# 大規模言語モデルに対する サンプリングを活用したメンバーシップ推論攻撃

綿 祐貴 ${ }^{1}$ 金子 正弘 ${ }^{2,1}$ Youmi Ma ${ }^{1}$ 岡崎 直観 ${ }^{1}$
1 東京工業大学 ${ }^{2}$ MBZUAI
\{yuki.wata@nlp.,youmi.ma@nlp., okazaki@\}c.titech.ac.jp
Masahiro.Kaneko@mbzuai.ac.ae

## 概要

本研究は，与えられたテキストがモデルの学習データに含まれていたかを判定するメンバーシップ推論攻撃に取り組む. 従来手法は，モデルが計算する尤度を必要としており，適用できるモデルが限られる．そこで，本研究では出力テキストだけから検出するサンプリングベース・メンバーシップ推論攻撃を提案する。提案手法は検出対象のテキストを参照テキスト，サンプルされたモデルの複数出力を候補テキストとし，それらの一致度合を計算し，テキストがモデルの学習データに含まれていたか判定する. 提案手法は尤度を利用しないにも関わらず，実験では既存手法と肩を並べる性能を発揮し，特に長いテキストを対象とした検出で高い性能を示した.

## 1 はじめに

大規模言語モデル (Large Language Models; LLM) の学習コーパスの規模が拡大するにつれ，GPT-4 [1] や PaLM 2 [2] などの開発者は, 組織の競争力を維持するため，学習データの準備や出典などの詳細の公表を控えるようになった。その結果，事前学習に用いた文書が分からないため，LLM が生成したテキストが剽窃にあたるか判断できず，著作権者および利用者の双方にリスクが生じうる [3]. 更に，評価用のベンチマークが LLM の学習データに含まれる場合，モデルの性能を適切に評価できない $[4,5,6]$.

本稿が取り組むタスクは，メンバーシップ推論攻撃（Membership Inference Attacks; MIA）[7] である. MIA タスクは，検出対象のテキストとモデルが与えられた際に，対象テキストがモデルの学習データに含まれていたかを判定するものである。一般に，モデルはデータに適合するように学習されるため，学習データに含まれるテキストは含まれないテキスト

図 1 サンプリングベース・メンバーシップ推論攻撃

よりも高い尤度を示す $[8,9]$. MIA の既存研究はこのアイディアに基づくため，モデルの尤度が計算できることを前提としており $[8,10,11,12,13]$ ，尤度を提供しないモデルには適用できない。一方，尤度を出力できるモデルの多くは学習データが公開されており $[14,15,16]$ ，MIAを使わずとも対象テキストが含まれるかを直接確認できる。そのため，MIAを適用したい対象は学習データが非公開のモデルであるにも関わらず，そのような LLM の多くは尤度を出力しないため $[1,2,17,18]$ ，MIAを実際に利用できる場面が限られている。

本稿では，尤度に依存しない MIA としてサンプリングベース・メンバーシップ推論攻撃（Samplingbased Membership Inference Attacks; SaMIA）を提案する。学習データが検出対象を含む場合，LLM は学習した正解テキストをそのまま出力すれば良いため，対象テキストと生成されたテキストは表層の一致率が高い $[10,19]$. 図 1 は SaMIA の具体的な検出手順を示している。対象テキストの冒頭部分をLLM に与え，その続きをサンプリングにより複数生成する。そして，生成された系列を候補テキス

ト，対象テキストの先頭以降の系列を参照テキストとみなし，それらのテキストの単語の一致度合を計算する。一致度合が閾値以上であれば対象テキストが LLM に学習されたと判定する。

SaMIA の有効性を検証するため，事前学習済みモデルに対し, 本手法の検出性能を既存手法と比較した. その結果, ROUGE-1 [20] とzlib 圧縮エントロピー [21]を併用した提案手法は尤度を利用していないが，既存手法と肩を並べる性能を発揮し，特に長いテキストを対象とした検出で高い性能を示した.分析では, グラム長, 候補テキストの数, 検出対象のテキスト長が SaMIA の性能に与える影響を調査した. SaMIA の性能は単語ユニグラムのときに高く, 候補テキスト数の増加に伴い改善され, テキストが長いほど効果的であるという知見が得られた。

## 2 サンプリングのみを活用した MIA

## 2.1 MIA タスクの定義

MIA は，モデル $f_{\theta}$ の学習データセット $D_{\text {train }}$ に対象テキスト $x$ が含まれるか否かの二値分類タスクである. 攻撃者の目標は, 適切な攻撃関数 $A_{f_{\theta}}: X \rightarrow\{0,1\}$ を設計し, テキスト空間 $X$ 中の事例 $x$ に対し $x \in \mathscr{D}_{\text {train }}$ の真偽を判定することである.

