Blockchain kama Huduma: Mfumo wa Uhakika na Usiojengwa Katikati wa Kiotomatiki

Yaliyomo

1. Utangulizi

Mbinu zinazotumia data, hasa masomo ya mashine, zimekuwa muhimu katika nyanja mbalimbali kutokana na maendeleo ya teknolojia za hisi na kompyuta. Hata hivyo, changamoto mbili kubwa bado zipo: upatikanaji wa seti kubwa za data na kuhakikisha rasilimali za kutosha za kihesabu. Hizi mara nyingi husababisha kutegemea wauzaji waliokatikati wa wingu, jambo linaloleta matatizo ya uwazi, usalama, na faragha. Katika sekta kama vile afya, data haziwezi kushirikiwa na watu wengine kutokana na kanuni. Karatasi hii inapendekeza mfumo wa kiotomatiki usiojengwa katikati na salama kwa kutumia blockchain, usimbuaji wa homomorphic, na mitandao inayofafanuliwa na programu (SDN) ili kuwezesha ushirikiano unaohifadhi faragha miongoni mwa nodi za kihesabu zilizotawanyika na zisizoaminika.

2. Msingi na Kazi Inayohusiana

2.1 Teknolojia ya Blockchain

Blockchain ni daftari la kidijitali lisilobadilika na lisilo na kituo kikuu linalojumuisha vitalu vilivyounganishwa kwa mbinu za kisiri. Kila kizuia kina hash ya kizuia kilichotangulia, data ya shughuli, na muhuri wa wakati, jambo linalohakikisha uadilifu wa data na imani miongoni mwa washiriki bila mamlaka kuu.

2.2 Masomo ya Mashine Yasiyo na Kituo Kikuu

Masomo ya shirikisho, kama yalivyoanzishwa na Google, yanawezesha ufundishaji wa mifano kwenye data isiyo na kituo kikuu. Hata hivyo, inahitaji wakala wa kati wa kuratibu, ambao unaweza kuwa hatua moja ya kushindwa. Mbinu yetu inaondoa hili kwa kutumia blockchain kwa udhibiti usio na kituo kikuu.

2.3 Usimbuaji wa Homomorphic

Usimbuaji wa homomorphic unawezesha mahesabu kwenye data iliyosimbwa bila kufichua, jambo linalohifadhi faragha. Kwa mfano, kwa kuzingatia thamani mbili zilizosimbwa $E(a)$ na $E(b)$, mtu anaweza kuhesabu $E(a + b)$ moja kwa moja. Hii ni muhimu kwa mkusanyiko salama katika masomo yasiyo na kituo kikuu.

3. Mfumo Unapendekezwa

3.1 Muundo wa Mfumo

Mfumo unajumuisha nodi nyingi za kihesabu, mtandao wa blockchain, na kidhibiti cha SDN. Nodi hushiriki katika ufundishaji wa mifano ndani, na visasisho hukusanywa kupitia kandarasi za kiotomatiki kwenye blockchain. Usimbuaji wa homomorphic huhakikisha kuwa data inabaki ya faragha wakati wa mkusanyiko.

3.2 Utekelezaji wa Kiufundi

Mfumo huu unachanganya teknolojia kadhaa:

• Blockchain: Inasimamia visasisho vya mfano na motisha kupitia kandarasi za kiotomatiki.
• Usimbuaji wa Homomorphic: Inalinda data wakati wa usafirishaji na mkusanyiko. Mpango wa usimbuaji unawezesha shughuli kama vile $c_1 = E(m_1)$ na $c_2 = E(m_2)$ kuchanganywa kama $c_3 = c_1 \oplus c_2$, ambapo $\oplus$ inawakilisha nyongeza ya homomorphic.
• SDN: Inaboresha uelekezaji wa mtandao kwa ubadilishanaji bora wa data miongoni mwa nodi.

