面向 LLM 的差分隐私

Build~60 minutesPython (stdlib, DP-SGD noise-injection and ε-δ accountant demonstration)先修要求: Phase 01 · 09 (information theory), Phase 10 · 01 (large-model training)
DP-SGD 仍是标准做法——注入噪声的梯度更新提供形式化的 (ε, δ) 保证。在计算、显存和效用上的开销都很大;参数高效的 DP 微调(LoRA + DP-SGD)是 2025 年的常见配置(ACM 2025)。两组证据彼此矛盾:基于 canary 的成员推断(Duan 等人,2024)报告在对语言模型的攻击中成功率有限;训练数据抽取(Carlini 等人,2021;Nasr 等人,2025)能恢复大量逐字记忆。化解(arXiv:2503.06808,2025 年 3 月):差距在于测量对象不同——插入的 canary 与「最容易被抽取」的数据。新的 canary 设计使得无需影子模型的、基于损失的 MIA 成为可能,并首次对在真实数据上训练、具有现实 DP 保证的 LLM 完成了非平凡的 DP 审计。替代方案:PMixED(arXiv:2403.15638)——推理时通过对下一 token 分布做专家混合实现私有预测;DP 合成数据生成(Google Research 2024)。新兴攻击:通过 LLM 反馈的差分隐私逆转——置信度分数泄漏。
学习目标
  • 定义 (epsilon, delta)-差分隐私,并说明 DP-SGD 配方。
  • 解释 2024-2025 年的张力:canary MIA 与训练数据抽取给出了不同的图景。
  • 描述 PMixED,以及为何推理时私有预测可以替代 DP 训练。
  • 描述通过 LLM 反馈的差分隐私逆转攻击。

问题

LLM 会记忆。Carlini 等人 2021 表明生产语言模型会按需复现逐字的训练文本。DP 是形式化的防御:通过训练使输出可证明地对任何单个训练样本不敏感。2024-2025 年的证据表明 DP-SGD 是必要的,但部署的 ε 值可能与威胁模型不匹配。

概念

(ε, δ)-差分隐私

随机算法 M 是 (\varepsilon, \delta)-DP,若对任意两个只相差一个样本的数据集,以及任意事件 S:

P(M(D) \in S) \le e^{\varepsilon} \cdot P(M(D') \in S) + \delta.

解释:输出分布足够接近(以 ε 参数化),以至于任何单个个体的贡献都无法被可靠推断,除非以概率 δ 发生。

DP-SGD

Abadi 等人 2016。标准配方:

  1. 采样一个 mini-batch。
  2. 计算每个样本的梯度。
  3. 将每个样本的梯度裁剪到阈值 C。
  4. 对裁剪后的梯度求和,并加入标准差为 \sigma \cdot C 的高斯噪声。
  5. 用带噪的和更新参数。

隐私成本由隐私会计(privacy accountant)追踪(Moments Accountant、Rényi DP accountant)。LLM 文献中报告的 ε 值因威胁模型、数据敏感性和效用目标而差异很大;不存在普遍「安全」的默认 ε。已发表的例子在某些 LLM 训练设置中大致在 ε ≈ 1–10 范围内,但这些只是示例——不是推荐的默认值。更低的 ε 通常需要更多噪声,可能增加效用损失。

LoRA + DP-SGD

对前沿模型做完整的 DP-SGD 代价过高。LoRA(Hu 等人 2022)把梯度更新限制在一个小型适配器上,减少每个样本梯度的存储。LoRA + DP-SGD 是 2025 年的常见配置。DP 保证作用于适配器;基座模型保持固定。

2024-2025 年的张力

两条证据线:

  • Canary MIA(Duan 等人 2024)。 在训练数据中插入独特的 canary,测量成员推断攻击者能否识别它们。报告在语言模型上成功率有限。暗示 MIA 很难。
  • 训练数据抽取(Carlini 2021、Nasr 等人 2025)。 用前缀提示模型;测量它能否逐字恢复训练文本。报告了大量记忆。暗示在相关意义上 MIA 很容易。

