GossipFL: A Decentralized Federated Learning Framework With Sparsified and Adaptive Communication

计算机科学 瓶颈 分布式计算 八卦 趋同(经济学) 八卦协议 带宽(计算) 算法 理论计算机科学 人工智能 机器学习 计算机网络 可扩展性 社会心理学 数据库 经济增长 嵌入式系统 经济 心理学
作者
Zhenheng Tang,Shaohuai Shi,Bo Li,Xiaowen Chu
出处
期刊:IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:34 (3): 909-922 被引量:62
标识
DOI:10.1109/tpds.2022.3230938
摘要

Recently, federated learning (FL) techniques have enabled multiple users to train machine learning models collaboratively without data sharing. However, existing FL algorithms suffer from the communication bottleneck due to network bandwidth pressure and/or low bandwidth utilization of the participating clients in both centralized and decentralized architectures. To deal with the communication problem while preserving the convergence performance, we introduce a communication-efficient decentralized FL framework GossipFL. In GossipFL, we 1) design a novel sparsification algorithm to enable that each client only needs to communicate with one peer with a highly sparsified model, and 2) propose a new and novel gossip matrix generation algorithm that can better utilize the bandwidth resources while preserving the convergence property. We also theoretically prove that GossipFL has convergence guarantees. We conduct experiments with three convolutional neural networks on two datasets (IID and non-IID) under two distributed environments (14 clients and 100 clients) to verify the effectiveness of GossipFL. Experimental results show that GossipFL takes less communication traffic for 38.5% and less communication time for $49.8$ % than state-of-the-art solutions while achieving comparative model accuracy.
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