傳統的無監督多源域適應（Multi-source Unsupervised Domain Adaptation）方法假設所有源域數據都可以直接訪問。然而，隱私保護政策要求所有數據和計算都必須在本地進行，這對域適應方法提出了三個挑戰：首先，最小化域間距離需獲取源域和目標域的數據并進行成對計算，而在隱私保護要求下，源域數據本地存儲、不可訪問。其次，通信成本和隱私安全限制了現有域適應方法的應用。最后，由于無法鑒別源域數據質量，更易出現不相關或惡意的源域，從而導致負遷移。為解決上述問題，我們提出一種滿足隱私保護要求的去中心化無監督域適應范式，稱為基于知識蒸餾的去中心化域適應（KD3A），通過對來自多個源域的模型進行知識蒸餾來構建可遷移的共識知識。大量實驗表明，KD3A顯著優于其他域適應方法。此外，與其他去中心化的域適應方法相比，KD3A 對負遷移具有魯棒性，并可將通信成本降低100倍。
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摘要：針對隱私保護的法律法規相繼出臺，數據孤島現象已成為阻礙大數據和人工智能技術發展的主要瓶頸。聯邦學習作為隱私計算的重要技術被廣泛關注。從聯邦學習的歷史發展、概念、架構分類角度，闡述了聯邦學習的技術優勢，同時分析了聯邦學習系統的各種攻擊方式及其分類，討論了不同聯邦學習加密算法的差異。總結了聯邦學習隱私保護和安全機制領域的研究，并提出了挑戰和展望。
//www.infocomm-journal.com/bdr/CN/10.11959/j.issn.2096-0271.2021030
關鍵詞：聯邦學習 ; 聯邦學習系統攻擊 ; 隱私保護 ; 加密算法
論文引用格式：
王健宗, 孔令煒, 黃章成, 等. 聯邦學習隱私保護研究進展[J]. 大數據, 2021, 7(3): 130-149.
WANG J Z, KONG L W, HUANG Z C, et al. Research advances on privacy protection of federated learning[J]. Big Data Research, 2021, 7(3): 130-149.
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1 引言
大數據、人工智能和云產業等的爆發式發展，一方面為傳統行業帶來升級變革的新機遇，另一方面也給數據和網絡安全帶來了新挑戰。不同行業的公司會收集大量的數據信息，同一企業下不同層級的部門也會收集不同的信息，由于行業間的競爭和壟斷，以及同一企業下不同系統和業務的閉塞性與阻隔性，很難實現數據信息的交流與整合。當不同的企業之間，以及同一企業下屬不同部門之間需要合作進行聯合建模時，將面臨跨越重重數據壁壘的考驗。這類挑戰也被稱為數據孤島問題。
早期的分布式計算試圖通過整合不同來源的數據進行分布式的建模，從而解決這類數據孤島問題。分布式建模將具有龐大計算量的任務部署到多臺機器上，提升了計算效率，減少了任務耗能。但是分布式機器學習依舊存在問題，重量級的分布式系統架構通常會產生巨大的溝通成本，影響數據的傳輸和處理效率。隨著人工智能技術的進一步發展和更廣泛的應用，數據隱私敏感性問題日益被重視。大規模的數據傳輸不可避免地會涉及隱私泄露問題，對于異構數據的聯合訓練和隱私安全問題，依然沒有找到一個令人滿意的解決方案。
聯邦學習（federated learning，FL）給上述難題提供了解決方案。聯邦學習是由谷歌公司在2016年率先提出的概念，該技術在數據不共享的情況下完成聯合建模共享模型。具體來講，各個數據持有方（個人/企業/機構）的自有數據不出本地，通過聯邦系統中加密機制下的模型參數交換方式（即在不違反數據隱私法規的情況下），聯合建立一個全局的共享模型，建好的模型為所有參與方共享使用。相對于分布式計算，聯邦學習有更多的優勢，例如在隱私保護領域，聯邦學習從算法層面上設計并考慮了客戶端間傳輸信息的加密。本文主要從隱私保護和安全加密的角度，對聯邦學習進行系統綜述。
本文的主要貢獻如下。
● 本文對聯邦學習的歷史進行了詳細的敘述，從安全隱私的分布式學習發展到現在的聯邦學習系統，總結了聯邦學習發展的歷程。
● 本文從新的角度闡述了聯邦學習的類型。與傳統方式不同，本文從面向企業（to business，ToB）和面向客戶（to customer，ToC）的應用場景的區別出發，分析了聯邦學習的不同。
● 詳細地從聯邦學習攻擊的角度分析聯邦系統面臨的各種可能的攻擊手段，并系統地將聯邦學習的攻擊手段進行了分類總結。
● 聯邦學習的加密機制在一定程度上可以抵御一些聯邦學習攻擊，或者大大增加攻擊的難度。本文從加密算法的角度詳細討論了聯邦學習的加密機制。
