Ontology-Based Quality Evaluation of Value Generalization Hierarchies for Data Anonymization

In privacy-preserving data publishing, approaches using Value Generalization Hierarchies (VGHs) form an important class of anonymization algorithms. VGHs play a key role in the utility of published datasets as they dictate how the anonymization of the data occurs. For categorical attributes, it is imperative to preserve the semantics of the original data in order to achieve a higher utility. Despite this, semantics have not being formally considered in the specification of VGHs. Moreover, there are no methods that allow the users to assess the quality of their VGH. In this paper, we propose a measurement scheme, based on ontologies, to quantitatively evaluate the quality of VGHs, in terms of semantic consistency and taxonomic organization, with the aim of producing higher-quality anonymizations. We demonstrate, through a case study, how our evaluation scheme can be used to compare the quality of multiple VGHs and can help to identify faulty VGHs.Comment: 18 pages, 7 figures, presented in the Privacy in Statistical Databases Conference 2014 (Ibiza, Spain

Contributions to privacy in web search engines

Els motors de cerca d’Internet recullen i emmagatzemen informació sobre els seus usuaris per tal d’oferir-los millors serveis. A canvi de rebre un servei personalitzat, els usuaris perden el control de les seves pròpies dades. Els registres de cerca poden revelar informació sensible de l’usuari, o fins i tot revelar la seva identitat. En aquesta tesis tractem com limitar aquests problemes de privadesa mentre mantenim suficient informació a les dades. La primera part d’aquesta tesis tracta els mètodes per prevenir la recollida d’informació per part dels motores de cerca. Ja que aquesta informació es requerida per oferir un servei precís, l’objectiu es proporcionar registres de cerca que siguin adequats per proporcionar personalització. Amb aquesta finalitat, proposem un protocol que empra una xarxa social per tal d’ofuscar els perfils dels usuaris. La segona part tracta la disseminació de registres de cerca. Proposem tècniques que la permeten, proporcionant k-anonimat i minimitzant la pèrdua d’informació.Web Search Engines collects and stores information about their users in order to tailor their services better to their users' needs. Nevertheless, while receiving a personalized attention, the users lose the control over their own data. Search logs can disclose sensitive information and the identities of the users, creating risks of privacy breaches. In this thesis we discuss the problem of limiting the disclosure risks while minimizing the information loss. The first part of this thesis focuses on the methods to prevent the gathering of information by WSEs. Since search logs are needed in order to receive an accurate service, the aim is to provide logs that are still suitable to provide personalization. We propose a protocol which uses a social network to obfuscate users' profiles. The second part deals with the dissemination of search logs. We propose microaggregation techniques which allow the publication of search logs, providing $k$-anonymity while minimizing the information loss