## 2.2 SaMIA

本稿では，LLM からサンプルした出力だけを活用する SaMIA を提案する. 本手法はモデル $f_{\theta}$ が損失 $\mathscr{L}$ やトークン尤度 $P_{\theta}$ を提供しない前提にあるため，より厳しい利用条件のもとにある. 提案手法は損失と尤度を利用しないため，任意の LLM に対して適用できる. 具体的な方法は, 長さ $n$ の検出対象のテキスト $x=\left(w_{1}, w_{2}, \ldots, w_{n}\right)$ を単語数に応じて前半と後半に分割し，前半を LLM に与えるプレフィックス $x_{\text {prefix }}=\left(w_{1}, w_{2}, \ldots, w_{\lfloor n / 2\rfloor}\right)$, 後半を参照テキスト $x_{\mathrm{ref}}=\left(w_{\lfloor n / 2\rfloor+1}, w_{\lfloor n / 2\rfloor+2}, \ldots, w_{n}\right)$ として使用する。 LLM は $x_{\text {prefix }}$ に続くテキストをサンプリングにより $m$ 個生成し, これらを候補テキスト $x_{\text {cand }}^{j}(j=1, \ldots, m)$ として検知に用いる.

LLM は学習した事例をそのままの形で漏洩する可能性がある $[10,19]$. そのため SaMIA は, 候補テキスト $x_{\text {cand }}^{j}$ と参照テキスト $x_{\text {ref }}$ の表層的な一致率が高い場合，元のテキスト $x$ が LLM の学習データに漏洩していると考える. テキスト間の一致率の評価指標には，参照テキストの単語の再現率である
ROUGE-N [20]を利用する．LLM が生成した候補テキスト $x_{\text {cand }}$ と，参照テキスト $x_{\text {ref }}$ が与えられたとき, ROUGE-N $\in[0,1]$ は式 1 に従って計算される.

ROUGE-N $\left(x_{\text {cand }}, x_{\text {ref }}\right)=\frac{\sum_{\text {gram }_{n} \in x_{\text {ref }}} \operatorname{Count}_{\text {match }}\left(\text { gram }_{n}\right)}{\sum_{\text {gram }_{n} \in x_{\text {ref }}} \operatorname{Count}\left(\text { gram }_{n}\right)}$

ここで， $n$ は n-gram の長さを表す.また，数式の分母は参照テキストの n-gram の総数であり，分子は候補テキストと参照テキストに共起する n-gram の総数を表す. 例えば ROUGE-1 は，参照テキスト中の単語が LLM に生成されるほど高い値となる.

SaMIA は，LLM が生成した各候補テキスト $x_{\text {cand }}^{j}$ と参照テキスト $x_{\mathrm{ref}}$ の間の ROUGE-Nを計算し，それら $m$ 個の平均が閾値 $\tau$ を超えるテキスト $x$ は学習データに含まれると判定する（式2）。

$
A_{f_{\theta}}(x)=\mathbb{1}\left[\frac{1}{m} \sum_{j=1}^{m} \operatorname{ROUGE}-\mathrm{N}\left(x_{\text {cand }}^{j}, x_{\text {ref }}\right)>\tau\right]
$

この検出指標の解釈は直接的で，テキスト $x$ が学習に用いられた場合，LLM は参照テキスト中の n-gram を多く生成するという仮説に基づく. SaMIA の疑似コードを付録 B の Algorithm 1 にまとめる.

## 2.3 サンプルの情報量を利用した改善

既存手法である PPL/zlibでは生成テキストの冗長性の特徴を利用して評価するために，zlibが計算する情報量を用いた [10]. 未学習データのサンプルは繰り返し生成 (例: “I love you. I love you...”) を含む傾向があり，そのようなサンプルの zlib 圧縮後の情報量が小さくなると考えられる．PPL/zlibは，サンプル $x$ のパープレキシティと zlib 圧縮後のビット数 $\operatorname{zlib}(x)$ の比率を検出指標する（式 3）.

