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An Optimized Sparse Response Mechanism for Differentially Private Federated Learning

MNIST数据库 计算机科学 趋同(经济学) 信息隐私 私人信息检索 信息敏感性 收敛速度 数据建模 人工智能 机器学习 数据挖掘 深度学习 计算机安全 数据库 钥匙(锁) 经济 经济增长
作者
Jiating Ma,Yipeng Zhou,Laizhong Cui,Song Guo
出处
期刊:IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing [IEEE Computer Society]
卷期号:21 (4): 2285-2295 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tdsc.2023.3302864
摘要

Federated Learning (FL) enables geo-distributed clients to collaboratively train a learning model without exposing their private data. By only exposing local model parameters, FL well preserves data privacy of clients. Yet, it remains possible to recover raw samples from over frequently exposed parameters resulting in privacy leakage. Differentially private federated learning (DPFL) has recently been suggested to protect these parameters by introducing information noises. In this way, even if attackers get these parameters, they cannot exactly infer true parameters from these noisy information. Directly incorporating Differentially Private (DP) into FL however can severely affect model utility. In this paper, we present an optimized sparse response mechanism (OSRM) that seamlessly incorporates DP into FL to diminish privacy budget consumption and improve model accuracy. Through OSRM, each FL client only exposes a selected set of large gradients, so as not to waste privacy budgets in protecting valueless gradients. We theoretically derive the convergence rate of DPFL with OSRM under non-convex loss. Then, OSRM is optimized by minimizing the loss of the convergence rate. Based on analysis, we present an effective algorithm for optimizing OSRM. Extensive experiments are conducted with public datasets, including MNIST, Fashion-MNIST and CIFAR-10. The results suggest that OSRM can achieve the average improvement of accuracy by 18.42% as compared to state-of-the-art baselines with a fixed privacy budget.
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