Privacy-Preserving Federated Learning in Fog Computing

计算机科学 同态加密 差别隐私 上传 计算机安全 Paillier密码体制 共谋 信息隐私 加密 数据挖掘 密码系统 万维网 混合密码体制 经济 微观经济学
作者
Chunyi Zhou,Anmin Fu,Shui Yu,Wei Yang,Huaqun Wang,Yuqing Zhang
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:7 (11): 10782-10793 被引量:179
标识
DOI:10.1109/jiot.2020.2987958
摘要

Federated learning can combine a large number of scattered user groups and train models collaboratively without uploading data sets, so as to avoid the server collecting user sensitive data. However, the model of federated learning will expose the training set information of users, and the uneven amount of data owned by users in multiple users' scenarios will lead to the inefficiency of training. In this article, we propose a privacy-preserving federated learning scheme in fog computing. Acting as a participant, each fog node is enabled to collect Internet-of-Things (IoT) device data and complete the learning task in our scheme. Such design effectively improves the low training efficiency and model accuracy caused by the uneven distribution of data and the large gap of computing power. We enable IoT device data to satisfy ε -differential privacy to resist data attacks and leverage the combination of blinding and Paillier homomorphic encryption against model attacks, which realize the security aggregation of model parameters. In addition, we formally verified our scheme can not only guarantee both data security and model security but completely resist collusion attacks launched by multiple malicious entities. Our experiments based on the Fashion-MNIST data set prove that our scheme is highly efficient in practice.
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