$
A_{f_{\theta}}(x)=\mathbb{1}\left[\frac{\prod_{i=1}^{n} P_{\theta}\left(x_{i} \mid x_{1: i-1}\right)^{-\frac{1}{n}}}{\operatorname{zlib}(x)}<\tau\right]
$

ここで， $\operatorname{zlib}(x)$ はテキスト $x$ を zlib 圧縮したときのエントロピーをビット数で表す。

$\operatorname{zlib}(x)$ はテキスト $x$ の文字情報のみに依存する指標であるため，SaMIA にも適用できる。また， SaMIA（式 2）は候補テキスト $x_{\text {cand }}^{j}$ における繰り返し生成の有無は考慮できないため, zlib との併用により性能改善が期待できる（式 4).

$
\begin{aligned}
& A_{f_{\theta}}(x) \\
& =\mathbb{1}\left[\frac{1}{m} \sum_{j=1}^{m} \operatorname{ROUGE}-\mathrm{N}\left(x_{\text {cand }}^{j}, x_{\text {ref }}\right) \cdot \operatorname{zlib}\left(x_{\text {cand }}^{j}\right)>\tau\right]
\end{aligned}
$
表 1 提案手法と比較手法の AUC スコア

## 3 実験

## 3.1 比較手法

SaMIA との比較に用いる既存手法を説明する. LOSS [8] は最もシンプルな MIA であり, サンプル $x$ の損失（負の対数尤度） $\mathscr{L}$ が閾値 $\tau$ より小さい場合に学習データに含まれると判定する（式 5).

$
A_{f_{\theta}}(x)=\mathbb{1}\left[\mathscr{L}\left(f_{\theta}, x\right)<\tau\right]
$

PPL/zlib [10] では，テキスト $x$ の zlib 圧縮エントロピーを活用し， $x$ のパープレキシティとの比率を検出指標とする（式 3). Lowercase [10] はLOSS を拡張した手法の 1 つで，対象テキスト $x$ を小文字化した $x_{\text {lower }}$ の損失との差を検出指標とする（式 6).

$
A_{f_{\theta}}(x)=\mathbb{1}\left[\mathscr{L}\left(f_{\theta}, x\right)-\mathscr{L}\left(f_{\theta}, x_{\text {lower }}\right)<\tau\right]
$

LOSS はテキスト $x$ の全トークンを用いて検出する一方，Min-K\% Prob [13] は $x$ の中で尤度の低い $k \%$ トークン $\operatorname{Min}-\mathrm{K} \%(x)$ のみを検出に用いる（式 7）.

$
A_{f_{\theta}}(x)=\mathbb{1}\left[\frac{1}{E} \sum_{x_{i} \in \operatorname{Min}-\mathrm{K} \%(x)} \log P_{\theta}\left(x_{i} \mid x_{1: i-1}\right)>\tau\right]
$

ここで， $E=|\operatorname{Min}-\mathrm{K} \%(x)|$ は選出されたトークンの総数を表す. Min-K\% Prob のハイパーパラメータである $k$ の値は原著論文で推奨された $k=20$ とする.

## 3.2 実験設定

データセット既存研究 [13] に倣い，本稿ではべンチマークに WikiMIA ${ }^{1)}$ を用いる. MIA の性能はテキスト長に依存するため [13]，異なる単語数 ${ }^{2}$ （32， 64，128，256）の WikiMIA に対して検出性能を評価する. WikiMIA は, Wikipedia から収集されたイべントページにより構成される. 2023 年以降のイベ

1) https://huggingface.co/datasets/swj0419/WikiMIA

2） WikiMIA の各事例は，スペース区切りで指定の単語数となるよう切られている.
ントを未学習データ，2017 年以前のイベントを学習済データとする，イベントページは特定の時期に関連する情報であるため, 未学習データは事前学習されていない新しい情報であることが保証される。また, Wikipedia は事前学習データの一般的な情報源であり, 学習済データは事前学習に使われたとする。

モデル提案手法および既存手法の性能を，GPTJ-6B [16], OPT-6.7B [14], Pythia-6.9B [15], LLaMA2-7B [22]を用いて評価する。これら 4 つの LLM は，事前学習データのカットオフ日が 2022 年 9 月以前であるため，WikiMIA の使用要件を満たす。

評価指標既存研究 $[12,13]$ に倣い，検出方法の有効性を真陽性率（True Positive Rate; TPR）と偽陽性率（False Positive Rate; FPR）を用いて評価する。各間値 $\tau$ における TPRと FPRを用いて ROC 曲線を描画し, ROC 曲線下の領域面積である AUC と低 FPR における TPR（TPR@10\%FPR）を評価指標とする.

