Privacy-Preserving Byzantine-Robust Federated Learning via Blockchain Systems

计算机科学 同态加密 服务器 联合学习 方案(数学) 块链 上传 Byzantine容错 计算机安全 信息隐私 加密 分布式计算 计算机网络 万维网 容错 数学分析 数学
作者
Yinbin Miao,Ziteng Liu,Hongwei Li,Kim‐Kwang Raymond Choo,Robert H. Deng
出处
期刊:IEEE Transactions on Information Forensics and Security [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:17: 2848-2861 被引量:219
标识
DOI:10.1109/tifs.2022.3196274
摘要

Federated learning enables clients to train a machine learning model jointly without sharing their local data. However, due to the centrality of federated learning framework and the untrustworthiness of clients, traditional federated learning solutions are vulnerable to poisoning attacks from malicious clients and servers. In this paper, we aim to mitigate the impact of the central server and malicious clients by designing a Privacy-preserving Byzantine-robust Federated Learning (PBFL) scheme based on blockchain. Specifically, we use cosine similarity to judge the malicious gradients uploaded by malicious clients. Then, we adopt fully homomorphic encryption to provide secure aggregation. Finally, we use blockchain system to facilitate transparent processes and implementation of regulations. Our formal analysis proves that our scheme achieves convergence and provides privacy protection. Our extensive experiments on different datasets demonstrate that our scheme is robust and efficient. Even if the root dataset is small, our scheme can achieve the same efficiency as FedSGD.
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