.3.6　本地鑒證183
8.3.7　遠(yuǎn)程鑒證184
8.4　開(kāi)發(fā)框架Teaclave188
8.4.1　Teaclave架構(gòu)188
8.4.2　通過(guò)Docker構(gòu)建環(huán)境190
8.5　應(yīng)用案例：Private Join and Compute190
8.6　可信計(jì)算195
8.6.1　可信計(jì)算的基本思想195
8.6.2　可信計(jì)算的發(fā)展歷史196
8.6.3　可信計(jì)算在體系結(jié)構(gòu)上的發(fā)展和變化196
8.6.4　可信執(zhí)行環(huán)境與可信計(jì)算的關(guān)系197
8.7　擴(kuò)展閱讀198
8.7.1　側(cè)信道攻擊198
8.7.2　提升TEE開(kāi)發(fā)易用性199
8.7.3　手機(jī)上的可信執(zhí)行環(huán)境200
8.7.4　機(jī)密計(jì)算聯(lián)盟201
8.8　本章小結(jié)202
第三篇　應(yīng)用技術(shù)
第9章　隱私保護(hù)集合交集技術(shù)的原理與實(shí)踐205
9.1　PSI的實(shí)現(xiàn)原理205
9.1.1　基于哈希的PSI206
9.1.2　基于公鑰加密的PSI206
9.1.3　基于混淆電路等MPC技術(shù)的PSI208
9.1.4　基于不經(jīng)意傳輸?shù)腜SI208
9.1.5　基于全同態(tài)加密的PSI211
9.2　應(yīng)用案例212
9.2.1　基于BF和RSA的PSI212
9.2.2　實(shí)現(xiàn)方案213
9.2.3　運(yùn)行環(huán)境以及執(zhí)行215
9.3　擴(kuò)展閱讀217
9.3.1　谷歌的Private Join and Compute項(xiàng)目217
9.3.2　PSI分析研究報(bào)告217
9.4　本章小結(jié)218
第10章　聯(lián)邦學(xué)習(xí)219
10.1　聯(lián)邦學(xué)習(xí)的源起219
10.2　聯(lián)邦學(xué)習(xí)的分類(lèi)221
10.2.1　橫向聯(lián)邦學(xué)習(xí)221
10.2.2　縱向聯(lián)邦學(xué)習(xí)222
10.2.3　聯(lián)邦遷移學(xué)習(xí)224
10.3　基礎(chǔ)隱私計(jì)算技術(shù)在聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的應(yīng)用225
10.3.1　PSI在聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的應(yīng)用225
10.3.2　同態(tài)加密在聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的應(yīng)用226
10.3.3　秘密共享在聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的應(yīng)用227
10.3.4　差分隱私在聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的應(yīng)用229
10.3.5　TEE在聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的應(yīng)用229
10.4　擴(kuò)展閱讀230
10.4.1　開(kāi)源的聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架230
10.4.2　聯(lián)邦學(xué)習(xí)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)231
10.5　本章小結(jié)231
第四篇　展望
第11章　隱私計(jì)算的困境與展望235
11.1　隱私計(jì)算的困境235
11.2　隱私計(jì)算的趨勢(shì)與展望236
11.3　隱私計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化237
11.4　數(shù)據(jù)要素化與隱私計(jì)算240
11.5　本章小結(jié)241

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