Contribution to privacy-enhancing tecnologies for machine learning applications

For some time now, big data applications have been enabling revolutionary innovation in every aspect of our daily life by taking advantage of lots of data generated from the interactions of users with technology. Supported by machine learning and unprecedented computation capabilities, different entities are capable of efficiently exploiting such data to obtain significant utility. However, since personal information is involved, these practices raise serious privacy concerns. Although multiple privacy protection mechanisms have been proposed, there are some challenges that need to be addressed for these mechanisms to be adopted in practice, i.e., to be “usable” beyond the privacy guarantee offered. To start, the real impact of privacy protection mechanisms on data utility is not clear, thus an empirical evaluation of such impact is crucial. Moreover, since privacy is commonly obtained through the perturbation of large data sets, usable privacy technologies may require not only preservation of data utility but also efficient algorithms in terms of computation speed. Satisfying both requirements is key to encourage the adoption of privacy initiatives. Although considerable effort has been devoted to design less “destructive” privacy mechanisms, the utility metrics employed may not be appropriate, thus the wellness of such mechanisms would be incorrectly measured. On the other hand, despite the advent of big data, more efficient approaches are not being considered. Not complying with the requirements of current applications may hinder the adoption of privacy technologies. In the first part of this thesis, we address the problem of measuring the effect of k-anonymous microaggregation on the empirical utility of microdata. We quantify utility accordingly as the accuracy of classification models learned from microaggregated data, evaluated over original test data. Our experiments show that the impact of the de facto microaggregation standard on the performance of machine-learning algorithms is often minor for a variety of data sets. Furthermore, experimental evidence suggests that the traditional measure of distortion in the community of microdata anonymization may be inappropriate for evaluating the utility of microaggregated data. Secondly, we address the problem of preserving the empirical utility of data. By transforming the original data records to a different data space, our approach, based on linear discriminant analysis, enables k-anonymous microaggregation to be adapted to the application domain of data. To do this, first, data is rotated (projected) towards the direction of maximum discrimination and, second, scaled in this direction, penalizing distortion across the classification threshold. As a result, data utility is preserved in terms of the accuracy of machine learned models for a number of standardized data sets. Afterwards, we propose a mechanism to reduce the running time for the k-anonymous microaggregation algorithm. This is obtained by simplifying the internal operations of the original algorithm. Through extensive experimentation over multiple data sets, we show that the new algorithm gets significantly faster. Interestingly, this remarkable speedup factor is achieved with no additional loss of data utility.Les aplicacions de big data impulsen actualment una accelerada innovació aprofitant la gran quantitat d’informació generada a partir de les interaccions dels usuaris amb la tecnologia. Així, qualsevol entitat és capaç