面向用户隐私保护的联邦安全树算法

针对联邦学习算法在用户行为预测中存在的准确率低和运行效率不高等问题，提出一种无损失的联邦学习安全树（FLSectree）算法。首先，通过对损失函数的推导，证明损失函数的一阶偏导数与二阶偏导数为敏感数据，采用特征索引序列的扫描和分裂来返回加密后的最佳分裂点，以保护敏感数据不被泄露；接着，通过对实例空间的更新来继续向下分裂并寻找下一个最佳分裂点，直至满足终止条件后结束训练；最后，利用训练后的结果使得各参与方得到本地算法参数。实验结果表明，FLSectree算法能够在保护数据隐私的前提下有效提高用户行为预测算法的准确率和训练效率，与联邦学习FATE（Federated AI Technology Enabler）框架中的SecureBoost算法相比，FLSectree算法在用户行为预测中的准确率提高了9.09%，运行时间降低了87.42%，训练结果与集中式Xgboost算法一致。     

高速车联网场景下分簇式无线联邦学习算法

现有无线联邦学习框架缺乏对实际的分布式高速车联网（IoV）场景的有效支持。针对该场景下的分布式学习问题,提出了一种基于随机网络拓扑模型的分布式训练算法——分簇式无线联邦学习算法（C-WFLA）。首先,该算法基于高速公路场景下的车辆分布情况设计网络模型;其次,该算法考虑了用户端进行上行数据传输时的路径衰落、瑞利衰落等因素;最后,该算法设计了基于分簇式训练的无线联邦学习方法。利用所提算法对手写体识别模型进行了训练与测试,仿真结果表明：在信道状态较好、用户发射功率受限较小的情况下,传统无线联邦学习算法与C-WFLA在相同的训练条件下损失函数均能收敛至相近的数值,且C-WFLA收敛更快;而在信道状态较差、用户发射功率受限较大的情况下,C-WFLA损失函数收敛值相较于传统的集中式算法可以降低10%~50%。可见,C-WFLA更有助于高速IoV场景下的模型训练。     

边缘计算下基于区块链的隐私保护联邦学习算法

针对在边缘计算（EC）场景下进行的联邦学习（FL）过程中存在的模型参数隐私泄露、不可信服务器可能返回错误的聚合结果以及参与训练的用户可能上传错误或低质量模型参数的问题,提出一种边缘计算下基于区块链的隐私保护联邦学习算法。在训练过程中,每个用户首先使用全局模型参数在其本地数据集上进行训练,并将训练得到的模型参数以秘密共享的方式上传至附近的边缘节点,从而实现对用户本地模型参数的保护;然后由边缘节点在本地计算它们所收到的模型参数的份额之间的欧氏距离,并将结果上传至区块链;最后由区块链负责对模型参数之间的欧氏距离进行重构,进而在去除有毒的更新后,再进行全局模型参数的聚合。通过安全分析证明了所提算法的安全性：即使在部分边缘节点合谋的情况下,用户的本地模型参数信息也不会泄露。同时实验结果表明该算法具有较高的准确率：在投毒样本比例为30%时,它的模型准确率为94.2%,接近没有投毒样本时的联邦平均（FedAvg）算法的模型准确率97.8%,而在投毒样本比例为30%时FedAvg算法的模型准确率下降至68.7%。     

基于隐私保护的联邦推荐算法综述

推荐系统通过集中式的存储与训练用户对物品的海量行为信息以及内容特征, 旨在为用户提供个性化的信息服务与决策支持. 然而, 海量数据背后存在大量的用户个人信息以及敏感数据, 因此如何在保证用户隐私与数据安全的前提下分析用户行为模式成为了近年来研究的热点. 联邦学习作为新兴的隐私保护范式, 能够协调多个参与方通过模型参数或者梯度等信息共同学习无损的全局共享模型, 同时保证所有的原始数据保存在用户的终端设备, 较之于传统的集中式存储与训练模式, 实现了从根源上保护用户隐私的目的, 因此得到了众多推荐系统领域研究学者们的广泛关注. 基于此, 对近年来基于联邦学习范式的隐私保护推荐算法进行全面综述、系统分类与深度分析. 具体的, 首先综述经典的推荐算法以及所面临的问题, 然后介绍基于隐私保护的推荐系统与目前存在的挑战, 随后从多个维度综述结合联邦学习技术的推荐算法, 最后对该方向做出系统性的总结并对未来研究方向与发展趋势进行展望.     

