在联合学习（FL）中的客户端的异质性通常会在梯度空间中发生客户的知识聚合时阻碍优化融合和泛化性能。例如，客户端可以在数据分发，网络延迟，输入/输出空间和/或模型架构方面不同，这可以很容易地导致其本地梯度的未对准。为了提高异质性的容忍度，我们提出了一种新的联合原型学习（FedProto）框架，其中客户端和服务器传达了抽象类原型而不是梯度。 FEDPROTO聚合从不同客户端收集的本地原型，然后将全局原型发送回所有客户端，以规范本地模型的培训。每个客户端的训练旨在最大限度地减少本地数据上的分类错误，同时保持所产生的本地原型靠近相应的全球范围。此外，我们在非凸起目标下对FedProto的收敛速度提供了理论分析。在实验中，我们提出了一种针对异构FL定制的基准设置，FEDPROTO优于多个数据集上的几种方法。

知识共享和模型个性化是应对联邦学习（FL）中非IID挑战的重要组成部分。大多数现有的FL方法侧重于两个极端：1）学习共享模型，以使用非IID数据为所有客户提供服务，以及2）为每个客户（即个性化fl）学习个性化模型。有一个权衡解决方案，即群集或集群个性化的FL，旨在将相似的客户聚集到一个集群中，然后在集群中为所有客户学习共享模型。本文是通过将群集群集制定为可以统一现有方法的双层优化框架来重新审视群集的研究。我们提出了一个新的理论分析框架，以通过考虑客户之间的凝聚力来证明融合。此外，我们以一种称为加权聚类联合学习（WECFL）的算法体现了该框架。经验分析验证了理论结果，并证明了在拟议的集群非IID设置下提出的WECFL的有效性。

联合学习（FL）是一种机器学习范式，允许分散的客户在不共享其私人数据的情况下进行协作学习。但是，过度的计算和沟通要求对当前的FL框架构成挑战，尤其是在训练大型模型时。为了防止这些问题阻碍FL系统的部署，我们提出了一个轻巧的框架，客户共同学习融合由多个固定预训练的模型生成的表示形式，而不是从SCRATCH培训大型模型。这通过考虑如何从预先训练的模型中捕获更多特定于客户的信息，并共同提高每个客户利用这些现成模型的能力，从而导致我们解决了一个更实用的FL问题。在这项工作中，我们设计了一种联合原型对比度学习（FEDPCL）方法，该方法通过其类原型共享客户的知识，并以原型对比度方式构建特定于客户的表示。共享原型而不是可学习的模型参数可以使每个客户以个性化的方式融合表示表示，同时以紧凑的形式保持共享知识以进行有效的通信。我们在轻量级框架中对拟议的FEDPCL进行了彻底的评估，以测量和可视化其在流行的FL数据集上融合各种预训练模型的能力。

在这项工作中，我们提出了FedSSO，这是一种用于联合学习的服务器端二阶优化方法（FL）。与以前朝这个方向的工作相反，我们在准牛顿方法中采用了服务器端近似，而无需客户的任何培训数据。通过这种方式，我们不仅将计算负担从客户端转移到服务器，而且还消除了客户和服务器之间二阶更新的附加通信。我们为我们的新方法的收敛提供了理论保证，并从经验上证明了我们在凸面和非凸面设置中的快速收敛和沟通节省。

随着对数据隐私和数据量迅速增加的越来越关注，联邦学习（FL）已成为重要的学习范式。但是，在FL环境中共同学习深层神经网络模型被证明是一项非平凡的任务，因为与神经网络相关的复杂性，例如跨客户的各种体系结构，神经元的置换不变性以及非线性的存在每一层的转换。这项工作介绍了一个新颖的联合异质神经网络（FEDHENN）框架，该框架允许每个客户构建个性化模型，而无需在跨客户范围内实施共同的架构。这使每个客户都可以优化本地数据并计算约束，同时仍能从其他（可能更强大）客户端的学习中受益。 Fedhenn的关键思想是使用从同行客户端获得的实例级表示，以指导每个客户的同时培训。广泛的实验结果表明，Fedhenn框架能够在跨客户的同质和异质体系结构的设置中学习更好地表现客户的模型。

数据异构联合学习（FL）系统遭受了两个重要的收敛误差来源：1）客户漂移错误是由于在客户端执行多个局部优化步骤而引起的，以及2）部分客户参与错误，这是一个事实，仅一小部分子集边缘客户参加每轮培训。我们发现其中，只有前者在文献中受到了极大的关注。为了解决这个问题，我们提出了FedVarp，这是在服务器上应用的一种新颖的差异算法，它消除了由于部分客户参与而导致的错误。为此，服务器只是将每个客户端的最新更新保持在内存中，并将其用作每回合中非参与客户的替代更新。此外，为了减轻服务器上的内存需求，我们提出了一种新颖的基于聚类的方差降低算法clusterfedvarp。与以前提出的方法不同，FedVarp和ClusterFedVarp均不需要在客户端上进行其他计算或其他优化参数的通信。通过广泛的实验，我们表明FedVarp优于最先进的方法，而ClusterFedVarp实现了与FedVarp相当的性能，并且记忆要求较少。

