“Malicious or Benign?”: Enhancing the Contribution of Model Updates in Byzantine-Robust Heterogeneous Federated Learning

计算机科学 异常检测 一般化 余弦相似度 数据挖掘 功能(生物学) 离群值 服务提供商 投影(关系代数) 联合学习 相似性(几何) 方案(数学) 服务(商务) 推荐系统 数据建模 协同过滤 人工智能 复制品 机器学习 数据聚合器 块(置换群论) 异常(物理) 统计模型 理论计算机科学 资源配置 利用
作者
Yuxing Zhang,Lingling Wang,Meng Li,Keke Gai,Jingjing Wang
出处
期刊:IEEE Transactions on Network Science and Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:13: 6027-6040 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tnse.2026.3654756
摘要

Byzantine-robust Federated Learning (FL) enables service providers to learn an accurate global model, even when some participants may be malicious. Existing Byzantine-robust FL approaches primarily rely on the service provider conducting statistical analysis on clients' model updates, filtering out anomalous ones before aggregation to refine the global model. However, these defenses struggle to distinguish benign outliers from anomalous model updates under Byzantine attacks and heterogeneous settings, thereby harming model generalization ability. To address this issue, we propose a Byzantine-robust aggregation scheme based on hybrid anomaly detection (HadAGG) in heterogeneous FL. Specifically, we introduce a hybrid filtering strategy combining cosine similarity and Shapley values to distinguish between benign, malicious, and anomalous but benign model updates. To effectively identify benign outliers, we propose a Shapley value-based approach by constructing a multi-objective utility function that integrates the loss function and model accuracy to compute the Federated Shapley value, which measures client contributions. To achieve Byzantine-robust aggregation, we correct malicious model updates via gradient projection instead of directly discarding them, and employ a weighted aggregation to ensure that all model updates have a positive effect on model performance. Finally, we perform a theoretical analysis and a comprehensive evaluation for our scheme. Experimental results show that HadAGG outperforms existing state-of-the-art (SOTA) Byzantine-robust aggregation methods under different attack scenarios.
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