Blockchain-Based Federated Learning With Enhanced Privacy and Security Using Homomorphic Encryption and Reputation

同态加密 计算机科学 计算机安全 声誉 块链 加密 信息隐私 互联网隐私 法学 政治学
作者
Ruizhe Yang,Tonghui Zhao,F. Richard Yu,Meng Li,Dajun Zhang,Xuehui Zhao
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (12): 21674-21688 被引量:22
标识
DOI:10.1109/jiot.2024.3379395
摘要

Federated learning, leveraging distributed data from multiple nodes to train a common model, allows for the use of more data to improve the model while also protecting the privacy of original data. However, challenges still exist in ensuring privacy and security within the interactions. To address these issues, this paper proposes a federated learning approach that incorporates blockchain, homomorphic encryption, and reputation. Using homomorphic encryption, edge nodes possessing local data can complete the training of ciphertext models, with their contributions to the aggregation being evaluated by a reputation mechanism. Both models and reputations are documented and verified on the blockchain through consensus process, which then determines the rewards based on the incentive mechanism. This approach not only incentivizes participation in training, but also ensures the privacy of data and models through encryption. Additionally, it addresses security risks associated with both data and network attacks, ultimately leading to a highly accurate trained model. To enhance the efficiency of learning and the performance of the model, a joint adaptive aggregation and resource optimization algorithm is introduced. Finally, simulations and analyses demonstrate that the proposed scheme enhances learning accuracy while maintaining privacy and security.
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