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傳統的無監督多源域適應（Domain Adaptation）方法假設所有源域都可以直接訪問。然而，該假設忽略了隱私保護政策，即所有數據和計算都必須在本地進行。在隱私保護要求下進行域適應存在三個挑戰：首先，最小化域間距離需獲取源域和目標域的數據并進行成對計算，而源域數據本地存儲，不可訪問。其次，通信成本和隱私安全限制了現有域適應方法的應用，例如域對抗訓練。最后，由于無法鑒別源域數據質量，更易出現不相關或惡意的源域，從而導致負遷移。為解決上述問題，我們提出一種滿足隱私保護要求的去中心化無監督域適應范式，稱為基于知識蒸餾的去中心化域適應（KD3A），通過對來自多個源域的模型進行知識蒸餾來進行知識遷移。大量實驗表明，KD3A顯著優于其他前沿域適應方法。此外，與其他去中心化的域適應方法相比，KD3A 對負遷移具有魯棒性，并可將通信成本降低100倍。
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聯邦學習(federal Learning, FL)是一種去中心化的機器學習范式，其中全局服務器迭代地聚合本地用戶的模型參數，而不訪問他們的數據。用戶異質性給FL帶來了重大挑戰，這可能導致漂移的全局模型收斂緩慢。為了解決這個問題，最近出現了知識蒸餾(Knowledge Distillation)，它使用來自異構用戶的聚合知識來精煉服務器模型，而不是直接聚合他們的模型參數。然而，這種方法依賴于代理數據集，因此除非滿足這些前提條件，否則是不切實際的。此外，沒有充分利用集成知識來指導局部模型學習，這可能會影響聚合模型的質量。在這項工作中，我們提出了一種無數據的知識蒸餾方法來解決異構的FL，其中服務器學習一個輕量級的生成器以無數據的方式集成用戶信息，然后將這些信息廣播給用戶，使用學習到的知識作為歸納偏差來調節本地訓練。理論支持的實證研究表明，與現狀相比，我們的方法使用更少的通信輪次，使FL具有更好的泛化性能。
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經典機器學習算法假設訓練數據和測試數據具有相同的輸入特征空間和相同的數據分布。在諸多現實問題中，這一假設往往不能滿足，導致經典機器學習算法失效。領域自適應是一種新的學習范式，其關鍵技術在于通過學習新的特征表達來對齊源域和目標域的數據分布，使得在有標簽源域訓練的模型可以直接遷移到沒有標簽的目標域上，同時不會引起性能的明顯損失。本文介紹領域自適應的定義，分類和代表性算法，重點討論基于度量學習的領域自適應算法和基于對抗學習的領域自適應算法。最后，分析領域自適應的典型應用和存在挑戰，明確領域自適應的發展趨勢，并提出未來可能的研究方向。
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隨著數據越來越多地存儲在不同的筒倉中，社會越來越關注數據隱私問題，傳統的人工智能(AI)模型集中訓練正面臨效率和隱私方面的挑戰。最近，聯邦學習(FL)作為一種替代解決方案出現，并在這種新的現實中繼續蓬勃發展。現有的FL協議設計已經被證明對系統內外的對抗是脆弱的，危及數據隱私和系統的魯棒性。除了訓練強大的全局模型外，最重要的是設計具有隱私保障和抵抗不同類型對手的FL系統。在本文中，我們對這一問題進行了第一次全面的綜述。通過對FL概念的簡明介紹，和一個獨特的分類涵蓋:1) 威脅模型; 2) 中毒攻擊與魯棒性防御; 3) 對隱私的推理攻擊和防御，我們提供了這一重要主題的可訪問的回顧。我們強調了各種攻擊和防御所采用的直覺、關鍵技術和基本假設。最后，我們對魯棒性和隱私保護聯合學習的未來研究方向進行了討論。
//www.zhuanzhi.ai/paper/678e6e386bbefa8076e699ebd9fd8c2a
引言
隨著計算設備變得越來越普遍，人們在日常使用中產生了大量的數據。將這樣的數據收集到集中的存儲設施中既昂貴又耗時。傳統的集中式機器學習(ML)方法不能支持這種普遍存在的部署和應用，這是由于基礎設施的缺點，如有限的通信帶寬、間歇性的網絡連接和嚴格的延遲約束[1]。另一個關鍵問題是數據隱私和用戶機密性，因為使用數據通常包含敏感信息[2]。面部圖像、基于位置的服務或健康信息等敏感數據可用于有針對性的社交廣告和推薦，造成即時或潛在的隱私風險。因此，私人數據不應該在沒有任何隱私考慮的情況下直接共享。隨著社會對隱私保護意識的增強，《通用數據保護條例》(GDPR)等法律限制正在出現，這使得數據聚合實踐變得不那么可行。
在這種情況下，聯邦學習(FL)(也被稱為協作學習)將模型訓練分發到數據來源的設備上，作為一種有前景的ML范式[4]出現了。FL使多個參與者能夠構建一個聯合ML模型，而不暴露他們的私人訓練數據[4]，[5]。它還可以處理不平衡、非獨立和同分布(非i.i.d)數據，這些數據自然出現在真實的[6]世界中。近年來，FL獲得了廣泛的應用，如下一個單詞預測[6]、[7]、安全視覺目標檢測[8]、實體解析[9]等。