実装の詳細 SaMIA（式 2）と SaMIA*zlib（式 4） には ROUGE-1 を用い，サンプル数は $m=10$ と設定した。事前学習済みモデルは HuggingFace3) で公開されているものを使用した。 トークン生成時のパラメータは全て, temperature $=1.0$, max_length $=1024$, top_k=50, top_p=1.0 に統一した.

## 3.3 実験結果

AUC の評価結果を表 1 に示す. 表の右端の Avg. には行の平均值を掲載している. SaMIA*zlib の AUC は, 256 単語の WikiMIA において全ての比較手法を上回ったが，32 単語においては性能が低かった. また, zlib は SaMIA を改善しており, サンプルの冗長性の考慮が有効であることを確認できる. 更に, Avg. では SaMIA*zlib の性能が一番高いことから，提案手法は総合的に最も性能が優れていると言える.TPR@10\%FPR の結果は付録 A の表 2 に記載しており，AUC と似た傾向を示している。これらの


図 2 ROUGE-1 vs. ROUGE-2（モデル：OPT-6.7B）

図 3 サンプル数 $m$ と SaMIA の性能 (モデル：OPT-6.7B）結果から，SaMIA は尤度や損失を用いずとも，それらを用いた検出手法を上回る，もしくは匹敵する性能を達成できることが分かる.

## 4 分析

SaMIA の性能に影響を与える要因としてグラム長，サンプル数，テキスト長の観点から分析する.

グラム長主要な結果である表 1 には，ROUGE-1 を検出指標に用いた SaMIA の性能を掲載した. 単語バイグラムの方が検出しやすくなるかを検証するため，ROUGE-2 を指標に用いた SaMIA（式 2, $\mathrm{N}=2$ ）の性能を調べた. 図 2 より，ROUGE-2による検出は ROUGE-1 よりも劣る結果となり，単語ユニグラムを用いた方が良いという知見が得られた。

サンプル数表 1 では，LLM が生成した 10 サンプルを用いた SaMIA の性能を報告した. ここで， サンプル数 $m$ を変化させた際の SaMIA の性能への影響を調査する．直感的には，多くのサンプルがより堅牢な比較を提供すると考えられる。図 3 の結果は，この仮説の正当性を裏付けており，サンプル数 $m$ を増やすことで性能が改善することを示している. しかし，サンプル数が 5 を超えると，全てのテキスト長において検出性能は横ばいとなるため，推論コストを考慮しても $m=5$ が最適である.

図 4 単語数 32 の WikiMIA の ROUGE-1 分布 (OPT-6.7B)

図 5 単語数 256 の WikiMIA の ROUGE-1 分布 (OPT-6.7B)

テキスト長表 1 によると，SaMIA の性能は対象テキストの長さに依存している。 そこで，テキスト長が ROUGE-1 の検出指標（式 $2, \mathrm{~N}=1$ ）に与える変化をより詳細に分析する．異なる単語数（32，256） における未学習データと学習済データの ROUGE-1 分布を図 4，5 に示す（64，128 単語における分布は付録 A の図 6, 7 に載せる). この図が示すように，長いテキストを対象とした検出では，事前学習の有無が ROUGE-1 に大きな差を生んでいる。この現象は直感的にも正しく，(1) モデルに与えるプレフィックス $x_{\text {prefix }}$ が長いとき，モデルは記憶を特定しやすくなり，(2) 参照テキスト $x_{\mathrm{ref}}$ が長い場合，正解に関する情報が増えて評価が安定すると考えられる．

## 5 おわりに

本稿では，メンバーシップ推論攻撃において尤度に依存せず，サンプリングのみを活用する手法 SaMIA を提案した。本手法を WikiMIA で評価したところ，既存手法と同等の性能を示し，特に長いテキストを対象とした検知では高性能を示した。この結果は，尤度を提供しない LLM に対しても，メンバーシップ推論が可能であることを示唆している.

今後は，短いテキストに対する SaMIA の検知性能の改善を目指したい.

## 謝辞

本研究は JSPS 科研費 19 H01118 の助成を受けたものです。

## 参考文献

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## A 更なる実験結果

提案手法と比較手法の TPR@10\%FPR による評価結果を表 2 に示す.表の右端のAvg. には行の平均値を掲載している.

表 2 提案手法と比較手法の TPR @ $10 \%$ FPR

WikiMIA の 64, 128 単語のデータセットにおける，未学習データと学習済データの ROUGE-1 分布を図 6, 7 に示す.

図 6 単語数 64 の WikiMIA の ROUGE-1 分布（OPT-6.7B）図 7 単語数 128 の WikiMIA の ROUGE-1 分布（OPT-6.7B）

## B SaMIA の詳細