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PFLM: Privacy-preserving federated learning with membership proof证明阅读

news 来源：原创 2025/8/3 17:27:02

系列文章目录

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例如：第一章 Python 机器学习入门之pandas的使用

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文章目录

系列文章目录
前言
背景
系统模型
- 威胁模型
- 技术实现
- 密码学映射
- 框架
总结

前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

隐私保护联邦学习是一种分布式机器学习，多个合作者通过受保护的梯度来训练模型。为了实现对用户退出的鲁棒性，现有的实用隐私保护联邦学习方案都是基于（t，N）-门限秘密共享的。这种方案依赖于一个强假设来保证安全性：阈值t必须大于用户数的一半。这种假设是如此严格，以至于在某些情况下，这些方案可能并不合适。基于这个问题，我们首先引入了联邦学习的成员资格证明，它利用密码累加器通过累加用户ID来生成成员资格证明。这些证据在公共区块链上发布，供用户验证。结合成员资格证明，提出了一种隐私保护的联邦学习方案PFLM.PFLM在保证安全性的同时，释放了门限的假设。此外，我们设计了一种基于ElGamal加密变体的结果验证算法，用于验证云服务器聚合结果的正确性。验证算法作为一部分集成到PFLM中。在随机预言模型中的安全性分析表明，PFLM能有效地防止主动攻击者攻击隐私。实现了PFLM，实验证明了PFLM在计算和通信方面都具有很好的性能.

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

背景

联邦学习作为一种分布式机器学习技术，允许多个协作者在不共享本地数据的前提下联合训练高精度模型[10,33]。其采用"中心化模型训练-去中心化数据管理"的范式，与云计算的数据管理模式高度契合[23,44]。典型部署场景中，云服务器通过聚合用户本地计算的梯度更新全局模型，用户则基于聚合结果优化本地模型[25,26]。这种云端联邦学习已成为工业界的基础架构，受到广泛关注。

然而现有方案面临严峻的隐私威胁。研究表明[27,28,31]，恶意服务器可能从梯度中推断用户隐私信息——例如判断特定样本是否参与训练[28,31]，极端情况下甚至能重构原始数据[27]。因此，未经保护的梯度直接传输存在重大风险[21]。

双重掩码技术[6,35]通过为每个用户配置成对掩码和自掩码，可在保护梯度隐私的同时保持模型可用性。但该方案要求用户全程在线，而实际场景中用户可能因设备限制或网络问题频繁掉线。为此，现有方案采用(t,N)阈值秘密共享[6,35]：用户将掩码生成密钥分片存储，当部分用户离线时，服务器只需联系≥t个在线用户即可恢复密钥。但这引入了新的安全隐患——若阈值t < ⌊n/2⌋-1（n为用户总数），恶意服务器可将用户划分为两个超阈值子集，通过伪造其他子集用户离线的假象，最终破解所有用户的掩码并恢复原始梯度，这种攻击称为欺骗攻击。现有方案为防御此类攻击，不得不设置t > ⌊n/2⌋+1且允许掉线用户≤⌈n/2⌉-1的严格阈值，这在用户高掉线率的现实场景中将导致聚合失败。

为解决这一矛盾，本文提出基于成员资格证明的隐私保护联邦学习方案PFLM。核心创新在于：

成员资格证明机制：采用密码学累加器[3]生成用户ID的成员证明，结合区块链[34,41]公开存储在线用户证明及数量。任何用户均可验证证明真实性，使服务器无法伪造用户在线状态。
结果验证算法：设计基于ElGamal加密变体的验证协议，用户可验证服务器返回聚合结果的正确性，避免恶意服务器返回随机结果降低计算成本。相比依赖可信执行环境(TEE)[32]，本方案避免了硬件成本与性能瓶颈。
安全性分析表明，PFLM在主动敌手模型下（即使服务器与多用户合谋）仍能保护用户输入隐私。实验评估证实了方案在计算开销与通信效率方面的实用性。

全文结构：第2章综述相关工作；第3章问题建模；第4章密码学基础；第5章方案概览；第6章PFLM详细设计；第7章安全性分析；第8章性能评估；第9章总结展望。

系统模型

三大核心实体：

用户节点

持有本地专属数据集
核心目标：训练高精度模型
关键操作：数据预处理→梯度生成→梯度掩码→提交验证证明
云服务平台

具备海量存储与超强算力
核心职能：
梯度聚合中枢
验证证明中继站
区块链存证管理（部署在以太坊等公链）
抗欺骗攻击防护
可信认证机构(TA)

系统初始化中枢
密钥分发中心（向用户和云服务端分发密钥）

工作流闭环
预处理阶段：

用户对本地数据加密处理，生成带掩码的梯度数据
同步生成结果验证证明（防篡改数字指纹）
安全传输阶段：

用户将加密梯度与验证证明打包上传至云端
区块链存证：

云服务生成成员资格证明，永久记录至区块链账本
聚合验证：

云端执行梯度聚合运算
同步中转验证证明至相关用户
结果核验：

用户基于接收信息校验聚合结果真实性
在这里插入图片描述

威胁模型

诚实但好奇模型(Honest-but-Curious)

参与方行为：严格遵循协议流程
攻击方式：
云服务器与用户可能私下合谋
通过合法数据推导隐私信息
类似"遵守规则但偷看账本"的会计师
2. 主动攻击者模型(Active Adversary)

增强攻击能力：
协议偏离（发送错误/随机数据）
选择性终止通信
数据投毒攻击
类似"既偷看又篡改账本"的恶意会计
模型关系：满足主动攻击安全 → 自动覆盖诚实模型安全

PFLM方案威胁设定
攻击者能力：

全员恶意假设：

云服务器和用户均可主动作恶
支持服务器伪造聚合结果
超强攻击场景：

服务器与用户合谋
秘密共享阈值突破（|U|/2）
欺骗攻击原理：

用户集分割：

将用户群U拆分为U1和U2两个子集
每个子集用户数超过秘密共享阈值
信息欺骗：

对U1谎称U2离线
对U2谎称U1已退出
隐私破解：

分别重建两组用户的掩码密钥
解密所有梯度数据

技术实现

在这里插入图片描述

密码学映射

在这里插入图片描述

框架

在这里插入图片描述

总结

提示：这里对文章进行总结：

例如：以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了pandas的使用，而pandas提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法。
在这里插入图片描述

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graph TB
A[Setup: TA初始化系统] --> B[Key Advertising: 分发密钥]
B --> C[Key Sharing: 分片密钥并生成会话ID]
C --> D[Masked Input: 加密梯度并上链]
D --> E[Unmasking: 验证身份并聚合]
E --> F[Verification: 结果验证与争议处理]
F -->|通过| G[新一轮迭代]
F -->|失败| H[区块链仲裁]

隐私保护：梯度加密、秘密共享和零知识证明三重防护，确保数据不泄露。
完整性验证：区块链存证 + IBAS聚合签名，防止篡改和伪造结果。
动态扩展：CARDIAC累加器支持动态增减参与者，适应大规模联邦学习场景。
合规审计：所有操作链上可查，满足GDPR、HIPAA等数据监管要求。
该框架为医疗、金融等敏感领域的多方协作学习提供了标准化解决方案，平衡了隐私、安全与效率的需求。

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威胁模型

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