Secure aggregation is widely used in horizontal Federated Learning (FL), to prevent leakage of training data when model updates from data owners are aggregated. Secure aggregation protocols based on Homomorphic Encryption (HE) have been utilized in industrial cross-silo FL systems, one of the settings involved with privacy-sensitive organizations such as financial or medical, presenting more stringent requirements on privacy security. However, existing HE-based solutions have limitations in efficiency and security guarantees against colluding adversaries without a Trust Third Party. This paper proposes an efficient Doubly Homomorphic Secure Aggregation (DHSA) scheme for cross-silo FL, which utilizes multi-key Homomorphic Encryption (MKHE) and seed homomorphic pseudorandom generator (SHPRG) as cryptographic primitives. The application of MKHE provides strong security guarantees against up to $N-2$ participates colluding with the aggregator, with no TTP required. To mitigate the large computation and communication cost of MKHE, we leverage the homomorphic property of SHPRG to replace the majority of MKHE computation by computationally-friendly mask generation from SHPRG, while preserving the security. Overall, the resulting scheme satisfies the stringent security requirements of typical cross-silo FL scenarios, at the same time providing high computation and communication efficiency for practical usage. We experimentally demonstrate our scheme brings a speedup to 20$\times$ over the state-of-the-art HE-based secure aggregation, and reduces the traffic volume to approximately 1.5$\times$ inflation over the plain learning setting.


翻译:在横向联邦学习(FL)中广泛使用安全聚合,以防止在数据所有者的模型更新汇总时出现培训数据渗漏;在工业跨SIlo FL系统中,使用基于HE的基于单调加密的安全聚合协议,这是财务或医疗等对隐私敏感组织的一种环境,对隐私安全提出了更严格的要求;然而,基于HE的现有解决方案在效率和安全保障方面受到限制,无法在没有信任第三方的情况下防止相互勾结的对手串通;本文件提议对跨SIlo FL采用高效的多调式安全聚合(DHA)计划,利用多调制加密(MKHE)和原始单调假冒生成器(SHPRG)作为加密原始系统;应用MHEHE提供对高达2美元的有力安全保障;但无需TTP参与与聚合器合作;为了降低MKHEHE的大量实际计算和通信费用,我们利用SHPRG的同质资产来取代MKHHE的多数计算方法,通过对平调的平调平流速度进行计算,从SHPRG到高压的快速计算,同时从SHERM-deal-deal-deal-deal-deal-deal-deal-deal-de the sal-deal-deal-deal-delegal-deal-deleg-deal-deal-de the sal-deal-deal-legal commal-de commal commal-de salmal-de sal-de sal-de sal-legal-de sal-deal-de laction-de lactional-de sal-de sal-lemental-de sal-de sal-de sal-de sal-de sal-heal-deal-deal-de sal-deal-deal-deal-deal-deal-de sal-lectional-deal-deal-deal-deal-de laction sal-heal-laction-de sal-deal-heal-de sal-deal-deal-deal-deal-deal-deal-deal-deal-lemental-deal-heal-

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