4. Matokeo ya Majaribio

4.1 Usanidi wa Uigizaji

Majaribio yalifanywa kwa kutumia mtandao wa nodi 100 zenye uwezo tofauti wa kihesabu. Seti ya data ilijumuisha sampuli 50,000 kwa kazi ya uainishaji. Blockchain iliigizwa kwa utaratibu wa uthibitisho wa kazi.

4.2 Vipimo vya Utendaji

Vipimo muhimu vilijumuisha usahihi, mzigo wa mawasiliano, na uhifadhi wa faragha. Mbinu iliyopendekezwa ilipata usahihi wa 92%, sawa na mbinu zilizo na kituo kikuu, na kupunguzwa kwa 15% kwa mzigo wa mawasiliano kutokana na ubora wa SDN. Faragha ilidumishwa kwani data ghafi haikuwahi kuondoka kwenye nodi.

5. Utekelezaji wa Msimbo

Hapa chini kuna mfano wa msimbo bandia kwa mkusanyiko unaotumia usimbuaji wa homomorphic:

// Msimbo bandia kwa Mkusanyiko Salama
kitendo secureAggregate(mifano, ufunguo_umma):
    mkusanyiko_ulisimbwa = siri(0, ufunguo_umma)  // Anzisha kwa sifuri iliyosimbwa
    kwa kila mfano katika mifano:
        mfano_ulisimbwa = siri(mfano, ufunguo_umma)
        mkusanyiko_ulisimbwa = nyongeza_ya_homomorphic(mkusanyiko_ulisimbwa, mfano_ulisimbwa)
    rudisha mkusanyiko_ulisimbwa

// Kwenye kila nodi
mfano_wa_ndani = fundisha_mfano_wa_ndani(data_ya_ndani)
mfano_wa_ndani_ulisimbwa = siri(mfano_wa_ndani, ufunguo_umma)
wasilisha_kwa_blockchain(mfano_wa_ndani_ulisimbwa)

// Kandarasi ya kiotomatiki ya Blockchain
mfano_ulokusanywa = secureAggregate(mifano_iliyopokelewa, ufunguo_umma)
mfano_uliofichuliwa = ficha(mfano_ulokusanywa, ufunguo_binafsi)  // Ni vyama vilioidhinishwa tu ndivyo vinavyoweza kufichua

6. Matumizi ya Baadaye

Mfumo uliopendekezwa unaweza kutumika katika:

• Afya: Ufundishaji wa mfano wa shirikisho kwenye data ya wagonjwa kote hospitali bila kushiriki data ghafi, kufuata kanuni za HIPAA.
• Magari Yenye Kujitegemea: Masomo yasiyo na kituo kikuu ya kuboresha mifano ya urambazaji kwa kutumia data kutoka kwa magari mengi.
• Mitandao ya IoT: Mkusanyiko salama wa data ya hisi kwa matengenezo ya utabiri katika IoT ya viwanda.
• Huduma za Kifedha: Mifano ya kugundua udanganyifu inayofunzwa kwenye data kutoka benki nyingi bila kufichua taarifa nyeti.

Kazi ya baadaye italenga kuongeza ukubwa wa mfumo kwa mitandao mikubwa zaidi, kuchanganya utaratibu mwingine wa makubaliano kama uthibitisho wa hisa, na kuboresha mipango ya usimbuaji wa homomorphic kwa ufanisi bora.

