Federated Learning (FL) is a paradigm for large-scale distributed learning which faces two key challenges: (i) efficient training from highly heterogeneous user data, and (ii) protecting the privacy of participating users. In this work, we propose a novel FL approach (DP-SCAFFOLD) to tackle these two challenges together by incorporating Differential Privacy (DP) constraints into the popular SCAFFOLD algorithm. We focus on the challenging setting where users communicate with a ''honest-but-curious'' server without any trusted intermediary, which requires to ensure privacy not only towards a third-party with access to the final model but also towards the server who observes all user communications. Using advanced results from DP theory, we establish the convergence of our algorithm for convex and non-convex objectives. Our analysis clearly highlights the privacy-utility trade-off under data heterogeneity, and demonstrates the superiority of DP-SCAFFOLD over the state-of-the-art algorithm DP-FedAvg when the number of local updates and the level of heterogeneity grow. Our numerical results confirm our analysis and show that DP-SCAFFOLD provides significant gains in practice.


翻译:联邦学习(FL)是大规模分布式学习的范例,面临两大挑战:(一) 利用高度多样化的用户数据进行有效培训,以及(二) 保护参与用户的隐私。在这项工作中,我们提出一种新的FL方法(DP-SCAFFOLD),通过将差异隐私(DP)限制纳入广受欢迎的SCAFFFOLD算法,共同应对这两项挑战。我们侧重于一个具有挑战性的环境,即用户在没有任何信任的中间人的情况下与“诚实但有保证”的服务器进行联系,这就要求确保隐私不仅针对能够接触最终模型的第三方,而且针对观察所有用户通信的服务器。我们利用DP理论的先进结果,建立了我们关于 convex和非convex目标的算法的趋同。我们的分析明确突出了数据异质下的隐私-效用交易,并显示了DP-SCAFFOLD在本地更新数量和异质程度增长时的优势。我们的数字结果证实了我们的分析,并表明DP-SAFFOLLOL在实践方面的巨大进展。

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联邦学习(Federated Learning)是一种新兴的人工智能基础技术,在 2016 年由谷歌最先提出,原本用于解决安卓手机终端用户在本地更新模型的问题,其设计目标是在保障大数据交换时的信息安全、保护终端数据和个人数据隐私、保证合法合规的前提下,在多参与方或多计算结点之间开展高效率的机器学习。其中,联邦学习可使用的机器学习算法不局限于神经网络,还包括随机森林等重要算法。联邦学习有望成为下一代人工智能协同算法和协作网络的基础。
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