我们提出了一个新颖的框架，以研究异步联合学习优化，并在梯度更新中延迟。我们的理论框架通过引入随机聚合权重来表示客户更新时间的可变性，从而扩展了标准的FedAvg聚合方案，例如异质硬件功能。我们的形式主义适用于客户具有异质数据集并至少执行随机梯度下降（SGD）的一步。我们证明了这种方案的收敛性，并为相关最小值提供了足够的条件，使其成为联邦问题的最佳选择。我们表明，我们的一般框架适用于现有的优化方案，包括集中学习，FedAvg，异步FedAvg和FedBuff。这里提供的理论允许绘制有意义的指南，以设计在异质条件下的联合学习实验。特别是，我们在这项工作中开发了FedFix，这是FedAvg的新型扩展，从而实现了有效的异步联合训练，同时保留了同步聚合的收敛稳定性。我们在一系列实验上凭经验证明了我们的理论，表明异步FedAvg以稳定性为代价导致快速收敛，我们最终证明了FedFix比同步和异步FedAvg的改善。

近年来，个性化联邦学习（PFL）引起了越来越关注其在客户之间处理统计异质性的潜力。然而，最先进的PFL方法依赖于服务器端的模型参数聚合，这需要所有模型具有相同的结构和大小，因此限制了应用程序以实现更多异构场景。要处理此类模型限制，我们利用异构模型设置的潜力，并提出了一种新颖的培训框架，为不同客户使用个性化模型。具体而言，我们将原始PFL中的聚合过程分为个性化组知识转移训练算法，即KT-PFL，这使得每个客户端能够在服务器端维护个性化软预测以指导其他人的本地培训。 KT-PFL通过使用知识系数矩阵的所有本地软预测的线性组合更新每个客户端的个性化软预测，这可以自适应地加强拥有类似数据分布的客户端之间的协作。此外，为了量化每个客户对他人的个性化培训的贡献，知识系数矩阵是参数化的，以便可以与模型同时培训。知识系数矩阵和模型参数在每轮梯度下降方式之后的每一轮中可替代地更新。在不同的设置（异构模型和数据分布）下进行各种数据集（EMNIST，Fashion \ _Mnist，CIFAR-10）的广泛实验。据证明，所提出的框架是第一个通过参数化群体知识转移实现个性化模型培训的联邦学习范例，同时实现与最先进的算法比较的显着性能增益。

Data heterogeneity across clients is a key challenge in federated learning. Prior works address this by either aligning client and server models or using control variates to correct client model drift. Although these methods achieve fast convergence in convex or simple non-convex problems, the performance in over-parameterized models such as deep neural networks is lacking. In this paper, we first revisit the widely used FedAvg algorithm in a deep neural network to understand how data heterogeneity influences the gradient updates across the neural network layers. We observe that while the feature extraction layers are learned efficiently by FedAvg, the substantial diversity of the final classification layers across clients impedes the performance. Motivated by this, we propose to correct model drift by variance reduction only on the final layers. We demonstrate that this significantly outperforms existing benchmarks at a similar or lower communication cost. We furthermore provide proof for the convergence rate of our algorithm.

在联合学习（FL）的新兴范式中，大量客户端（例如移动设备）用于在各自的数据上训练可能的高维模型。由于移动设备的带宽低，分散的优化方法需要将计算负担从那些客户端转移到计算服务器，同时保留隐私和合理的通信成本。在本文中，我们专注于深度，如多层神经网络的培训，在FL设置下。我们提供了一种基于本地模型的层状和维度更新的新型联合学习方法，减轻了非凸起和手头优化任务的多层性质的新型联合学习方法。我们为Fed-Lamb提供了一种彻底的有限时间收敛性分析，表征其渐变减少的速度有多速度。我们在IID和非IID设置下提供实验结果，不仅可以证实我们的理论，而且与最先进的方法相比，我们的方法的速度更快。

