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HEAFed:同态加密的高效通信异步联邦学习算法OA

HEAFed:homomorphic encryption-based communication-efficient asynchronous federated learning algorithm

中文摘要英文摘要

联邦学习系统中,用户隐私数据易受到攻击者与半诚实服务器的窃取,同时在不稳定通信环境中存在训练准确率低、效率不足的问题.针对上述情况,提出了一种同态加密的高效通信异步联邦学习算法(HEAFed).HEAFed算法首先利用中国剩余定理(CRT)对客户端的参数更新进行压缩;其次采用改进的Paillier算法对优化后的参数更新进行加密,保证用户隐私安全;再次,引入了参数调整的异步聚合算法,保证延迟客户端的训练成果也能被有效利用;最后实验在MNIST和CIFAR-10数据集上进行,结果表明,HEAFed算法在准确率和效率方面均优于传统隐私保护的联邦学习方法,且在不稳定通信环境中表现更为突出,相较于四种基线算法,准确率分别提高12.59%~43.09%.

Federated learning systems face risks of privacy data theft by attackers or semi-honest servers,and also suffer from low accuracy and inefficiency in unstable communication environments.To address these issues,this paper proposed an effi-cient communication asynchronous federated learning algorithm based on homomorphic encryption,named HEAFed.The algo-rithm firstly utilized the Chinese remainder theorem(CRT)to compress client parameter updates.It then employed an im-proved Paillier algorithm to encrypt the optimized parameter updates,ensuring user privacy security.Furthermore,it intro-duced an asynchronous aggregation mechanism with parameter adjustment,effectively incorporating the training outcomes of delayed clients.Experiments were conducted on the MNIST and CIFAR-10 datasets.Results show that HEAFed outperforms traditional privacy-preserving federated learning methods in both accuracy and efficiency.It performs especially well in unsta-ble communication environments.Compared with four baseline algorithms,HEAFed improves accuracy by 12.59%to 43.09%.

王斌;郑兵;陈运

佳木斯大学信息电子技术学院 信息电子技术学院黑龙江省自主智能与信息处理重点实验室,黑龙江佳木斯 154007||佳木斯大学信息电子技术学院 佳木斯市卫星导航技术与装备工程技术重点实验室,黑龙江佳木斯 154007||佳木斯大学科技处,黑龙江佳木斯 154007佳木斯大学信息电子技术学院 信息电子技术学院黑龙江省自主智能与信息处理重点实验室,黑龙江佳木斯 154007||佳木斯大学信息电子技术学院 佳木斯市卫星导航技术与装备工程技术重点实验室,黑龙江佳木斯 154007佳木斯大学信息电子技术学院 信息电子技术学院黑龙江省自主智能与信息处理重点实验室,黑龙江佳木斯 154007||佳木斯大学信息电子技术学院 佳木斯市卫星导航技术与装备工程技术重点实验室,黑龙江佳木斯 154007

信息技术与安全科学

联邦学习隐私保护同态加密中国剩余定理

federated learningprivacy protectionhomomorphic encryptionChinese remainder theorem

《计算机应用研究》 2026 (5)

1511-1519,9

黑龙江省高等学校基本科研业务费优秀创新团队建设项目(2023-KYYWF-0639)佳木斯大学博士专项科研基金启动项目(JMSUBZ2022-12)

10.19734/j.issn.1001-3695.2025.08.0375

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