联邦机器学习 Federated Machine Learning

联邦学习简介

• 联邦机器学习又名联邦学习，联合学习，联盟学习。联邦机器学习是一个机器学习框架，能有效帮助多个机构在满足用户隐私保护、数据安全和政府法规的要求下，进行数据使用和机器学习建模。其设计目标是在保障大数据交换时的信息安全、保护终端数据和个人数据隐私、保证合法合规的前提下，在多参与方或多计算结点之间开展高效率的机器学习。
• 联邦学习作为分布式的机器学习范式，可以有效解决数据孤岛问题，让参与方在不共享数据的基础上联合建模，能从技术上打破数据孤岛，实现AI协作。谷歌在2016年提出了针对手机终端的联邦学习，微众银行AI团队则从金融行业实践出发，关注跨机构跨组织的大数据合作场景，首次提出“联邦迁移学习”的解决方案，将迁移学习和联邦学习结合起来。据杨强教授在“联邦学习研讨会”上介绍，联邦迁移学习让联邦学习更加通用化，可以在不同数据结构、不同机构间发挥作用，没有领域和算法限制,同时具有模型质量无损、保护隐私、确保数据安全的优势。

联邦学习框架

• 目前主流联邦学习框架有两种

Google框架

WeBank框架

该构架可扩展至包含多个数据拥有方的场景。

实景举例

包含两个数据拥有方（即企业 A 和 B）的场景。假设企业 A 和 B 想联合训练一个机器学习模型，它们的业务系统分别拥有各自用户的相关数据。此外，企业 B 还拥有模型需要预测的标签数据。出于数据隐私保护和安全考虑，A 和 B 无法直接进行数据交换，可使用联邦学习系统建立模型。

• **第一部分：加密样本对齐。**由于两家企业的用户群体并非完全重合，系统利用基于加密的用户样本对齐技术，在A和B不公开各自数据的前提下确认双方的共有用户，并且不暴露不互相重叠的用户，以便联合这些用户的特征进行建模。
• **第二部分：加密模型训练。**在确定共有用户群体后，就可以利用这些数据训练机器学习模型。为了保证训练过程中数据的保密性，需要借助第三方协作者C进行加密训练。以线性回归模型为例，训练过程可分为以下4步：

1. 协作者 C 把公钥分发给 A 和 B，用以对训练过程中需要交换的数据进行加密。
2. A 和 B 之间以加密形式交互用于计算梯度的中间结果。
3. A 和 B 分别基于加密的梯度值进行计算，同时 B 根据其标签数据计算损失，并把结果汇总给 C。C 通过汇总结果计算总梯度值并将其解密。
4. C 将解密后的梯度分别回传给 A 和 B，A 和 B 根据梯度更新各自模型的参数。

• 迭代上述步骤直至损失函数收敛，这样就完成了整个训练过程。在样本对齐及模型训练过程中，A 和 B 各自的数据均保留在本地，且训练中的数据交互也不会导致数据隐私泄露。因此，双方在联邦学习的帮助下得以实现合作训练模型。

• **第三部分：效果激励。**联邦学习的一大特点就是它解决了为什么不同机构要加入联邦共同建模的问题，即建立模型以后模型的效果会在实际应用中表现出来，并记录在永久数据记录机制（如区块链）上。提供数据多的机构所获得的模型效果会更好，模型效果取决于数据提供方对自己和他人的贡献。这些模型的效果在联邦机制上会分发给各个机构反馈，并继续激励更多机构加入这一数据联邦。以上三部分的实施，既考虑了在多个机构间共同建模的隐私保护和效果，又考虑了以一个共识机制奖励贡献数据多的机构。所以，联邦学习是一个「闭环」的学习机制。

联邦学习分类

横向联邦学习

• 在两个数据集的用户特征重叠较多而用户重叠较少的情况下，我们把数据集按照横向(即用户维度)切分，并取出双方用户特征相同而用户不完全相同的那部分数据进行训练。这种方法叫做横向联邦学习。
  
• 比如业务相同但是分布在不同地区的两家企业，它们的用户群体分别来自各自所在的地区，相互的交集很小。但是，它们的业务很相似，因此，记录的用户特征是相同的。此时，就可以使用横向联邦学习来构建联合模型。
• 横向联邦学习中多方联合训练的方式与分布式机器学习（Distributed Machine Learning）有部分相似的地方。分布式机器学习涵盖了多个方面，包括把机器学习中的训练数据分布式存储、计算任务分布式运行、模型结果分布式发布等。
• 对于联邦学习而言，首先在于横向联邦学习中的工作节点代表的是模型训练的数据拥有方，其对本地的数据具有完全的自治权限，可以自主决定何时加入联邦学习进行建模，相对地在参数服务器中，中心节点始终占据着主导地位，因此联邦学习面对的是一个更复杂的学习环境；其次，联邦学习则强调模型训练过程中对数据拥有方的数据隐私保护，是一种应对数据隐私保护的有效措施，能够更好地应对未来愈加严格的数据隐私和数据安全监管环境。

纵向联邦学习

• 在两个数据集的用户重叠较多而用户特征重叠较少的情况下，我们把数据集按照纵向（即特征维度）切分，并取出双方用户相同而用户特征不完全相同的那部分数据进行训练。这种方法叫做纵向联邦学习。

• 比如有两个不同机构，一家是某地的银行，另一家是同一个地方的电商。它们的用户群体很有可能包含该地的大部分居民，因此用户的交集较大。但是，由于银行记录的都是用户的收支行为与信用评级，而电商则保有用户的浏览与购买历史，因此它们的用户特征交集较小。
• 纵向联邦学习就是将这些不同特征在加密的状态下加以聚合，以增强模型能力的联邦学习。目前机器学习模型如逻辑回归、决策树等均是建立在纵向联邦学习系统框架之下的。

联邦迁移学习

• 在两个数据集的用户与用户特征重叠都较少的情况下，我们不对数据进行切分，而可以利用迁移学习来克服数据或标签不足的情况。这种方法叫做联邦迁移学习。

• 比如有两个不同机构，一家是位于中国的银行，另一家是位于美国的电商。由于受到地域限制，这两家机构的用户群体交集很小。同时，由于机构类型的不同，二者的数据特征也只有小部分重合。在这种情况下，要想进行有效的联邦学习，就必须引入迁移学习，来解决单边数据规模小和标签样本少的问题，从而提升模型的效果。

联邦学习前景

• 近年来，数据的隔离和对数据隐私的重视正成为人工智能的下一个挑战，但联邦学习为我们带来了新的希望。 它可以在保护本地数据的同时为多个企业建立统一的模型，从而使企业可以在以数据安全为前提的情况下共同取胜。 本文介绍了联邦学习的基本概念，体系结构和技术，并讨论其在各种应用中的潜力。 预计在不久的将来，联邦学习将打破行业之间的障碍，并建立一个可以安全共享数据和知识的社区， 人工智能的好处最终将带入我们生活的每个角落。

相关链接

• FedAI中文站
• TensorFlow-Fed
• WeBank-FATE

参考链接
https://www.jianshu.com/p/f268baa0f21e
https://zhuanlan.zhihu.com/p/93715164
https://blog.csdn.net/cao812755156/article/details/89598410