Privacy-preserving distributed data mining

This thesis is concerned with privacy-preserving distributed data mining algorithms. The main challenges in this setting are inference attacks and the formation of collusion groups. The inference problem is the reconstruction of sensitive data by attackers from non-sensitive sources, such as intermediate results, exchanged messages, or public information. Moreover, in a distributed scenario, malicious insiders can organize collusion groups to deploy more effective inference attacks. This thesis shows that existing privacy measures do not adequately protect privacy against inference and collusion. Therefore, in this thesis, new measures based on information theory are developed to overcome the identiffied limitations. Furthermore, a new distributed data clustering algorithm is presented. The clustering approach is based on a kernel density estimates approximation that generates a controlled amount of ambiguity in the density estimates and provides privacy to original data. Besides, this thesis also introduces the first privacy-preserving algorithms for frequent pattern discovery in a distributed time series. Time series are transformed into a set of n-dimensional data points and finding frequent patterns reduced to finding local maxima in the n-dimensional density space. The proposed algorithms are linear in the size of the dataset with low communication costs, validated by experimental evaluation using different datasets.Diese Arbeit befasst sich mit vertraulichkeitsbewahrendem Data Mining in verteilten Umgebungen mit Schwerpunkt auf ausgewählten N-Agenten-Angriffsszenarien für das Inferenzproblem im Data-Clustering und der Zeitreihenanalyse. Dabei handelt es sich um Angriffe von einzelnen oder Teilgruppen von Agenten innerhalb einer verteilten Data Mining-Gruppe oder von einem einzelnen Agenten außerhalb dieser Gruppe. Zunächst werden in dieser Arbeit zwei neue Privacy-Maße vorgestellt, die im Gegensatz zu bislang existierenden, die im verteilten Data Mining allgemein geforderte Eigenschaften zur Vertraulichkeitsbewahrung erfüllen und bei denen sich der gemessene Grad der Vertraulichkeit auf die verwendete Datenanalysemethode und die Anzahl von Angreifern bezieht. Für den Zweck eines vertraulichkeitsbewahrenden, verteilten Data-Clustering wird ein neues Kernel-Dichteabschätzungsbasiertes Verfahren namens KDECS vorgestellt. KDECS verwendet eine Approximation der originalen, lokalen Kernel-Dichteschätzung, so dass die ursprünglichen Daten anderer Agenten in der Data Mining-Gruppe mit einer höheren Wahrscheinlichkeit als einem hierfür vorgegebenen Wert nicht mehr zu rekonstruieren sind. Das Verfahren ist nachweislich sicherer als Data-Clustering mit generativen Mixture Modellen und SMC-basiert sicherem k-means Data-Clustering. Zusätzlich stellen wir neue Verfahren, namens DPD-TS, DPD-HE und DPDFS, für eine vertraulichkeitsbewahrende, verteilte Mustererkennung in Zeitreihen vor, deren Komplexität und Sicherheitsgrad wir mit den zuvor erwähnten neuen Privacy-Maßen analysieren. Dabei hängt ein von einzelnen Agenten einer Data Mining-Gruppe jeweils vorgegebener, minimaler Sicherheitsgrad von DPD-TS und DPD-FS nur von der Dimensionsreduktion der Zeitreihenwerte und ihrer Diskretisierung ab und kann leicht überprüft werden. Einen noch besseren Schutz von sensiblen Daten bietet das Verfahren DPD HE mit Hilfe von homomorpher Verschlüsselung. Neben der theoretischen Analyse wurden die experimentellen Leistungsbewertungen der entwickelten Verfahren mit verschiedenen, öffentlich verfügbaren Datensätzen durchgeführt

Towards trajectory anonymization: a generalization-based approach

Trajectory datasets are becoming popular due to the massive usage of GPS and locationbased services. In this paper, we address privacy issues regarding the identification of individuals in static trajectory datasets. We first adopt the notion of k-anonymity to trajectories and propose a novel generalization-based approach for anonymization of trajectories. We further show that releasing anonymized trajectories may still have some privacy leaks. Therefore we propose a randomization based reconstruction algorithm for releasing anonymized trajectory data and also present how the underlying techniques can be adapted to other anonymity standards. The experimental results on real and synthetic trajectory datasets show the effectiveness of the proposed techniques