面向隐私安全的联邦决策树算法

根据用户信息进行资质审查是金融领域的一项重要业务,银行等机构由于用户数据不足和隐私安全等原因,无法训练高性能的违约风险评估模型,从而无法对用户进行精准预测.因此,为了解决数据不共享情况下的联合建模问题,本文提出一种基于联邦学习的决策树算法FL-DT(Federated Learning-Decision Tree).首先,构造基于直方图的数据存储结构用于通信传输,通过减少通信次数,有效提升训练效率;其次,提出基于不经意传输的混淆布隆过滤器进行隐私集合求交,得到包含各参与方数据信息的联邦直方图,并建立联邦决策树模型.最后,提出多方协作预测算法,提升了FL-DT的预测效率.在四个常用的金融数据集上,评估了FL-DT算法的精确性和有效性.实验结果表明,FL-DT算法的准确率比仅利用本地数据建立模型的准确率高,逼近于数据集中情况下模型的准确率,而且优于其他联邦学习方法.另外,FL-DT的训练效率也优于已有算法.     

深度森林在用户购买预测中的应用

针对电商大数据时代用户未来购买行为预测，在京东平台真实数据集上，提出时间滑动窗口技术和窗口权重递减设置，从五方面构建整体用户行为特征，综合考虑深度学习的表征学习能力和集成学习的训练效率，引入多层异源集成算法，将随机森林、XGBoost等多种算法进行组合，搭建基于深度森林模型的用户购买行为预测算法框架，实现准确高效的用户购买预测结果。算法训练时间为68 s,预测准确率达89.3%,相对于集成学习算法和深度神经网络模型取得了更好的效果。     

一种基于注意力联邦蒸馏的推荐方法

数据隐私保护问题已成为推荐系统面临的主要挑战之一.随着《中华人民共和国网络安全法》的颁布和欧盟《通用数据保护条例》的实施,数据隐私和安全成为了世界性的趋势.联邦学习可通过不交换数据训练全局模型,不会泄露用户隐私.但是联邦学习存在每台设备数据量少、模型容易过拟合、数据稀疏导致训练好的模型很难达到较高的预测精度等问题.同时,随着5G （the 5th generation mobile communication technology）时代的到来,个人设备数据量和传输速率预计比当前提高10~100倍,因此要求模型执行效率更高.针对此问题,知识蒸馏可以将教师模型中的知识迁移到更为紧凑的学生模型中去,让学生模型能尽可能逼近或是超过教师网络,从而有效解决模型参数多和通信开销大的问题.但往往蒸馏后的学生模型在精度上会低于教师模型.提出一种面向推荐系统的联邦蒸馏方法,该方法首先在联邦蒸馏的目标函数中加入Kullback-Leibler散度和正则项,减少教师网络和学生网络间的差异性影响;引入多头注意力机制丰富编码信息,提升模型精度;并提出一个改进的自适应学习率训练策略来自动切换优化算法,选择合适的学习率,提升模型的收敛速度.实验验证了该方法的有效性：相比基准算法,模型的训练时间缩短52%,模型的准确率提升了13%,平均误差减少17%,NDCG值提升了10%.     

基于共享数据集和梯度补偿的分层联邦学习框架北大核心CSCD

联邦学习允许车辆在本地保留数据并进行模型训练,从而更好地保护用户隐私,但车载传感器和行驶路线等条件不同,参与联邦学习的车辆可能具有不同数据分布,从而降低模型泛化能力,增大收敛难度。为了确保实时性,车联网中广泛应用了异步随机梯度下降技术,但梯度延迟问题会导致模型训练不准确。为了解决上述问题,文章提出一种基于共享数据集和梯度补偿的分层联邦学习框架。该框架使用共享数据集和基于Re LU值加权的聚合方法减少模型偏差,并利用梯度函数的泰勒展开近似原始损失函数,对异步随机梯度下降进行梯度补偿。在MNIST和CIFAR-10数据集上的实验结果表明,与Fed AVG、MOON和Hier FAVG算法相比,该方法平均准确率分别提高了13.8%、2.2%和3.5%,时间开销仅为同步随机梯度下降和异步随机梯度下降的1/2。     