d'explotar eficientment les dades per obtenir utilitat, emprant aprenentatge automàtic i capacitats de còmput sense precedents. No obstant això, sorgeixen en aquest escenari serioses preocupacions pel que fa a la privacitat dels usuaris ja que hi ha informació personal involucrada. Tot i que s'han proposat diversos mecanismes de protecció, hi ha alguns reptes per a la seva adopció en la pràctica, és a dir perquè es puguin utilitzar. Per començar, l’impacte real d'aquests mecanismes en la utilitat de les dades no esta clar, raó per la qual la seva avaluació empírica és important. A més, considerant que actualment es manegen grans volums de dades, una privacitat usable requereix, no només preservació de la utilitat de les dades, sinó també algoritmes eficients en temes de temps de còmput. És clau satisfer tots dos requeriments per incentivar l’adopció de mesures de privacitat. Malgrat que hi ha diversos esforços per dissenyar mecanismes de privacitat menys "destructius", les mètriques d'utilitat emprades no serien apropiades, de manera que aquests mecanismes de protecció podrien estar sent incorrectament avaluats. D'altra banda, tot i l’adveniment del big data, la investigació existent no s’enfoca molt en millorar la seva eficiència. Lamentablement, si els requisits de les aplicacions actuals no es satisfan, s’obstaculitzarà l'adopció de tecnologies de privacitat. A la primera part d'aquesta tesi abordem el problema de mesurar l'impacte de la microagregació k-Gnónima en la utilitat empírica de microdades. Per això, quantifiquem la utilitat com la precisió de models de classificació obtinguts a partir de les dades microagregades. i avaluats sobre dades de prova originals. Els experiments mostren que l'impacte de l’algoritme de rmicroagregació estàndard en el rendiment d’algoritmes d'aprenentatge automàtic és usualment menor per a una varietat de conjunts de dades avaluats. A més, l’evidència experimental suggereix que la mètrica tradicional de distorsió de les dades seria inapropiada per avaluar la utilitat empírica de dades microagregades. Així també estudiem el problema de preservar la utilitat empírica de les dades a l'ésser anonimitzades. Transformant els registres originaIs de dades en un espai de dades diferent, el nostre enfocament, basat en anàlisi de discriminant lineal, permet que el procés de microagregació k-anònima s'adapti al domini d’aplicació de les dades. Per això, primer, les dades són rotades o projectades en la direcció de màxima discriminació i, segon, escalades en aquesta direcció, penalitzant la distorsió a través del llindar de classificació. Com a resultat, la utilitat de les dades es preserva en termes de la precisió dels models d'aprenentatge automàtic en diversos conjunts de dades. Posteriorment, proposem un mecanisme per reduir el temps d'execució per a la microagregació k-anònima. Això s'aconsegueix simplificant les operacions internes de l'algoritme escollit Mitjançant una extensa experimentació sobre diversos conjunts de dades, vam mostrar que el nou algoritme és bastant més ràpid. Aquesta acceleració s'aconsegueix sense que hi ha pèrdua en la utilitat de les dades. Finalment, en un enfocament més aplicat, es proposa una eina de protecció de privacitat d'individus i organitzacions mitjançant l'anonimització de dades sensibles inclosos en logs de seguretat. Es dissenyen diferents mecanismes d'anonimat per implementar-los en base a la definició d'una política de privacitat, en el context d'un projecte europeu que té per objectiu construir un sistema de seguretat unificat.Postprint (published version

