支持多数不规则用户的隐私保护联邦学习框架

• 作者: 陈前昕 毕仁万 林劼 金彪 熊金波
• 来源期刊: 网络与信息安全学报
• 学科: 工学
• 关键词: 联邦学习 隐私保护 安全聚合 大多数不规则用户 安全除法协议
• 年，卷（期）: 2022,（1）
• 所属期刊栏目: 学术论文|Papers
• 页码范围: 139-150
• 页数: 12页
• 分类号: TP309
• 语种: 中文
• DOI: 10.11959/j.issn.2096-109x.2022011

摘要

针对联邦学习存在处理大多数不规则用户易引起聚合效率降低,以及采用明文通信导致参数隐私泄露的问题,基于设计的安全除法协议构建针对不规则用户鲁棒的隐私保护联邦学习框架.该框架通过将模型相关计算外包给两台边缘服务器以减小采用同态加密产生的高额计算开销,不仅允许模型及其相关信息以密文形式在边缘服务器上进行密文聚合,还支持用户在本地进行模型可靠性计算以减小传统方法采用安全乘法协议造成的额外通信开销.在该框架的基础上,为更精准评估模型的泛化性能,用户完成本地模型参数更新后,利用边缘服务器下发的验证集与本地持有的验证集联合计算模型损失值,并结合损失值历史信息动态更新模型可靠性以作为模型权重.进一步,在模型可靠性先验知识指导下进行模型权重缩放,将密文模型与密文权重信息交由边缘服务器对全局模型参数进行聚合更新,保证全局模型变化主要由高质量数据用户贡献,提高收敛速度.通过HybridArgument模型进行安全性分析,论证表明PPRFL (privacy-preserving robust fe-derated learning)可以有效保护模型参数以及包括用户可靠性等中间交互参数的隐私.实验结果表明,当联邦聚合任务中的所有参与方均为不规则用户时,PPRFL方案准确率仍然能达到92％,收敛效率较PPFDL(privacy-preserving federated deep learning with irregular users)提高1.4倍;当联邦聚合任务中80％用户持有的训练数据都为噪声数据时,PPRFL方案准确率仍然能达到89％,收敛效率较PPFDL提高2.3倍.