Fog computing promises to enable machine learning tasks to scale to large amounts of data by distributing processing across connected devices. Two key challenges to achieving this goal are heterogeneity in devices compute resources and topology constraints on which devices can communicate with each other. We address these challenges by developing the first network-aware distributed learning optimization methodology where devices optimally share local data processing and send their learnt parameters to a server for aggregation at certain time intervals. Unlike traditional federated learning frameworks, our method enables devices to offload their data processing tasks to each other, with these decisions determined through a convex data transfer optimization problem that trades off costs associated with devices processing, offloading, and discarding data points. We analytically characterize the optimal data transfer solution for different fog network topologies, showing for example that the value of offloading is approximately linear in the range of computing costs in the network. Our subsequent experiments on testbed datasets we collect confirm that our algorithms are able to improve network resource utilization substantially without sacrificing the accuracy of the learned model. In these experiments, we also study the effect of network dynamics, quantifying the impact of nodes entering or exiting the network on model learning and resource costs.


翻译:雾化计算法承诺使机器学习任务能够通过在连接设备之间分配处理,将大量数据缩放到大量数据中。 实现这一目标的两大挑战是设备在计算资源方面的差异性以及设备能够相互沟通的地形限制。 我们通过开发第一个网络-意识分布式学习优化方法来应对这些挑战,即设备最优化地分享本地数据处理,并将其学到的参数发送到服务器,以便在某些时间间隔内汇总。 与传统的联邦化学习框架不同,我们的方法使得设备能够通过通过一个连接式数据传输优化问题来卸载其数据处理任务,这些决定通过交换设备处理、卸载和丢弃数据点的相关成本来决定。我们分析了不同烟雾网络地形的最佳数据传输解决方案,例如,显示卸载价值在网络计算成本范围中大约为线性。我们随后在测试式数据集上进行的实验证实,我们的算法能够在不牺牲所学模型的准确性的情况下大幅改进网络资源的利用。 在这些实验中,我们还研究了网络动态的效果,量化了网络不进入或退出网络资源模型对学习成本的影响。

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