使用联合学习（FL）协作培训模型的多个医疗机构已成为最大化数据驱动模型的潜力的有希望的解决方案，但医学图像中的非独立性和相同分布的（非IID）数据仍然是一个突出的挑战在真实的练习中。由不同扫描仪或协议引起的特征异质性在本地（客户端）和全局（服务器）优化中引入了学习过程中的漂移，这损害了收敛以及模型性能。许多以前的作品已经尝试通过在本地或全球范围内解决漂移来解决非IID问题，但如何共同解决两个基本耦合的漂移仍然不清楚。在这项工作中，我们专注于处理本地和全球漂移，并介绍一个名为HARMOFL的新协调框架。首先，我们建议通过将变换到频域的图像的幅度归一化以模仿统一的成像设置来减轻本地更新漂移，以便在跨本地客户端生成统一的特征空间。其次，基于谐波功能，我们设计了引导每个本地模型的客户重量扰动，以达到平坦的最佳状态，其中局部最佳解决方案的邻域面积具有均匀低损耗。如果没有任何额外的沟通成本，则扰动协助全局模型通过聚合几个局部平面OptimA来优化融合的最佳解决方案。理论上，我们已经分析了所提出的方法和经验上对三种医学图像分类和分割任务进行了广泛的实验，表明HARMOFL优于一系列具有有前途的收敛行为的最近最先进的方法。

将联合学习（FL）模型概括为未IID数据的解读客户是一个至关重要的主题，但到目前为止未解决。在这项工作中，我们建议从新的因果角度来解决这个问题。具体而言，我们形成培训结构因果模型（SCM），以解释模型泛化在分布式学习范式中的挑战。基于此，我们介绍了一种使用测试特定和势头批量标准化（TSMobn）的简单且有效的方法来推广到测试客户端。通过制定另一个测试SCM来说，给出了因果分析，并证明了TSMobn的关键因素是特定的特定于特定的统计数据（即，均值和方差）。这种统计数据可以被视为因果干预的代理变量。此外，通过考虑FL中的泛化界，我们表明我们的TSMobn方法可以减少训练和测试特征分布之间的分歧，这实现了比标准模型测试更低的泛化差距。我们广泛的实验评估表明，在具有各种类型的特征分布和客户端数量的三个数据集上对看不见的客户端概括的显着改进。值得注意的是，我们的建议方法可以灵活地应用于不同的最先进的联邦学习算法，并且与现有的域泛化方法正交。

联合学习（FL）是一种新兴技术，用于协作训练全球机器学习模型，同时将数据局限于用户设备。FL实施实施的主要障碍是用户之间的非独立且相同的（非IID）数据分布，这会减慢收敛性和降低性能。为了解决这个基本问题，我们提出了一种方法（comfed），以增强客户端和服务器侧的整个培训过程。舒适的关键思想是同时利用客户端变量减少技术来促进服务器聚合和全局自适应更新技术以加速学习。我们在CIFAR-10分类任务上的实验表明，Comfed可以改善专用于非IID数据的最新算法。

Non-IID data distribution across clients and poisoning attacks are two main challenges in real-world federated learning systems. While both of them have attracted great research interest with specific strategies developed, no known solution manages to address them in a unified framework. To jointly overcome both challenges, we propose SmartFL, a generic approach that optimizes the server-side aggregation process with a small clean server-collected proxy dataset (e.g., around one hundred samples, 0.2% of the dataset) via a subspace training technique. Specifically, the aggregation weight of each participating client at each round is optimized using the server-collected proxy data, which is essentially the optimization of the global model in the convex hull spanned by client models. Since at each round, the number of tunable parameters optimized on the server side equals the number of participating clients (thus independent of the model size), we are able to train a global model with massive parameters using only a small amount of proxy data. We provide theoretical analyses of the convergence and generalization capacity for SmartFL. Empirically, SmartFL achieves state-of-the-art performance on both federated learning with non-IID data distribution and federated learning with malicious clients. The source code will be released.

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。

The statistical heterogeneity of the non-independent and identically distributed (non-IID) data in local clients significantly limits the performance of federated learning. Previous attempts like FedProx, SCAFFOLD, MOON, FedNova and FedDyn resort to an optimization perspective, which requires an auxiliary term or re-weights local updates to calibrate the learning bias or the objective inconsistency. However, in addition to previous explorations for improvement in federated averaging, our analysis shows that another critical bottleneck is the poorer optima of client models in more heterogeneous conditions. We thus introduce a data-driven approach called FedSkip to improve the client optima by periodically skipping federated averaging and scattering local models to the cross devices. We provide theoretical analysis of the possible benefit from FedSkip and conduct extensive experiments on a range of datasets to demonstrate that FedSkip achieves much higher accuracy, better aggregation efficiency and competing communication efficiency. Source code is available at: https://github.com/MediaBrain-SJTU/FedSkip.

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。

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.