复杂场景下基于增强YOLOv3的船舶目标检测

为提升水上交通安全监管的智能化水平，进一步提高基于深度学习的船舶目标检测算法的定位精度和检测准确率，在传统YOLOv3算法基础上，提出用于船舶目标检测的增强YOLOv3算法。首先，在网络预测层引入预测框不确定性回归，以预测边界框的不确定性信息；然后，使用负对数似然函数和改进的二值交叉熵函数重新设计损失函数；其次，针对船舶形状使用K均值聚类算法重新设计先验锚框尺寸并平均分配到对应预测尺度；在网络训练阶段，使用数据增强策略扩充训练样本数量；最后，使用加入高斯软阈值函数的非极大值抑制（NMS）算法对预测框进行后处理。对各种改进方法和不同目标检测算法在真实海事视频监控数据集上进行对比实验。实验结果显示，与传统YOLOv3算法相比，带有预测框不确定性信息的YOLOv3算法的假正样本（FP）数量降低了35.42%，真正样本（TP）数量提高了1.83%，所以提高了准确率；增强YOLOv3算法在船舶图像上的平均准确率均值（mAP）达到87.74%，与传统YOLOv3算法和Faster R-CNN算法相比分别提高了24.12%和23.53%；所提算法的每秒钟检测图像数量达到30.70张，满足实时检测的要求。实验结果表明，所提算法在雾天和低照度等不良天气条件与复杂通航背景下，均能实现船舶目标的高精度稳定实时检测。     

基于联邦学习和深度残差网络的入侵检测

深度学习被广泛应用到入侵检测领域,但大多数研究的重点是通过改进算法提高入侵检测的准确率,却忽视了在实际应用中单个用户拥有的数据无法满足训练需求的问题。为了实现网络入侵检测模型在训练过程中保护用户隐私安全的同时,仍具有对网络流量数据检测异常的能力,提出一种基于联邦学习并融合深度残差网络（ResNet）和注意力机制的入侵检测模型FL-SEResNet(Federation Learning Squeeze-and-Excitation network ResNet)。在训练过程中,通过对数据压缩、解压、分发、加密和聚合等操作,可以在保护参与者数据隐私的同时,通过多方参与提供足够的训练数据。在NSL-KDD和UNSW-NB15数据集上,所提模型在多分类实验的识别准确率分别为84.22%和80.38%。在NSL-KDD上,与同属于联邦学习的CNN-FL相比,对多分类的识别准确率提升了1.82个百分点,对少数类R2L(Remote to Local)的识别准确率提升了24.94个百分点。     

提升联邦学习通信效率的梯度压缩算法

联邦学习通过聚合客户端训练的模型, 保证数据留在客户端本地, 从而保护用户隐私. 由于参与训练的设备数目庞大, 存在数据非独立同分布和通信带宽受限的情况. 因此, 降低通信成本是联邦学习的重要研究方向. 梯度压缩是提升联邦学习通信效率的有效方法, 然而目前常用的梯度压缩方法大多针对独立同分布的数据, 未考虑联邦学习的特性. 针对数据非独立同分布的联邦场景, 本文提出了基于投影的稀疏三元压缩算法, 通过在客户端和服务端进行梯度压缩, 降低通信成本, 并在服务端采用梯度投影的聚合策略以缓解客户端数据非独立同分布导致的不利影响. 实验结果表明, 本文提出的算法不仅提升了通信效率, 而且在收敛速度和准确率上均优于现有的梯度压缩算法.     

Challenges and future directions of secure federated learning: a survey

Federated learning came into being with the increasing concern of privacy security, as people’s sensitive information is being exposed under the era of big data. It is an algorithm that does not collect users’ raw data, but aggregates model parameters from each client and therefore protects user’s privacy. Nonetheless, due to the inherent distributed nature of federated learning, it is more vulnerable under attacks since users may upload malicious data to break down the federated learning server. In addition, some recent studies have shown that attackers can recover information merely from parameters. Hence, there is still lots of room to improve the current federated learning frameworks. In this survey, we give a brief review of the state-of-the-art federated learning techniques and detailedly discuss the improvement of federated learning. Several open issues and existing solutions in federated learning are discussed. We also point out the future research directions of federated learning.     

