论文阅读:LDP-FL: Practical Private Aggregation in Federated Learning with Local Differential Privacy

论文名字

LDP-FL: Practical Private Aggregation in Federated Learning with Local Differential Privacy

来源

期刊 arXiv:2007.15789v1 预印本。审查中。

年份

2020.7

作者

Lichao Sun, Jianwei Qian, Xun Chen, Philip S. Yu

核心点

提出一种新型的本地差分隐私方法

阅读日期

2020.12.2

影响因子

 

页数

13

引用数

 

引用

Sun L , Qian J , Chen X , et al. LDP-FL: Practical Private Aggregation in Federated Learning with Local Differential Privacy[J]. 2020.

内容总结

文章主要解决的问题及解决方案:

先前的联邦学习与隐私保护不能解决的三大问题:①噪声接近原始数据,增加信息泄漏的风险;②估计的平均值会引入较大的方差,从而导致较差的精度;③由于深度学习模型中权重的高维数,隐私预算爆炸。

 

文章的主要工作:

①提出了Locally Differential Private Federated Learning (LDP-FL),一种新型的本地差分隐私方法,如图1所示。

论文阅读:LDP-FL: Practical Private Aggregation in Federated Learning with Local Differential Privacy_第1张图片

②本文的主要贡献:1)是增加噪声的扰动数据与原始数据区别更大。2)对客户端的权重使用分割和打乱是为了减轻由高数据维度和多次查询迭代引起的隐私退化。3)证明了提出的方法对平均计算引入较少的方差。

③所提算法步骤(参考附录算法1伪代码):1)输入:n是本地客户端的数量,B是本地的mini-batch的大小,E是本地epochs的大小,γ是学习率;2)初始化权重W0;3)对于每次循环(r=1,2,…),循环内容:在第r次通信中,云服务器随机选取nrnr≤n),收集客户端所有权重W(clientsWt,nr),用id取局部模型各权重的平均值,重新更新wr+1;4)把更新后的权重wr+1发送给客户端;5)对于每一个本地客户端,用云服务器发送的权重W更新本地的权重,对于每个本地epoch训练数据并计算权重;6)给权重加上扰动;7)将权重分离并打乱;8)将打乱后的权重发送给云服务器。

④数据分离并打乱(如图2所示):主要目的是增强数据保护,相比于传统的机器学习,深度学习需要更多通信和权重才能使得性能更高,而导致在传统的联邦学习中会发送更多的隐私泄露。对于每个权重通过客户端将它们匿名打乱,并将每个权重及其id发送到云,其中id指的是权重值在网络结构中的位置。(数据分离与打乱的算法流程参考附录算法3伪代码)

论文阅读:LDP-FL: Practical Private Aggregation in Federated Learning with Local Differential Privacy_第2张图片

⑤增加数据扰动部分:

数据增加扰动部分如下式所示,

p*=Mp=c+reε+1eε-1 with probabilityp-ceε-1+r(eε+1)2r(eϵ+1),c-reε+1eε-1with probability-p-ceε-1+r(eε+1)2r(eϵ+1)论文阅读:LDP-FL: Practical Private Aggregation in Federated Learning with Local Differential Privacy_第3张图片

式中,p为模型权重w的子集,pw,假设p∈[c-r,c+r],c为p的中心,r为范围半径,c、r的取值取决于权重w的范围,将p带入上式,输出的p*为两个离散值,当p的概率大的时候,Mp论文阅读:LDP-FL: Practical Private Aggregation in Federated Learning with Local Differential Privacy_第4张图片c+reε+1eε-1的概率大,当p的概率小的时候,Mpc+reε+1eε-1的概率小。其中reε+1eε-1相当于增加了噪声,这样处理后,所有权重只有两个取值,而我们无法根据权重推测原数据,但这会带来另外的结果,模型训练缓慢或者模型不收敛,故对于ε的取值要慎重。

 

文章内容:

实验结果:

附录:

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论文阅读:LDP-FL: Practical Private Aggregation in Federated Learning with Local Differential Privacy_第6张图片

 

 

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