In federated learning (FL), a set of participants share updates computed on their local data with an aggregator server that combines updates into a global model. However, reconciling accuracy with privacy and security is a challenge to FL. On the one hand, good updates sent by honest participants may reveal their private local information, whereas poisoned updates sent by malicious participants may compromise the model's availability and/or integrity. On the other hand, enhancing privacy via update distortion damages accuracy, whereas doing so via update aggregation damages security because it does not allow the server to filter out individual poisoned updates. To tackle the accuracy-privacy-security conflict, we propose {\em fragmented federated learning} (FFL), in which participants randomly exchange and mix fragments of their updates before sending them to the server. To achieve privacy, we design a lightweight protocol that allows participants to privately exchange and mix encrypted fragments of their updates so that the server can neither obtain individual updates nor link them to their originators. To achieve security, we design a reputation-based defense tailored for FFL that builds trust in participants and their mixed updates based on the quality of the fragments they exchange and the mixed updates they send. Since the exchanged fragments' parameters keep their original coordinates and attackers can be neutralized, the server can correctly reconstruct a global model from the received mixed updates without accuracy loss. Experiments on four real data sets show that FFL can prevent semi-honest servers from mounting privacy attacks, can effectively counter poisoning attacks and can keep the accuracy of the global model.


翻译:在联谊学习(FL)中,一组参与者分享根据当地数据计算的最新信息,同时使用一个将更新纳入全球模型的聚合器服务器。然而,调和准确性和隐私和安全性是FL面临的一个挑战。一方面,诚实参与者发送的良好更新可能披露其私人本地信息,而恶意参与者发送的有毒更新可能损害模型的可用性和(或)完整性。另一方面,通过更新扭曲性损害准确性来提高隐私,而通过更新总体损害安全来提高隐私,因为服务器不允许过滤有毒的单个更新信息。为了解决准确性-隐私-安全冲突,我们建议使用各自零散的联邦化学习(FFL),参与者在将其更新的碎片随机交换和混合,然后将其发送到服务器。为了实现隐私,我们设计了一个轻度协议,让参与者私下交换和混合其更新更新最新版本,以便服务器既不能获得个人更新信息,也不能将其链接到其发端者。为了安全,我们为FLLL设计了一种以信用为基础的防御系统,从而根据真实性-保密性安全性安全性冲突,我们提议,让参与者们能够根据真实的准确性服务器的准确性交换和混合更新其最新版本。他们从原始的准确性服务器上交换和混合更新。他们收到的系统更新数据,他们能够正确进行。他们从原始的服务器更新。

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