With the advance of machine learning and the internet of things (IoT), security and privacy have become key concerns in mobile services and networks. Transferring data to a central unit violates privacy as well as protection of sensitive data while increasing bandwidth demands.Federated learning mitigates this need to transfer local data by sharing model updates only. However, data leakage still remains an issue. In this paper, we propose xMK-CKKS, a multi-key homomorphic encryption protocol to design a novel privacy-preserving federated learning scheme. In this scheme, model updates are encrypted via an aggregated public key before sharing with a server for aggregation. For decryption, collaboration between all participating devices is required. This scheme prevents privacy leakage from publicly shared information in federated learning, and is robust to collusion between $k<N-1$ participating devices and the server. Our experimental evaluation demonstrates that the scheme preserves model accuracy against traditional federated learning as well as secure federated learning with homomorphic encryption (MK-CKKS, Paillier) and reduces computational cost compared to Paillier based federated learning. The average energy consumption is 2.4 Watts, so that it is suited to IoT scenarios.


翻译:随着机器学习的推进和事物的互联网(IoT),安全和隐私已成为移动服务和网络中的主要关切问题。将数据转移到中央单位违反了隐私以及保护敏感数据,同时增加了带宽需求。联邦学习通过共享模型更新来缓解了传输本地数据的必要性。然而,数据泄漏仍然是一个问题。在本文件中,我们提出xMK-CKKS,这是一个多功能同质加密协议,用于设计新的隐私保护联合学习计划。在这个计划中,模型更新通过综合公用钥匙加密,然后与聚合服务器共享。在解密方面,需要所有参与设备之间的合作。这个计划防止隐私泄漏,通过在联合学习中公开共享信息,并且能够有力地在 $k<N-1$参与设备与服务器之间进行协作。我们的实验性评估表明,这个计划保持了模型的准确性,与传统的节制加密(MK-CKKKS,Paillierer)学习安全化的联邦化学习计划(MKKKKKS,Paillier),并降低了计算成本。平均能源消耗量为2.4瓦特。

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