联邦学习（FL）试图在本地客户端分发模型培训，而无需在集中式数据中心收集数据，从而消除了数据私人关系问题。 FL的一个主要挑战是数据异质性（每个客户的数据分布可能会有所不同），因为它可能导致本地客户的权重差异并减慢全球融合。当前专为数据异质性设计的SOTA FL方法通常会施加正则化以限制非IID数据的影响，并且是状态算法，即它们随着时间的推移维持局部统计数据。尽管有效，但这些方法只能用于FL的特殊情况，仅涉及少数可靠的客户。对于fl的更典型应用，客户端数量很大（例如，边缘设备和移动应用程序），这些方法无法应用，激发了对任何可用于任何数量客户端使用的无状态方法的无状态方法的需求。我们得出了一阶梯度正则化，以惩罚由于本地数据异质性而导致的本地更新不一致。具体而言，为了减轻权重差异，我们将全局数据分布的一阶近似引入本地目标，该目标凭直觉地惩罚了与全局更新相反方向的更新。最终结果是一种无状态的FL算法，可实现1）在非IID数据分布下，比SOTA方法明显更快地收敛（即较少的通信回合）和2）总体融合性能更高。重要的是，我们的方法不会对客户大小施加不切实际的限制，从而可以从大多数FL应用程序中向大量客户学习。

可扩展性和隐私是交叉设备联合学习（FL）系统的两个关键问题。在这项工作中，我们确定了FL中的客户端更新的同步流动聚合不能高效地缩放到几百个并行培训之外。它导致ModelPerforce和训练速度的回报递减，Ampanysto大批量培训。另一方面，FL（即异步FL）中的客户端更新的异步聚合减轻了可扩展性问题。但是，聚合个性链子更新与安全聚合不兼容，这可能导致系统的不良隐私水平。为了解决这些问题，我们提出了一种新颖的缓冲异步聚合方法FedBuff，这是不可知的优化器的选择，并结合了同步和异步FL的最佳特性。我们经验证明FEDBuff比同步FL更有效，比异步FL效率更高3.3倍，同时兼容保留保护技术，如安全聚合和差异隐私。我们在平滑的非凸设置中提供理论融合保证。最后，我们显示在差异私有培训下，FedBuff可以在低隐私设置下占FEDAVGM并实现更高隐私设置的相同实用程序。

Privacy-preserving machine learning has become a key conundrum for multi-party artificial intelligence. Federated learning (FL) and Split Learning (SL) are two frameworks that enable collaborative learning while keeping the data private (on device). In FL, each data holder trains a model locally and releases it to a central server for aggregation. In SL, the clients must release individual cut-layer activations (smashed data) to the server and wait for its response (during both inference and back propagation). While relevant in several settings, both of these schemes have a high communication cost, rely on server-level computation algorithms and do not allow for tunable levels of collaboration. In this work, we present a novel approach for privacy-preserving machine learning, where the clients collaborate via online knowledge distillation using a contrastive loss (contrastive w.r.t. the labels). The goal is to ensure that the participants learn similar features on similar classes without sharing their input data. To do so, each client releases averaged last hidden layer activations of similar labels to a central server that only acts as a relay (i.e., is not involved in the training or aggregation of the models). Then, the clients download these last layer activations (feature representations) of the ensemble of users and distill their knowledge in their personal model using a contrastive objective. For cross-device applications (i.e., small local datasets and limited computational capacity), this approach increases the utility of the models compared to independent learning and other federated knowledge distillation (FD) schemes, is communication efficient and is scalable with the number of clients. We prove theoretically that our framework is well-posed, and we benchmark its performance against standard FD and FL on various datasets using different model architectures.

联合学习（FL）算法通常在每个圆数（部分参与）大并且服务器的通信带宽有限时对每个轮子（部分参与）进行分数。近期对FL的收敛分析的作品专注于无偏见的客户采样，例如，随机均匀地采样，由于高度的系统异质性和统计异质性而均匀地采样。本文旨在设计一种自适应客户采样算法，可以解决系统和统计异质性，以最小化壁时钟收敛时间。我们获得了具有任意客户端采样概率的流动算法的新的遗传融合。基于界限，我们分析了建立了总学习时间和采样概率之间的关系，这导致了用于训练时间最小化的非凸优化问题。我们设计一种高效的算法来学习收敛绑定中未知参数，并开发低复杂性算法以大致解决非凸面问题。硬件原型和仿真的实验结果表明，与几个基线采样方案相比，我们所提出的采样方案显着降低了收敛时间。值得注意的是，我们的硬件原型的方案比均匀的采样基线花费73％，以达到相同的目标损失。

个性化联合学习（FL）促进了多个客户之间的合作，以学习个性化模型而无需共享私人数据。该机制减轻了系统中通常遇到的统计异质性，即不同客户端的非IID数据。现有的个性化算法通常假设所有客户自愿进行个性化。但是，潜在的参与者可能仍然不愿个性化模型，因为他们可能无法正常工作。在这种情况下，客户选择使用全局模型。为了避免做出不切实际的假设，我们介绍了个性化率，该率是愿意培训个性化模型，将其介绍给联合设置并提出DYPFL的客户的比例。这种动态个性化的FL技术激励客户参与个性化本地模型，同时允许在整体模型表现更好时采用全球模型。我们表明，DYPFL中的算法管道可以保证良好的收敛性能，从而使其在广泛的条件下优于替代性个性化方法，包括异质性，客户端数量，本地时期和批量尺寸的变化。

