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论文阅读：2024 ACM SIGSAC Membership inference attacks against in-context learning

news 来源：原创 2025/5/1 6:08:02

总目录大模型安全相关研究：https://blog.csdn.net/WhiffeYF/article/details/142132328

Membership inference attacks against in-context learning

https://arxiv.org/pdf/2409.01380

https://www.doubao.com/chat/4030440311895554

速览

这篇论文主要研究了大语言模型中上下文学习（ICL）的隐私安全问题，提出针对ICL的成员推理攻击方法，并探索了相应的防御策略。

研究背景：大语言模型发展迅速，但定制模型时计算效率低，ICL作为新方法，通过在输入中添加提示（prompt）来让模型学习，无需更新参数。然而，ICL存在隐私风险，成员推理攻击（MIA）可判断数据样本是否用于模型训练，现有基于概率的攻击在模型只返回生成文本时效果不佳，而本文聚焦于仅基于生成文本的成员推理攻击。
攻击方法
- GAP攻击：基于模型对训练数据可能的过拟合现象，将模型正确识别的样本归为“成员”，错误识别的归为“非成员”，但该方法效果不理想。
- Inquiry攻击：直接询问语言模型是否见过特定样本，根据模型回答判断样本成员身份。
- Repeat攻击：利用模型的记忆能力，给模型输入目标样本的前几个单词，通过比较模型生成文本与目标样本的语义相似度判断成员身份。
- Brainwash攻击：在模型输出受限的场景下，通过持续给模型输入错误答案，根据模型接受错误答案所需的查询次数判断样本成员身份。
实验评估
- 实验设置：在4种语言模型（GPT2-XL、LLaMA、Vicuna、GPT-3.5 ）和3个基准数据集（AGNews、TREC、DBPedia）上进行实验，重复实验500次，用优势值（Advantage）和对数尺度ROC分析评估攻击性能。
- 实验结果：Brainwash和Repeat攻击在大多数情况下表现出色；演示示例数量增加会降低Repeat和Brainwash攻击性能；演示示例在提示中的位置也会影响攻击性能，中间位置的示例对攻击更具抗性；不同版本的GPT-3.5对攻击的抗性不同，没有一个版本能抵御所有攻击。
混合攻击：结合Brainwash和Repeat攻击的优点，训练一个两层神经网络作为攻击模型，该混合攻击在不同场景下都表现良好，优于单个攻击方法。
防御策略
- 基于指令的防御：让模型设计防止泄露提示相关信息的指令，但该指令对不同攻击和数据集的防御效果不同。
- 基于过滤的防御：根据Repeat攻击原理，修改模型输出以降低其性能，但对其他攻击无效。
- 基于差分隐私（DP）的防御：用DP生成合成演示示例，可降低Repeat攻击效果，但对Brainwash攻击效果有限。多种防御策略结合能更有效地减少隐私泄露。
研究结论：提出了首个针对ICL的纯文本成员推理攻击，分析了影响攻击效果的因素，探索的防御策略为提示设计和防御机制提供了参考，但仍需更全面通用的防御策略。

论文阅读

在这里插入图片描述

内容：展示了上下文学习（ICL）的一个示例。在这个示例中，语言模型要完成的任务是根据问题的答案类型进行分类，比如答案类型可能是数字（Number）、地点（Location）、人物（Person）、描述（Description）、实体（Entity）或缩写（Abbreviation）。粉色部分是任务指令，告诉模型要做什么；绿色部分是两个示例，也就是演示（demonstration）。模型会根据这些指令和示例来学习如何回答问题。当遇到新问题“Where was Ozzy Osbourne born?”时，模型会按照之前示例的格式和学到的知识来判断答案类型。
作用：帮助理解ICL的工作方式，它通过在输入中添加提示（包含指令和演示示例），让语言模型在不更新自身参数的情况下，通过类比示例来完成特定任务。这种方式和传统的模型训练不同，不是通过大量更新参数来学习，而是利用这些额外的上下文信息进行学习。
内容：介绍了GAP攻击的具体过程。假设现在有一个要判断的目标样本，把这个样本输入到模型中，然后观察模型的回答。如果模型给出的答案是正确的，就认为这个样本是模型训练数据（这里指用于构建提示的样本集合）中的成员；如果答案错误，就认为它不是成员。比如问题“How did serfdom develop in and then leave Russia?”，模型回答“Description”，答案正确，该样本可能被判定为成员；而对于问题“Where was Ozzy Osbourne born?”，如果模型回答“Person”（错误答案），则该样本被判定为非成员。
作用：作为一种成员推理攻击（MIA）的基线方法，展示了一种简单直接的判断样本是否属于模型训练数据的思路。虽然这种方法在实际应用中效果不太好，尤其是对于像GPT-3.5这样性能较好的模型，但它为后续更复杂有效的攻击方法提供了对比和参考。