关于python:隐语-PSI-benchmark-白皮书

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导语： 为了不便大家理解隐语的 Benchmark，本文设计了 10 分钟上手手册，蕴含了亮点介绍、SecretFlow 集群的易用搭建、Benchmark 脚本、两方和三方的 Benchmark，使相干业务方做调研时不便拿到可度量的性能数据和可复现的门路。

隐衷汇合求交（Private Set Intersection,PSI）是一类特定的多方平安计算（Multi-Party Computation, MPC）问题，其问题能够简略了解为：Alice 输出汇合 X，Bob 输出汇合 Y，单方执行 PSI 协定能够失去 Alice 和 Bob 两者的交加，同时不在交加范畴内的局部是受爱护的，即 Alice 和 Bob 无奈学习出交加以外的任何信息。

隐衷汇合求交 (PSI) 协定有很多分类办法，依照底层依赖的明码技术分类次要包含：

基于公钥明码的 PSI 计划，包含：基于断定型密钥替换（Decisional Diffie-Hellman,DDH）的 PSI 计划和 RSA 盲签名的 PSI 计划；
基于不经意传输（Oblivious Transfer,OT）的 PSI 计划；
基于通用 MPC 的 PSI 计划，例如基于混同电路（Garbled Circuit,GC）的 PSI 计划；
基于同态加密（Homomorphic Encryption,HE）的 PSI 计划。

隐衷汇合求交 (PSI) 协定依照参与方的数量进行分类，可分为：

两方 PSI：参与方为 2 个；
多方 PSI：参与方 >2 个。

隐衷汇合求交 (PSI) 协定依照设定平安模型分类，可分为：

半诚恳模型的 PSI；
歹意模型的 PSI。

SecretFlow SPU 实现了半诚恳模型下的两方和三方 PSI 协定，密钥平安强度是 128bit，统计平安参数是 40bit。

基于 DDH 的 PSI(Private Set Intersection)协定

基于 DDH 的 PSI 协定先对简略易于了解和实现，依赖的明码技术已被宽泛论证，通信量低，但计算量较大。

隐语实现了基于椭圆曲线 (Elliptic Curve) 群的 DDH PSI 协定，反对的椭圆曲线类型包含：Curve25519,SM2,Secp256k1。本次 benchmark 选用的曲线是 Curve25519。

基于 OT 扩大的 KKRT16

KKRT16 是第一个千万规模 (224) 求交工夫在 1 分钟之内的 PSI 计划，通信量较大；

隐语实现了 KKRT16 协定，并参考了进年来的性能优化和平安改良计划，例如：stash-less CuckooHash，[GKWW20]中 FixedKey AES 作为 correlation-robust 哈希函数。

基于 PCG 的 BC22

BC22 PSI 依赖的 PCG(Pseudorandom Correlation Generator)计划是近年来 mpc 方向的钻研热点，相比 KKRT16 计算量和通信两方面都有了很大改良，从老本 (monetary cost) 角度更能满足理论业务需要。PCG 实现依赖 LPN(Learning Parity with Noise)问题，因为是 2022 年最新的协定，协定的安全性还须要更多明码专家的剖析和论文。

隐语 v0.7 中实现了 BC22 PSI 计划，其中的 PCG/VOLE 应用了 emp-zk 中的 [WYKW21] 实现，欢送大家审查和进一步改良；

基于 DDH 的三方 PSI 协定

隐语实现了自研的基于 ECDH 的三方 PSI 协定，留神咱们实现的这个协定会透露两方交加大小，请自行判断是否满足应用场景的安全性，本次 benchmark 选用的曲线是 Curve25519。

Python：3.8
pip: >= 19.3
OS: CentOS 7
CPU/Memory: 举荐最低配置是 8C16G
硬盘：500G

应用 conda 治理 python 环境，如果机器没有 conda 须要先装置，步骤如下：

# 别离在三台机器的 root 目录下执行
# sudo apt-get install wget
wget https://repo.anaconda.com/miniconda/Miniconda3-latest-Linux-x86_64.sh

# 装置
bash Miniconda3-latest-Linux-x86_64.sh

# 始终按回车而后输出 yes
please answer 'yes' or 'no':
>>> yes

# 抉择装置门路, 文件名前加点号示意暗藏文件
Miniconda3 will now be installed into this location:
>>> ~/.miniconda3

# 增加配置信息到 ~/.bashrc 文件
Do you wish the installer to initialize Miniconda3 by running conda init? [yes|no]
[no] >>> yes

# 运行配置信息文件或重启电脑
source ~/.bashrc

# 测试是否装置胜利
conda --version

# 别离在三台机器的 root 目录下执行
# 创立洁净的 python 环境
conda create -n sf-benchmark python=3.8

# 进入 benchmark 环境
conda activate sf-benchmark

# 装置 secretflow
pip install -U secretflow

# 创立一个 sf-benchmark 目录
mkdir sf-benchmark
cd sf-benchmark

root 目录下输出 python 而后回车

# 顺次执行，每执行一条回车一次

>>> import secretflow as sf
>>> sf.init(['alice', 'bob', 'carol'], num_cpus=8, log_to_driver=True)
>>> dev = sf.PYU('alice')
>>> import numpy as np
>>> data = dev(np.random.rand)(3, 4)
>>> sf.reveal(data)

如下图所示就代表环境搭建胜利了

创立 ray header 节点，抉择一台机器为主机，在主机上执行如下命令，ip 替换为主机的内网 ip，命名为 alice，端口抉择一个闲暇端口即可留神：192.168.0.1 ip 为 mock 的，请替换为理论的 ip 地址

# alice 机器执行

RAY_DISABLE_REMOTE_CODE=true \
ray start --head --node-ip-address="192.168.0.1" --port="9394" --resources='{"alice": 8}' --include-dashboard=False