联合学习（FL）是一个分散的学习范式，其中多个客户在不集中其本地数据的情况下进行培训深度学习模型，因此保留数据隐私。现实世界中的应用程序通常涉及在不同客户端的数据集上进行分发转换，这损害了客户从各自的数据分布中看不见样本的概括能力。在这项工作中，我们解决了最近提出的功能转移问题，其中客户具有不同的功能分布，而标签分布相同。我们建议联邦代表性扩大（FRAUG）来解决这个实用且具有挑战性的问题。我们的方法在嵌入空间中生成合成客户端特定的样本，以增加通常小客户端数据集。为此，我们训练一个共享的生成模型，以融合客户从其不同功能分布中学习的知识。该发电机合成了客户端 - 不合时式嵌入，然后通过表示转换网络（RTNET）将其局部转换为特定于客户端的嵌入。通过将知识转移到客户端，生成的嵌入式作为客户模型的正常化程序，并减少对本地原始数据集的过度拟合，从而改善了概括。我们对公共基准和现实医学数据集的经验评估证明了该方法的有效性，该方法在包括Partialfed和FedBN在内的非IID特征的当前最新FL方法大大优于最新的FL方法。

Federated learning allows multiple clients to collaboratively train a model without exchanging their data, thus preserving data privacy. Unfortunately, it suffers significant performance degradation under heterogeneous data at clients. Common solutions in local training involve designing a specific auxiliary loss to regularize weight divergence or feature inconsistency. However, we discover that these approaches fall short of the expected performance because they ignore the existence of a vicious cycle between classifier divergence and feature mapping inconsistency across clients, such that client models are updated in inconsistent feature space with diverged classifiers. We then propose a simple yet effective framework named Federated learning with Feature Anchors (FedFA) to align the feature mappings and calibrate classifier across clients during local training, which allows client models updating in a shared feature space with consistent classifiers. We demonstrate that this modification brings similar classifiers and a virtuous cycle between feature consistency and classifier similarity across clients. Extensive experiments show that FedFA significantly outperforms the state-of-the-art federated learning algorithms on various image classification datasets under label and feature distribution skews.

在最新的联合学习研究（FL）的研究中，广泛采用了客户选择方案来处理沟通效率的问题。但是，从随机选择的非代表性子集汇总的模型更新的较大差异直接减慢了FL收敛性。我们提出了一种新型的基于聚类的客户选择方案，以通过降低方差加速FL收敛。简单而有效的方案旨在改善聚类效果并控制效果波动，因此，以采样的一定代表性生成客户子集。从理论上讲，我们证明了降低方差方案的改进。由于差异的差异，我们还提供了提出方法的更严格的收敛保证。实验结果证实了与替代方案相比，我们计划的效率超出了效率。

聚集的联合学习（FL）已显示通过将客户分组为群集，从而产生有希望的结果。这在单独的客户群在其本地数据的分布方面有显着差异的情况下特别有效。现有的集群FL算法实质上是在试图将客户群体组合在一起，以便同一集群中的客户可以利用彼此的数据来更好地执行联合学习。但是，先前的群集FL算法试图在培训期间间接学习这些分布相似性，这可能会很耗时，因为可能需要许多回合的联合学习，直到群集的形成稳定为止。在本文中，我们提出了一种新的联合学习方法，该方法直接旨在通过分析客户数据子空间之间的主要角度来有效地识别客户之间的分布相似性。每个客户端都以单一的方式在其本地数据上应用截断的奇异值分解（SVD）步骤，以得出一小部分主向量，该量提供了一个签名，可简洁地捕获基础分布的主要特征。提供了一组主要的主向量，以便服务器可以直接识别客户端之间的分布相似性以形成簇。这是通过比较这些主要向量跨越的客户数据子空间之间主要角度的相似性来实现的。该方法提供了一个简单而有效的集群FL框架，该框架解决了广泛的数据异质性问题，而不是标签偏斜的更简单的非iids形式。我们的聚类FL方法还可以为非凸目标目标提供融合保证。我们的代码可在https://github.com/mmorafah/pacfl上找到。

将知识蒸馏应用于个性化的跨筒仓联合学习，可以很好地减轻用户异质性的问题。然而，这种方法需要一个代理数据集，这很难在现实世界中获得。此外，基于参数平均的全球模型将导致用户隐私的泄漏。我们介绍了一个分布式的三位玩家GaN来实现客户之间的DataFree共蒸馏。该技术减轻了用户异质性问题，更好地保护用户隐私。我们证实，GaN产生的方法可以使联合蒸馏更有效和稳健，并且在获得全球知识的基础上，共蒸馏可以为各个客户达到良好的性能。我们对基准数据集的广泛实验证明了与最先进的方法的卓越的泛化性能。