Contribution to privacy-enhancing tecnologies for machine learning applications

For some time now, big data applications have been enabling revolutionary innovation in every aspect of our daily life by taking advantage of lots of data generated from the interactions of users with technology. Supported by machine learning and unprecedented computation capabilities, different entities are capable of efficiently exploiting such data to obtain significant utility. However, since personal information is involved, these practices raise serious privacy concerns. Although multiple privacy protection mechanisms have been proposed, there are some challenges that need to be addressed for these mechanisms to be adopted in practice, i.e., to be “usable” beyond the privacy guarantee offered. To start, the real impact of privacy protection mechanisms on data utility is not clear, thus an empirical evaluation of such impact is crucial. Moreover, since privacy is commonly obtained through the perturbation of large data sets, usable privacy technologies may require not only preservation of data utility but also efficient algorithms in terms of computation speed. Satisfying both requirements is key to encourage the adoption of privacy initiatives. Although considerable effort has been devoted to design less “destructive” privacy mechanisms, the utility metrics employed may not be appropriate, thus the wellness of such mechanisms would be incorrectly measured. On the other hand, despite the advent of big data, more efficient approaches are not being considered. Not complying with the requirements of current applications may hinder the adoption of privacy technologies. In the first part of this thesis, we address the problem of measuring the effect of k-anonymous microaggregation on the empirical utility of microdata. We quantify utility accordingly as the accuracy of classification models learned from microaggregated data, evaluated over original test data. Our experiments show that the impact of the de facto microaggregation standard on the performance of machine-learning algorithms is often minor for a variety of data sets. Furthermore, experimental evidence suggests that the traditional measure of distortion in the community of microdata anonymization may be inappropriate for evaluating the utility of microaggregated data. Secondly, we address the problem of preserving the empirical utility of data. By transforming the original data records to a different data space, our approach, based on linear discriminant analysis, enables k-anonymous microaggregation to be adapted to the application domain of data. To do this, first, data is rotated (projected) towards the direction of maximum discrimination and, second, scaled in this direction, penalizing distortion across the classification threshold. As a result, data utility is preserved in terms of the accuracy of machine learned models for a number of standardized data sets. Afterwards, we propose a mechanism to reduce the running time for the k-anonymous microaggregation algorithm. This is obtained by simplifying the internal operations of the original algorithm. Through extensive experimentation over multiple data sets, we show that the new algorithm gets significantly faster. Interestingly, this remarkable speedup factor is achieved with no additional loss of data utility.Les aplicacions de big data impulsen actualment una accelerada innovació aprofitant la gran quantitat d’informació generada a partir de les interaccions dels usuaris amb la tecnologia. Així, qualsevol entitat és capaç d'explotar eficientment les dades per obtenir utilitat, emprant aprenentatge automàtic i capacitats de còmput sense precedents. No obstant això, sorgeixen en aquest escenari serioses preocupacions pel que fa a la privacitat dels usuaris ja que hi ha informació personal involucrada. Tot i que s'han proposat diversos mecanismes de protecció, hi ha alguns reptes per a la seva adopció en la pràctica, és a dir perquè es puguin utilitzar. Per començar, l’impacte real d'aquests mecanismes en la utilitat de les dades no esta clar, raó per la qual la seva avaluació empírica és important. A més, considerant que actualment es manegen grans volums de dades, una privacitat usable requereix, no només preservació de la utilitat de les dades, sinó també algoritmes eficients en temes de temps de còmput. És clau satisfer tots dos requeriments per incentivar l’adopció de mesures de privacitat. Malgrat que hi ha diversos esforços per dissenyar mecanismes de privacitat menys "destructius", les mètriques d'utilitat emprades no serien apropiades, de manera que aquests mecanismes de protecció podrien estar sent incorrectament avaluats. D'altra banda, tot i l’adveniment del big data, la investigació existent no s’enfoca molt en millorar la seva eficiència. Lamentablement, si els requisits de les aplicacions actuals no es satisfan, s’obstaculitzarà l'adopció de tecnologies de privacitat. A la primera part d'aquesta tesi abordem el problema de mesurar l'impacte de la microagregació k-Gnónima en la utilitat empírica de microdades. Per això, quantifiquem la utilitat com la precisió de models de classificació obtinguts a partir de les dades microagregades. i avaluats sobre dades de prova originals. Els experiments mostren que l'impacte de l’algoritme de rmicroagregació estàndard en el rendiment d’algoritmes d'aprenentatge automàtic és usualment menor per a una varietat de conjunts de dades avaluats. A més, l’evidència experimental suggereix que la mètrica tradicional de distorsió de les dades seria inapropiada per avaluar la utilitat empírica de dades microagregades. Així també estudiem el problema de preservar la utilitat empírica de les dades a l'ésser anonimitzades. Transformant els registres originaIs de dades en un espai de dades diferent, el nostre enfocament, basat en anàlisi de discriminant lineal, permet que el procés de microagregació k-anònima s'adapti al domini d’aplicació de les dades. Per això, primer, les dades són rotades o projectades en la direcció de màxima discriminació i, segon, escalades en aquesta direcció, penalitzant la distorsió a través del llindar de classificació. Com a resultat, la utilitat de les dades es preserva en termes de la precisió dels models d'aprenentatge automàtic en diversos conjunts de dades. Posteriorment, proposem un mecanisme per reduir el temps d'execució per a la microagregació k-anònima. Això s'aconsegueix simplificant les operacions internes de l'algoritme escollit Mitjançant una extensa experimentació sobre diversos conjunts de dades, vam mostrar que el nou algoritme és bastant més ràpid. Aquesta acceleració s'aconsegueix sense que hi ha pèrdua en la utilitat de les dades. Finalment, en un enfocament més aplicat, es proposa una eina de protecció de privacitat d'individus i organitzacions mitjançant l'anonimització de dades sensibles inclosos en logs de seguretat. Es dissenyen diferents mecanismes d'anonimat per implementar-los en base a la definició d'una política de privacitat, en el context d'un projecte europeu que té per objectiu construir un sistema de seguretat unificat

