Privacy-Preserving Collaborative Learning for Genome Analysis via Secure XGBoost

计算机科学 密码学 计算机安全 计算机网络
作者
Mohammed Shujaa Aldeen,Chuan Zhao,Zhenxiang Chen,Liming Fang,Zhe Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing [IEEE Computer Society]
卷期号:21 (6): 5755-5765 被引量:4
标识
DOI:10.1109/tdsc.2024.3384244
摘要

Genomic data is usually stored in a decentralized manner among data providers, who cannot share them publicly due to privacy concerns. A significant technical challenge is to combine machine learning and cryptography techniques to build secure machine learning models over distributed datasets without violating privacy. Therefore, data providers in collaborative machine learning want to maintain the privacy of their genomic data, and the researcher who owns the training model wants to keep the model and training methods confidential. This paper proposes a framework that supports secure collaborative learning tasks without disclosing the participants' genomic data and training model information simultaneously. With the help of a cluster of Intel SGX enclaves, our work performs fast distributed training over these enclaves, and a dedicated enclave is solely used for updating the global model. Also, Secure XGBoost was implemented over these hardware enclaves for fast learning and to enhance the enclaves' security with unique data-oblivious algorithms that eliminate side-channel attacks. From the experimental results, our scheme achieves fast and efficient results in collaborative learning systems without an increase in communication overhead, making it practical for large genomic data.
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