2025 年 3 月的化解(arXiv:2503.06808):两者测量的东西不同。MIA 在插入的 canary 上问「样本 e 是否在 D 中?」抽取问「我能从 D 中恢复什么?」对隐私而言重要的是「最容易被抽取」的样本;canary 会低报这一点,因为它们没有被优化成容易被抽取的。

新的 canary 设计。无需影子模型的基于损失的 MIA。首次对真实数据上、具有现实 DP 保证的 LLM 进行非平凡的 DP 审计。

DP 训练的替代方案

  • PMixED(arXiv:2403.15638)。 推理时的私有预测。对下一 token 分布做专家混合;每个专家看到训练数据的一个分片;聚合时加入噪声以实现 DP。完全避免 DP 训练。
  • DP 合成数据生成(Google Research 2024)。 用 DP-SGD 做 LoRA 微调,采样合成数据,在合成数据上训练下游分类器。

两者都以不同的威胁模型为代价,绕开了完整 DP 训练的效用成本。

通过 LLM 反馈的差分隐私逆转

2025 年的新兴攻击。把 DP 训练模型的置信度分数当作预言机来重新识别个体。即使输出不泄漏,置信度分布也可能泄漏。

防御:不要暴露置信度,或在暴露前截断 / 量化它们。这是 (ε, δ)-DP 训练之外的额外要求。

这在第 18 阶段中的位置

第 20-21 课是偏见/公平性。第 22 课是隐私。第 23 课是通过水印实现的来源。第 27 课涵盖监管的数据来源层。

an-dp-clip-noise静态版本未包含此交互图

使用它

code/main.py 在玩具二分类数据集上模拟 DP-SGD。你可以扫描噪声乘数 σ 和裁剪范数 C,跟踪 (ε, δ) 预算和准确率成本。一个「canary 攻击」插入一个独特的训练样本,测量对数损失检验能否在 DP 前后检测出它。

交付它

本课产出 outputs/skill-dp-audit.md。给定一项关于语言模型部署的 DP 主张,它审计:(ε, δ) 值、所使用的会计、MIA 评估协议,以及是否评估了置信度暴露路径。

练习

  1. 运行 code/main.py。扫描 \sigma \in \lbrace 0.5, 1.0, 2.0 \rbrace,报告 (ε, δ) 与准确率的权衡。指出效用崩溃的点。
  1. 实现 canary 插入和对数损失检验。测量 \sigma = 1.0 时 DP-SGD 前后的检测率。
  1. 阅读 Nasr 等人 2025 关于训练数据抽取的工作。为什么在中等 ε 下抽取成功率不会崩溃?这对「把 MIA 当作评估」意味着什么?
  1. 设计一个完全在推理时运行的 PMixED(arXiv:2403.15638)部署。PMixED 应对的是哪种 DP-SGD 未应对的威胁模型?
  1. 描述通过 LLM 反馈的 DP 逆转攻击。设计一种限制置信度分数泄漏的对策,并估计其部署成本。

关键术语

术语人们怎么说它实际意味着什么
DP「(ε, δ)-差分隐私」形式化隐私:相邻数据集变化时输出分布接近
DP-SGD「注入噪声的 SGD」梯度裁剪 + 高斯噪声;标准 DP 训练
LoRA + DP-SGD「高效私有微调」在低秩适配器上做 DP-SGD;2025 年标准配置
MIA「成员推断」判断某个样本是否在训练数据中的攻击
Canary「插入的水印样本」用于测量 DP 泄漏的独特训练样本
PMixED「私有推理混合」通过对下一 token 分布做专家混合实现的推理时 DP
DP 逆转「置信度泄漏攻击」用模型置信度作为重新识别预言机的攻击

延伸阅读

示意图共 1 张

dp-tradeoff diagram
dp-tradeoff

“Stay hungry, stay foolish.”

— Steve Jobs

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