创立隶属节点，在 bob 机器执行如下命令，ip 仍然填 alice 机器的内网 ip，命名为 bob，端口不变

# bob 机器执行

RAY_DISABLE_REMOTE_CODE=true \
ray start --address="192.168.0.1:9394" --resources='{"bob": 8}'

创立隶属节点，在 carol 机器执行如下命令，ip 仍然填 alice 机器的内网 ip，命名为 carol，端口不变

# carol 机器执行

RAY_DISABLE_REMOTE_CODE=true \
ray start --address="192.168.0.1:9394" --resources='{"carol": 8}'

在 python 中测试节点是否启动胜利，任意选一台机器输出 python，执行下列代码，参数中 address 为头节点 (alice) 的地址，拿 alice 机器来验证，每输出一行下列代码回车一次：

#alice 机器输出 python 后再执行

>>> import secretflow as sf
>>> sf.init(address='192.168.0.1:9394')
>>> alice = sf.PYU('alice')
>>> bob = sf.PYU('bob')
>>> sf.reveal(alice(lambda x : x)(2))
>>> sf.reveal(bob(lambda x : x)(2))

如下图就代表节点创立胜利了

同时咱们也能够通过 ray status 去看节点的状态，前提是先进入 sf 环境（conda activate sf-benchmark）

把脚本 generate_psi.py：https://github.com/secretflow…
传到 alice 机器的 root 目录下

执行如下代码

# 生成三份一千万数据
python3 generate_psi.py 10000000

# 生成三份一亿数据
python3 generate_psi.py 100000000

把生成的 psi_1.csv cp 到 benchmark 目录下，再通过 scp 的命令把 psi_2.csv/psi_3.csv 别离移到 bob 的 benchmark 目录下跟 carol 的 benchark 目录下

#100Mbps 20ms
tc qdisc add dev eth0 root handle 1: tbf rate 100mbit burst 256kb latency 800ms
tc qdisc add dev eth0 parent 1:1 handle 10: netem delay 20msec limit 8000

革除限度

tc qdisc del dev eth0 root

查看已有配置

tc qdisc show dev eth0

反对的 PSI 协定列表：

ECDH_PSI_2PC
KKRT_PSI_2PC
BC22_PSI_2PC
ECDH_PSI_3PC

import sys
import time
import logging

from absl import app
import spu
import secretflow as sf

# init log
logging.basicConfig(stream=sys.stdout, level=logging.INFO)

# SPU settings
cluster_def = {
'nodes': [
# <<< !!! >>> replace <192.168.0.1:12945> to alice node's local ip & free port
        {'party': 'alice', 'id': 'local:0', 'address': '192.168.0.1:12945', 'listen_address': '0.0.0.0:12945'},
# <<< !!! >>> replace <192.168.0.2:12946> to bob node's local ip & free port
        {'party': 'bob', 'id': 'local:1', 'address': '192.168.0.2:12946', 'listen_address': '0.0.0.0:12946'},
# <<< !!! >>> if you need 3pc test, please add node here, for example, add carol as rank 2
# {'party': 'carol', 'id': 'local:2', 'address': '127.0.0.1:12347'},
    ],
'runtime_config': {
'protocol': spu.spu_pb2.SEMI2K,
'field': spu.spu_pb2.FM128,
    },
}

def main(_):

# sf init
# <<< !!! >>> replace <192.168.0.1:9394> to your ray head
    sf.init(address='192.168.0.1:9394')
    alice = sf.PYU('alice')
    bob = sf.PYU('bob')
    carol = sf.PYU('carol')

# <<< !!! >>> replace path to real parties local file path.
    input_path = {
        alice: '/data/psi_1.csv',
        bob: '/data/psi_2.csv',
# if run with `ECDH_PSI_3PC`, add carol
# carol: '/data/psi_3.csv',
    }
    output_path = {
        alice: '/data/psi_output.csv',
        bob: '/data/psi_output.csv',
# if run with `ECDH_PSI_3PC`, add carol
# carol: '/data/psi_output.csv',
    }
    select_keys = {alice: ['id'],
        bob: ['id'],
# if run with `ECDH_PSI_3PC`, add carol
# carol: ['id'],
    }
    spu = sf.SPU(cluster_def)

# prepare data
    start = time.time()

    reports = spu.psi_csv(
        key=select_keys,
        input_path=input_path,
        output_path=output_path,
        receiver='alice',  # if `broadcast_result=False`, only receiver can get output file.
        protocol='KKRT_PSI_2PC',  # psi protocol
        precheck_input=False,  # will cost ext time if set True
        sort=False,  # will cost ext time if set True
        broadcast_result=False,  # will cost ext time if set True
    )
    print(f"psi reports: {reports}")
    logging.info(f"cost time: {time.time() - start}")

    sf.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    app.run(main)

目前 bechmark 数据中，bc22 psi 的性能还在进一步工程优化，单测 spu 中 bc22 协定内核的性能比照能够参考 pcg psi 的介绍。

隐语官网：

www.secretflow.org.cn

隐语社区及代码拜访：

github.com/secretflow

gitee.com/secretflow

关注微信公众号：隐语的小剧场

正文完

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发表至： python

2022-11-23

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隐语 PSI 亮点

两方 PSI 协定：

三方 PSI(Private Set Intersection)协定

复现形式

一、测试机型环境

二、装置 conda

三、装置 secretflow

1. 验证装置是否胜利

四、创立节点并启动集群

1. 创立 ray header 节点

2. 创立隶属节点

3. 验证节点是否启动

4. 生成数据

5. 限度宽带 / 提早

6.Benchmark 脚本

五、Benchmark 报告

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