Secure Federated Learning With Fully Homomorphic Encryption for IoT Communications

计算机科学 同态加密 加密 架空(工程) 密码学 计算机网络 安全通信 信息隐私 移动设备 计算机安全 操作系统
作者
Neveen Hijazi,Moayad Aloqaily,Mohsen Guizani,Bassem Ouni,Fakhri Karray
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (3): 4289-4300 被引量:141
标识
DOI:10.1109/jiot.2023.3302065
摘要

The emergence of the Internet of Things (IoT) has revolutionized people's daily lives, providing superior quality services in cognitive cities, healthcare, and smart buildings. However, smart buildings use heterogeneous networks. The massive number of interconnected IoT devices increases the possibility of IoT attacks, emphasizing the necessity of secure and privacy-preserving solutions. Federated learning (FL) has recently emerged as a promising machine learning (ML) paradigm for IoT networks to address these concerns. In FL, multiple devices collaborate to learn a global model without sharing their raw data. However, FL still faces privacy and security concerns due to the transmission of sensitive data (i.e., model parameters) over insecure communication channels. These concerns can be addressed using fully homomorphic encryption (FHE), a powerful cryptographic technique that enables computations on encrypted data without requiring them to be decrypted first. In this study, we propose a secure FL approach in IoT-enabled smart cities that combines FHE and FL to provide secure data and maintain privacy in distributed environments. We present four different FL-based FHE approaches in which data are encrypted and transmitted over a secure medium. The proposed approaches achieved high accuracy, recall, precision, and F-scores, in addition to providing strong privacy and security safeguards. Furthermore, the proposed approaches effectively reduced communication overhead and latency compared to the baseline approach. These approaches yielded improvements ranging from 80.15% to 89.98% in minimizing communication overhead. Additionally, one of the approaches achieved a remarkable latency reduction of 70.38%. The implementation of these security models is nontrivial, and the code is publicly available at https://github.com/Artifitialleap-MBZUAI/Secure-Federated-Learning-with-Fully-Homomorphic-Encryption-for-IoT-Communications .
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