面向用户的支持用户掉线的联邦学习数据隐私保护方法

联邦学习是解决多组织协同训练问题的一种有效手段,但是现有的联邦学习存在不支持用户掉线、模型API泄露敏感信息等问题。文章提出一种面向用户的支持用户掉线的联邦学习数据隐私保护方法,可以在用户掉线和保护的模型参数下训练出一个差分隐私扰动模型。该方法利用联邦学习框架设计了基于深度学习的数据隐私保护模型,主要包含两个执行协议:服务器和用户执行协议。用户在本地训练一个深度模型,在本地模型参数上添加差分隐私扰动,在聚合的参数上添加掉线用户的噪声和,使得联邦学习过程满足(ε,δ)-差分隐私。实验表明,当用户数为50、ε=1时,可以在模型隐私性与可用性之间达到平衡。     

一种面向电能量数据的联邦学习可靠性激励机制

联邦学习解决了数据安全日益受到重视条件下的数据互用难题,但是传统联邦学习缺少鼓励和吸引数据拥有方参与到联邦学习中的激励机制,联邦学习审核机制的缺失给恶意节点进行破坏攻击提供了可能性.针对这个问题,文中提出基于区块链技术的面向电能量数据的可靠的联邦学习激励机制.该方法从对数据参与方的训练参与进行奖励和对数据参与方的数据可...     

基于宽度网络架构的单模型主导联邦学习

联邦学习是一种分布式机器学习方法,它将数据保留在本地,仅将计算结果上传到客户端,从而提高了模型传递与聚合的效率和安全性.然而,联邦学习面临的一个重要挑战是,上传的模型大小日益增加,大量参数多次迭代,给通信能力不足的小型设备带来了困难.因此在本文中,客户端和服务器被设置为仅一次的互相通信机会.联邦学习中的另一个挑战是,客户端之间的数据规模并不相同.在不平衡数据场景下,服务器的模型聚合将变得低效.为了解决这些问题,本文提出了一个仅需一轮通信的轻量级联邦学习框架,在联邦宽度学习中设计了一种聚合策略算法,即FBL-LD.算法在单轮通信中收集可靠的模型并选出主导模型,通过验证集合理地调整其他模型的参与权重来泛化联邦模型. FBL-LD利用有限的通信资源保持了高效的聚合.实验结果表明, FBL-LD相比同类联邦宽度学习算法具有更小的开销和更高的精度,并且对不平衡数据问题具有鲁棒性.     

移动边缘计算环境中面向机器学习的计算迁移策略

针对物联网（IoT）数据源的多样化、数据的非独立同分布性、边缘设备计算能力和能耗的异构性,提出一种集中学习和联邦学习共存的移动边缘计算（MEC）网络计算迁移策略。首先,建立与集中学习、联邦学习都关联的计算迁移系统模型,考虑了集中学习、联邦学习模型产生的网络传输延迟、计算延迟以及能耗;然后,以系统平均延迟为优化目标、以能耗和基于机器学习准确率的训练次数为限制条件构建面向机器学习的计算迁移优化模型。接着对所述计算迁移进行了博弈分析,并基于分析结果提出一种能量约束的延迟贪婪（ECDG）算法,通过延迟贪婪决策和能量约束决策更新二阶优化来获取模型的优化解。与集中式贪婪算法和面向联邦学习的客户选择（FedCS）算法相比,ECDG算法的平均学习延迟最低,约为集中式贪婪算法的1/10,为FedCS算法的1/5。实验结果表明,ECDG算法能通过计算迁移自动为数据源选择最优的机器学习模型,从而有效降低机器学习的延迟,提高边缘设备的能效,满足IoT应用的服务质量（QoS）要求。     

基于深度神经网络和联邦学习的网络入侵检测

在高速网络环境中,对复杂多样的网络入侵进行快速准确的检测成为目前亟待解决的问题。联邦学习作为一种新兴技术,在缩短入侵检测时间与提高数据安全性上取得了很好的效果,同时深度神经网络（DNN）在处理海量数据时具有较好的并行计算能力。结合联邦学习框架并将基于自动编码器优化的DNN作为通用模型,建立一种网络入侵检测模型DFC-NID。对初始数据进行符号数据预处理与归一化处理,使用自动编码器技术对DNN实现特征降维,以得到DNN通用模型模块。利用联邦学习特性使得多个参与方使用通用模型参与训练,训练完成后将参数上传至中心服务器并不断迭代更新通用模型,通过Softmax分类器得到最终的分类预测结果。实验结果表明,DFC-NID模型在NSL-KDD与KDDCup99数据集上的准确率平均达到94.1%,与决策树、随机森林等常用入侵检测模型相比,准确率平均提升3.1%,在攻击类DoS与Probe上,DFC-NID的准确率分别达到99.8%与98.7%。此外,相较不使用联邦学习的NO-FC模型,DFC-NID减少了83.9%的训练时间。