根據參與者之間數據特征和數據樣本的分布，聯邦學習一般可以分為水平聯邦學習(HFL)、垂直聯邦學習(VFL)和聯邦遷移學習(FTL)[10]。
具有同構體系結構的FL: 共享模型更新通常僅限于同構的FL體系結構，也就是說，相同的模型被所有參與者共享。參與者的目標是共同學習一個更準確的模型。具有異構架構的FL: 最近的努力擴展了FL，以協同訓練具有異構架構的模型[15]，[16]。
FL提供了一個關注隱私的模型訓練的范式，它不需要數據共享，并且允許參與者自由地加入和離開聯盟。然而，最近的研究表明，FL可能并不總是提供足夠的隱私和健壯性保證。現有的FL協議設計容易受到以下攻擊: (1)惡意服務器試圖從個人更新中推斷敏感信息，篡改訓練過程或控制參與者對全局參數的看法;或者(2)一個敵對的參與者推斷其他參與者的敏感信息，篡改全局參數聚合或破壞全局模型。
在隱私泄露方面，在整個訓練過程中，通信模型的更新會泄露敏感信息[18]、[19]，并導致深度泄露[20]，無論是對第三方服務器還是中央服務器[7]、[21]。例如，如[22]所示，即使是很小一部分的梯度也可以揭示相當數量的有關本地數據的敏感信息。最近的研究表明，通過簡單地觀察梯度，惡意攻擊者可以在[20]，[23]幾次迭代內竊取訓練數據。
在魯棒性方面，FL系統容易受到[24]、[25]和[26]、[27]、[28]、[29]的模型中毒攻擊。惡意參與者可以攻擊全局模型的收斂性，或者通過故意改變其本地數據(數據中毒)或梯度上傳(模型中毒)將后門觸發器植入全局模型。模型投毒攻擊可以進一步分為:(1)Byzantine 攻擊，攻擊者的目標是破壞全局模型[13]、[30]的收斂性和性能;(2)后門攻擊，對手的目標是在全局模型中植入一個后門觸發器，以欺騙模型不斷預測子任務上的敵對類，同時在主要任務[26]，[27]上保持良好的性能。需要注意的是，后門模型投毒攻擊通常利用數據投毒來獲取有毒的參數更新[24]、[26]、[27]。
這些隱私和魯棒性攻擊對FL構成了重大威脅。在集中學習中，服務器控制參與者的隱私和模型魯棒性。然而，在FL中，任何參與者都可以攻擊服務器并監視其他參與者，有時甚至不涉及服務器。因此，理解這些隱私性和健壯性攻擊背后的原理是很重要的。
目前對FL的研究主要集中在系統/協議設計[10]、[31]、[32]。聯邦學習的隱私和穩健性威脅還沒有得到很好的探討。在本文中，我們調研了FL的隱私和魯棒性威脅及其防御方面的最新進展。特別地，我們關注由FL系統內部者發起的兩種特定威脅:1) 試圖阻止學習全局模型的中毒攻擊，或控制全局模型行為的植入觸發器;2) 試圖泄露其他參與者隱私信息的推理攻擊。表2總結了這些攻擊的特性。
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聯邦學習
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聯邦學習是一種新型的分布式學習框架，它允許在多個參與者之間共享訓練數據而不會泄露其數據隱私。但是這種新穎的學習機制仍然可能受到來自各種攻擊者的前所未有的安全和隱私威脅。本文主要探討聯邦學習在安全和隱私方面面臨的挑戰。首先，本文介紹了聯邦學習的基本概念和威脅模型，有助于理解其面臨的攻擊。其次，本文總結了由內部惡意實體發起的3種攻擊類型，同時分析了聯邦學習體系結構的安全漏洞和隱私漏洞。然后從差分隱私、同態密碼系統和安全多方聚合等方面研究了目前最先進的防御方案。最后通過對這些解決方案的總結和比較，進一步討論了該領域未來的發展方向。
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領域適應(DA)提供了重用數據和模型用于新問題領域的有價值的方法。然而，對于具有不同數據可用性的時間序列數據，還沒有考慮到健壯的技術。在本文中，我們做出了三個主要貢獻來填補這一空白。我們提出了一種新的時間序列數據卷積深度域自適應模型(CoDATS)，該模型在現實傳感器數據基準上顯著提高了最先進的DA策略的準確性和訓練時間。通過利用來自多個源域的數據，我們增加了CoDATS的有用性，從而進一步提高了與以前的單源方法相比的準確性，特別是在域之間具有高度可變性的復雜時間序列數據集上。其次，我們提出了一種新的弱監督域自適應(DA-WS)方法，利用目標域標簽分布形式的弱監督，這可能比其他數據標簽更容易收集。第三，我們對不同的真實數據集進行了綜合實驗，以評估我們的域適應和弱監督方法的有效性。結果表明，用于單源DA的CoDATS比最先進的方法有了顯著的改進，并且我們使用來自多個源域和弱監督信號的數據實現了額外的準確性改進。
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