FedComm: A Privacy-Enhanced and Efficient Authentication Protocol for Federated Learning in Vehicular Ad-Hoc Networks

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作者
Xiaohan Yuan,Jiqiang Liu,Bin Wang,Wei Wang,Bin Wang,Tao Li,Xiaobo Ma,Witold Pedrycz
出处
期刊:IEEE Transactions on Information Forensics and Security [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:19: 777-792 被引量:55
标识
DOI:10.1109/tifs.2023.3324747
摘要

In vehicular ad-hoc networks (VANET), federated learning enables vehicles to collaboratively train a global model for intelligent transportation without sharing their local data. However, due to dynamic network structure and unreliable wireless communication of VANET, various potential risks (e.g., identity privacy leakage, data privacy inference, model integrity compromise, and data manipulation) undermine the trustworthiness of intermediate model parameters necessary for building the global model. While existing cryptography techniques and differential privacy provide provable security paradigms, the practicality of secure federated learning in VANET is hindered in terms of training efficiency and model performance. Therefore, developing a secure and efficient federated learning in VANET remains a challenge. In this work, we propose a privacy-enhanced and efficient authentication protocol for federated learning in VANET, called FedComm. Unlike existing solutions, FedComm addresses the above challenge through user anonymity. First, FedComm enables vehicles to participate in training with unlinkable pseudonyms, ensuring both privacy preservation and efficient collaboration. Second, FedComm incorporates an efficient authentication protocol to guarantee the authenticity and integrity of model parameters originated from anonymous vehicles. Finally, FedComm accurately identifies and completely eliminates malicious vehicles in anonymous communication. Security analysis and verification with ProVerif demonstrate that FedComm enhances privacy and reliability of intermediate model parameters. Experimental results show that FedComm reduces the overhead of proof generation and verification by 67.38% and 67.39%, respectively, compared with the state-of-the-art authentication protocols used in federated learning.
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