Utility-Preserving Anonymization of Textual Documents

Cada dia els éssers humans afegim una gran quantitat de dades a Internet, tals com piulades, opinions, fotos i vídeos. Les organitzacions que recullen aquestes dades tan diverses n'extreuen informació per tal de millorar llurs serveis o bé per a propòsits comercials. Tanmateix, si les dades recollides contenen informació personal sensible, hom no les pot compartir amb tercers ni les pot publicar sense el consentiment o una protecció adequada dels subjectes de les dades. Els mecanismes de preservació de la privadesa forneixen maneres de sanejar les dades per tal que no revelin identitats o atributs confidencials. S'ha proposat una gran varietat de mecanismes per anonimitzar bases de dades estructurades amb atributs numèrics i categòrics; en canvi, la protecció automàtica de dades textuals no estructurades ha rebut molta menys atenció. En general, l'anonimització de dades textuals exigeix, primer, detectar trossos del text que poden revelar informació sensible i, després, emmascarar aquests trossos mitjançant supressió o generalització. En aquesta tesi fem servir diverses tecnologies per anonimitzar documents textuals. De primer, millorem les tècniques existents basades en etiquetatge de seqüències. Després, estenem aquestes tècniques per alinear-les millor amb el risc de revelació i amb les exigències de privadesa. Finalment, proposem un marc complet basat en models d'immersió de paraules que captura un concepte més ampli de protecció de dades i que forneix una protecció flexible guiada per les exigències de privadesa. També recorrem a les ontologies per preservar la utilitat del text emmascarat, és a dir, la seva semàntica i la seva llegibilitat. La nostra experimentació extensa i detallada mostra que els nostres mètodes superen els mètodes existents a l'hora de proporcionar anonimització robusta tot preservant raonablement la utilitat del text protegit.Cada día las personas añadimos una gran cantidad de datos a Internet, tales como tweets, opiniones, fotos y vídeos. Las organizaciones que recogen dichos datos los usan para extraer información para mejorar sus servicios o para propósitos comerciales. Sin embargo, si los datos recogidos contienen información personal sensible, no pueden compartirse ni publicarse sin el consentimiento o una protección adecuada de los sujetos de los datos. Los mecanismos de protección de la privacidad proporcionan maneras de sanear los datos de forma que no revelen identidades ni atributos confidenciales. Se ha propuesto una gran variedad de mecanismos para anonimizar bases de datos estructuradas con atributos numéricos y categóricos; en cambio, la protección automática de datos textuales no estructurados ha recibido mucha menos atención. En general, la anonimización de datos textuales requiere, primero, detectar trozos de texto que puedan revelar información sensible, para luego enmascarar dichos trozos mediante supresión o generalización. En este trabajo empleamos varias tecnologías para anonimizar documentos textuales. Primero mejoramos las técnicas existentes basadas en etiquetaje de secuencias. Posteriormente las extendmos para alinearlas mejor con la noción de riesgo de revelación y con los requisitos de privacidad. Finalmente, proponemos un marco completo basado en modelos de inmersión de palabras que captura una noción más amplia de protección de datos y ofrece protección flexible guiada por los requisitos de privacidad. También recurrimos a las ontologías para preservar la utilidad del texto enmascarado, es decir, su semantica y legibilidad. Nuestra experimentación extensa y detallada muestra que nuestros métodos superan a los existentes a la hora de proporcionar una anonimización más robusta al tiempo que se preserva razonablemente la utilidad del texto protegido.Every day, people post a significant amount of data on the Internet, such as tweets, reviews, photos, and videos. Organizations collecting these types of data use them to extract information in order to improve their services or for commercial purposes. Yet, if the collected data contain sensitive personal information, they cannot be shared with third parties or released publicly without consent or adequate protection of the data subjects. Privacy-preserving mechanisms provide ways to sanitize data so that identities and/or confidential attributes are not disclosed. A great variety of mechanisms have been proposed to anonymize structured databases with numerical and categorical attributes; however, automatically protecting unstructured textual data has received much less attention. In general, textual data anonymization requires, first, to detect pieces of text that may disclose sensitive information and, then, to mask those pieces via suppression or generalization. In this work, we leverage several technologies to anonymize textual documents. We first improve state-of-the-art techniques based on sequence labeling. After that, we extend them to make them more aligned with the notion of privacy risk and the privacy requirements. Finally, we propose a complete framework based on word embedding models that captures a broader notion of data protection and provides flexible protection driven by privacy requirements. We also leverage ontologies to preserve the utility of the masked text, that is, its semantics and readability. Extensive experimental results show that our methods outperform the state of the art by providing more robust anonymization while reasonably preserving the utility of the protected outcome

Privacy Preservation and Analytical Utility of E-Learning Data Mashups in the Web of Data

Virtual learning environments contain valuable data about students that can be correlated and analyzed to optimize learning. Modern learning environments based on data mashups that collect and integrate data from multiple sources are relevant for learning analytics systems because they provide insights into students' learning. However, data sets involved in mashups may contain personal information of sensitive nature that raises legitimate privacy concerns. Average privacy preservation methods are based on preemptive approaches that limit the published data in a mashup based on access control and authentication schemes. Such limitations may reduce the analytical utility of the data exposed to gain students' learning insights. In order to reconcile utility and privacy preservation of published data, this research proposes a new data mashup protocol capable of merging and k-anonymizing data sets in cloud-based learning environments without jeopardizing the analytical utility of the information. The implementation of the protocol is based on linked data so that data sets involved in the mashups are semantically described, thereby enabling their combination with relevant educational data sources. The k-anonymized data sets returned by the protocol still retain essential information for supporting general data exploration and statistical analysis tasks. The analytical and empirical evaluation shows that the proposed protocol prevents individuals' sensitive information from re-identifying.The Spanish National Research Agency (AEI) funded this research through the project CREPES (ref. PID2020-115844RB-I00) with ERDF funds