7. Uchambuzi wa Asili

Karatasi "Blockchain kama Huduma: Mfumo wa Uhakika na Usiojengwa Katikati wa Kiotomatiki" inawasilisha mfumo wa uvumbuzi unaokabiliana na vikwazo muhimu katika mbinu za sasa za masomo ya mashine zinazolenga wingu. Kwa kuchanganya blockchain, usimbuaji wa homomorphic, na SDN, waandishi wameunda mfumo unaowezesha ushirikiano unaohifadhi faragha na usio na kituo kikuu miongoni mwa nodi zisizoaminika. Hii inahusika hasa katika miktadha kama vile afya, ambapo faragha ya data ni muhimu kuliko yote chini ya kanuni kama HIPAA. Matumizi ya usimbuaji wa homomorphic yanahakikisha kuwa data inabaki kusimbwa wakati wa mahesabu, mbinu ambayo pia imesisitizwa katika kazi muhimu juu ya usimbuaji kamili wa homomorphic na Gentry (2009). Ikilinganishwa na masomo ya shirikisho, ambayo bado inategemea seva kuu kwa mkusanyiko, mfumo huu unaondoa pointi moja za kushindwa, jambo linaloongeza usalama na uwezo wa kustahimili. Hata hivyo, mzigo wa kihesabu wa usimbuaji wa homomorphic bado ni changamoto, kama ilivyobainishwa katika tafiti kutoka IEEE juu ya mahesabu ya data iliyosimbwa. Uchanganyaji wa SDN kwa ubora wa mtandao ni kigezo cha vitendo, kinachopunguza ucheleweshaji katika mazingira yasiyo na kituo kikuu. Kutoka kwa mtazamo wa kiufundi, msingi wa hisabati unategemea sifa za homomorphic, kwa mfano, kwa homomorphism ya nyongeza: ikiwa $E(m_1)$ na $E(m_2)$ ni ujumbe uliosimbwa, basi $E(m_1 + m_2) = E(m_1) \oplus E(m_2)$. Hii inaruhusu mkusanyiko salama bila kufichua visasisho vya mtu binafsi. Matokeo ya uigizaji yanayoonyesha usahihi wa 92% na mzigo uliopunguzwa yana matumaini, lakini utumizi wa ulimwengu halisi ungehitaji kushughulikia uwezo wa kuongezeka, kwani utaratibu wa makubaliano wa blockchain kama uthibitisho wa kazi unaweza kuwa wa polepole. Kukiwa na msukumo wa mienendo ya AKI isiyo na kituo kikuu, kama ile inayojadiliwa katika utafiti wa OpenAI juu ya masomo ya shirikisho, kazi hii inalingana na harakati kuelekea kompyuta ukingoni. Kurudia kwa baadaye kunaweza kuchunguza mifano mseto inayochanganya hii na usimbuaji mwepesi au kutumia maendeleo katika usimbuaji wa baada ya quantum kujiandaa kwa vitisho vya quantum. Kwa ujumla, mfumo huu unawakilisha hatua muhimu kuelekea kuweka AKI kwa watu wote huku ukidumisha faragha, ingawa kupitishwa kwa vitendo kutategemea usawazishaji wa usalama na utendaji.

8. Marejeo

1. Shokri, R., & Shmatikov, V. (2015). Usomaji wa kina unaohifadhi faragha. Katika Proceedings of the 22nd ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security.
2. McMahan, B., et al. (2017). Ujifunzaji wenye ufanisi wa mawasiliano wa mitandao ya kina kutoka kwa data isiyo na kituo kikuu. Katika Artificial Intelligence and Statistics.
3. Gentry, C. (2009). Usimbuaji kamili wa homomorphic kwa kutumia vigogo bora. Katika STOC.
4. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Mfumo wa pesa za elektroniki kutoka mtu hadi mtu.
5. Yang, Q., et al. (2019). Masomo ya shirikisho. Synthesis Lectures on Artificial Intelligence and Machine Learning.
6. Zyskind, G., et al. (2015). Kutenga faragha: Kutumia blockchain kulinda data ya kibinafsi. Katika Security and Privacy Workshops.

Hitimisho

Mfumo uliopendekezwa wa Blockchain kama Huduma unatoa mbadala salama na usio na kituo kikuu kwa masomo ya mashine ya kawaida yanayotumia wingu. Kwa kutumia blockchain kwa imani, usimbuaji wa homomorphic kwa faragha, na SDN kwa ufanisi, unawezesha ujifunzaji wa shirikisho miongoni mwa nodi zilizosambazwa bila kukabili usalama wa data. Kazi ya baadaye italenga kuboresha uwezo wa kuongezeka na kuchanganya mbinu za hali ya juu za usimbuaji.