Джон Келлехер - Наука о данных. Базовый курс

В последние годы растет интерес к вычислительным методам сохранения конфиденциальности на протяжении всего процесса анализа данных. Наиболее известны два из этих методов: дифференциальная приватность и федеративное машинное обучение .

Дифференциальная приватность — это математический метод получения полезной информации о населении, без изучения отдельных людей. Дифференциальная приватность использует узкое определение конфиденциальности, когда та не считается нарушенной включением персональных данных в процесс анализа, если выводы, сделанные в результате этого анализа, совпадают с выводами, сделанными без включения данных отдельных лиц. Существует ряд процессов, реализующих дифференциальную приватность. В их основе лежит идея добавления шума либо на этапе сбора данных, либо в ответы на запросы к базе данных. Шум защищает конфиденциальность отдельных лиц, но может быть удален из данных на агрегированном уровне так, чтобы можно было рассчитать полезную статистику по населению в целом. Хорошим примером введения шума в данные является метод случайного ответа. Например, при анкетировании респондентам предлагается ответить «Да» или «Нет» на деликатный вопрос (касающийся нарушения закона, состояния здоровья и т. д.), используя следующую процедуру:

1. Подбросьте монету и держите результат в секрете.

2. Если выпал орел, отвечайте «Да».

3. Если выпала решка, отвечайте правдиво.

Половине респондентов выпадет орел, и она ответит «Да», другая половина ответит правдиво. Таким образом, истинное число респондентов, ответивших «Нет» в общей численности населения приблизительно вдвое превысит количество данных ответов «Нет» (монета выпадает случайным образом, поэтому соотношение ответов «Да» и «Нет» среди респондентов, которым выпал орел, должно быть таким же, как и среди ответивших правдиво). Зная истинное число ответов «Нет», мы можем вычислить истинное число ответов «Да». Однако, несмотря на то что теперь мы относительно точно знаем долю ответивших «Да», невозможно определить, для кого конкретно из респондентов это условие выполняется. Существует компромисс между количеством шума, вводимого в данные, и полезностью данных для анализа. Дифференциальная приватность устраняет этот компромисс, оценивая необходимый уровень шума с учетом таких факторов, как распределение данных в базе, типы обрабатываемых запросов и их количество. Хорошим введением в дифференциальную приватность и знакомством с методами ее реализации может стать книга Синтии Дворк и Аарона Рота «Алгоритмические основы дифференциальной приватности» {42} . В настоящее время техники дифференциальной приватности уже используются при создании потребительских продуктов. Например, Apple внедрила дифференциальную приватность в iOS 10, чтобы защитить конфиденциальность отдельных пользователей, но в то же время сохранить возможность выявлять закономерности в данных для совершенствования функции поиска и интеллектуального набора текста в мессенджерах.

В некоторых сценариях данные поступают в проект из нескольких разнородных источников. Например, несколько больниц участвуют в общем исследовательском проекте, или компания собирает данные от большого числа пользователей приложения для мобильного телефона. Вместо того чтобы централизовать данные в одном хранилище и проводить анализ в единой базе, альтернативный метод предлагает обучать различные модели подмножеств непосредственно в источниках данных (т. е. в отдельно взятых больницах или в телефонах пользователей), а затем объединить уже обученные модели. Google использует этот федеративный метод машинного обучения, чтобы улучшить советника запросов, сделанных с помощью клавиатуры Google на Android {43} . Сперва мобильное устройство загружает в матрицу федеративного машинного обучения Google копию текущего приложения. Данные по его использованию собираются непосредственно на устройстве, и к ним применяется алгоритм обучения, который действует локально до обновления. В процессе обновления полученные модели загружаются в облако, где они усредняются с такими же моделями, загруженными с других телефонов пользователей. Затем базовая модель обновляется с использованием полученной усредненной модели. Используя этот процесс, компания улучшает базовую модель и в то же время сохраняет конфиденциальность пользователей.