Federated learning (FL) has emerged as a privacy solution for collaborative distributed learning where clients train AI models directly on their devices instead of sharing their data with a centralized (potentially adversarial) server. Although FL preserves local data privacy to some extent, it has been shown that information about clients' data can still be inferred from model updates. In recent years, various privacy-preserving schemes have been developed to address this privacy leakage. However, they often provide privacy at the expense of model performance or system efficiency, and balancing these tradeoffs is a crucial challenge when implementing FL schemes. In this manuscript, we propose a Privacy-Preserving Federated Learning (PPFL) framework built on the synergy of matrix encryption and system immersion tools from control theory. The idea is to immerse the learning algorithm, a Stochastic Gradient Decent (SGD), into a higher-dimensional system (the so-called target system) and design the dynamics of the target system so that: the trajectories of the original SGD are immersed/embedded in its trajectories, and it learns on encrypted data (here we use random matrix encryption). Matrix encryption is reformulated at the server as a random change of coordinates that maps original parameters to a higher-dimensional parameter space and enforces that the target SGD converges to an encrypted version of the original SGD optimal solution. The server decrypts the aggregated model using the left inverse of the immersion map. We show that our algorithm provides the same level of accuracy and convergence rate as the standard FL with a negligible computation cost while revealing no information about the clients' data.


翻译:联邦学习(FL)已经成为合作分布式学习的一种隐私解决方案,客户直接在设备上培训AI模型,而不是与中央(潜在对抗性)服务器共享数据。虽然FL在某种程度上保留了本地数据隐私,但已经表明,关于客户数据的信息仍然可以从模型更新中推断出来。近年来,已经制定了各种隐私保护计划,以解决隐私渗漏问题。然而,它们往往以模型性能或系统效率为代价提供隐私,平衡这些取舍是实施FL计划时的一个关键挑战。在本手稿中,我们提议在矩阵加密和系统浸透工具的协同作用上建立隐私-保护联邦学习(PPFLL)框架,从控制理论中可以在一定程度上保护本地数据隐私隐私隐私隐私隐私隐私隐私隐私隐私隐私。我们的想法是将学习算法(Stochacastic Greatical Regain Reformal Regal)的信息信息信息信息引入更高的系统(所谓的目标系统),并设计目标系统的动态,以便:原始SGDD的地图轨迹没有被浸透/嵌,而我们用原始的离层服务器的精确的精确的轨迹坐标坐标将显示Smlexregilal comlation 的校正的校正的校正的校正的校正数据,我们使用了Smlexldal 的校正的校正的校正的校正。

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