Robust Blockchained Federated Learning with Model Validation and Proof-of-Stake Inspired Consensus

概念证明 计算机科学 联合学习 协商一致会议 人工智能 图书馆学 操作系统
作者
Hang Chen,Syed Ali Asif,Jihong Park,Chien-Chung Shen,Mehdi Bennis
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:31
标识
DOI:10.48550/arxiv.2101.03300
摘要

Federated learning (FL) is a promising distributed learning solution that only exchanges model parameters without revealing raw data. However, the centralized architecture of FL is vulnerable to the single point of failure. In addition, FL does not examine the legitimacy of local models, so even a small fraction of malicious devices can disrupt global training. To resolve these robustness issues of FL, in this paper, we propose a blockchain-based decentralized FL framework, termed VBFL, by exploiting two mechanisms in a blockchained architecture. First, we introduced a novel decentralized validation mechanism such that the legitimacy of local model updates is examined by individual validators. Second, we designed a dedicated proof-of-stake consensus mechanism where stake is more frequently rewarded to honest devices, which protects the legitimate local model updates by increasing their chances of dictating the blocks appended to the blockchain. Together, these solutions promote more federation within legitimate devices, enabling robust FL. Our emulation results of the MNIST classification corroborate that with 15% of malicious devices, VBFL achieves 87% accuracy, which is 7.4x higher than Vanilla FL.
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