Lightweight Blockchain-Empowered Secure and Efficient Federated Edge Learning

计算机科学 可扩展性 分布式计算 块链 可验证秘密共享 计算机网络 计算机安全 数据库 集合(抽象数据类型) 程序设计语言
作者
Rui Jin,Jia Hu,Geyong Min,Jed Mills
出处
期刊:IEEE Transactions on Computers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72 (11): 3314-3325 被引量:10
标识
DOI:10.1109/tc.2023.3293731
摘要

Federated Learning (FL) has emerged as a privacy-preserving distributed Machine Learning paradigm, which collaboratively trains a shared global model across a number of end devices (clients) without exposing their raw data. However, FL typically assumes that all clients are benign and trust the coordinating central server, which is unrealistic for many real-world scenarios. In practice, clients can harm the FL process by sharing poisonous model updates while the server could malfunction or misbehave. Moreover, the deployment of FL for real-world applications is hindered by the high communication overhead between the server and clients that are often at the network edge with limited bandwidth. To address these key challenges, we propose a lightweight Blockchain-Empowered secure and efficient Federated Learning (BEFL) system. BEFL is built by integrating a communication-efficient and mutual-information guarded training scheme, a cost-effective Verifiable Random Function (VRF)-based consensus mechanism, and Inter-Planetary File System (IPFS)-enabled scalable blockchain architecture. Extensive simulation experiments using two benchmark FL datasets demonstrate that BEFL is resistant against byzantine clients launching data poisoning and model poisoning attacks, fault-tolerant against colluded malicious blockchain nodes, scalable to a large number of blockchain nodes, and communication-efficient at the network edge.
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