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。

U-shaped networks are widely used in various medical image tasks, such as segmentation, restoration and reconstruction, but most of them usually rely on centralized learning and thus ignore privacy issues. To address the privacy concerns, federated learning (FL) and split learning (SL) have attracted increasing attention. However, it is hard for both FL and SL to balance the local computational cost, model privacy and parallel training simultaneously. To achieve this goal, in this paper, we propose Robust Split Federated Learning (RoS-FL) for U-shaped medical image networks, which is a novel hybrid learning paradigm of FL and SL. Previous works cannot preserve the data privacy, including the input, model parameters, label and output simultaneously. To effectively deal with all of them, we design a novel splitting method for U-shaped medical image networks, which splits the network into three parts hosted by different parties. Besides, the distributed learning methods usually suffer from a drift between local and global models caused by data heterogeneity. Based on this consideration, we propose a dynamic weight correction strategy (\textbf{DWCS}) to stabilize the training process and avoid model drift. Specifically, a weight correction loss is designed to quantify the drift between the models from two adjacent communication rounds. By minimizing this loss, a correction model is obtained. Then we treat the weighted sum of correction model and final round models as the result. The effectiveness of the proposed RoS-FL is supported by extensive experimental results on different tasks. Related codes will be released at https://github.com/Zi-YuanYang/RoS-FL.

联合学习（FL）是一个分布式的机器学习框架，可以减轻数据孤岛，在该筒仓中，分散的客户在不共享其私人数据的情况下协作学习全球模型。但是，客户的非独立且相同分布的（非IID）数据对训练有素的模型产生了负面影响，并且具有不同本地更新的客户可能会在每个通信回合中对本地梯度造成巨大差距。在本文中，我们提出了一种联合矢量平均（FedVeca）方法来解决上述非IID数据问题。具体而言，我们为与本地梯度相关的全球模型设定了一个新的目标。局部梯度定义为具有步长和方向的双向向量，其中步长为局部更新的数量，并且根据我们的定义将方向分为正和负。在FedVeca中，方向受步尺的影响，因此我们平均双向向量，以降低不同步骤尺寸的效果。然后，我们理论上分析了步骤大小与全球目标之间的关系，并在每个通信循环的步骤大小上获得上限。基于上限，我们为服务器和客户端设计了一种算法，以自适应调整使目标接近最佳的步骤大小。最后，我们通过构建原型系统对不同数据集，模型和场景进行实验，实验结果证明了FedVeca方法的有效性和效率。

从经验上证明，在跨客户聚集之前应用多个本地更新的实践是克服联合学习（FL）中的通信瓶颈的成功方法。在这项工作中，我们提出了一种通用食谱，即FedShuffle，可以更好地利用FL中的本地更新，尤其是在异质性方面。与许多先前的作品不同，FedShuffle在每个设备的更新数量上没有任何统一性。我们的FedShuffle食谱包括四种简单的功能成分：1）数据的本地改组，2）调整本地学习率，3）更新加权，4）减少动量方差（Cutkosky and Orabona，2019年）。我们对FedShuffle进行了全面的理论分析，并表明从理论和经验上讲，我们的方法都不遭受FL方法中存在的目标功能不匹配的障碍，这些方法假设在异质FL设置中，例如FedAvg（McMahan等人，McMahan等， 2017）。此外，通过将上面的成分结合起来，FedShuffle在Fednova上改善（Wang等，2020），以前提议解决此不匹配。我们还表明，在Hessian相似性假设下，通过降低动量方差的FedShuffle可以改善非本地方法。最后，通过对合成和现实世界数据集的实验，我们说明了FedShuffle中使用的四种成分中的每种如何有助于改善FL中局部更新的使用。

联合学习（FL）框架使Edge客户能够协作学习共享的推理模型，同时保留对客户的培训数据的隐私。最近，已经采取了许多启发式方法来概括集中化的自适应优化方法，例如SGDM，Adam，Adagrad等，以提高收敛性和准确性的联合设置。但是，关于在联合设置中的位置以及如何设计和利用自适应优化方法的理论原理仍然很少。这项工作旨在从普通微分方程（ODE）的动力学的角度开发新的自适应优化方法，以开发FL的新型自适应优化方法。首先，建立了一个分析框架，以在联合优化方法和相应集中优化器的ODES分解之间建立连接。其次，基于这个分析框架，开发了一种动量解耦自适应优化方法FedDA，以充分利用每种本地迭代的全球动量并加速训练收敛。最后但并非最不重要的一点是，在训练过程结束时，全部批处理梯度用于模仿集中式优化，以确保收敛并克服由自适应优化方法引起的可能的不一致。

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。

Federated Averaging (FEDAVG) has emerged as the algorithm of choice for federated learning due to its simplicity and low communication cost. However, in spite of recent research efforts, its performance is not fully understood. We obtain tight convergence rates for FEDAVG and prove that it suffers from 'client-drift' when the data is heterogeneous (non-iid), resulting in unstable and slow convergence.As a solution, we propose a new algorithm (SCAFFOLD) which uses control variates (variance reduction) to correct for the 'client-drift' in its local updates. We prove that SCAFFOLD requires significantly fewer communication rounds and is not affected by data heterogeneity or client sampling. Further, we show that (for quadratics) SCAFFOLD can take advantage of similarity in the client's data yielding even faster convergence. The latter is the first result to quantify the usefulness of local-steps in distributed optimization.

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。

In federated optimization, heterogeneity in the clients' local datasets and computation speeds results in large variations in the number of local updates performed by each client in each communication round. Naive weighted aggregation of such models causes objective inconsistency, that is, the global model converges to a stationary point of a mismatched objective function which can be arbitrarily different from the true objective. This paper provides a general framework to analyze the convergence of federated heterogeneous optimization algorithms. It subsumes previously proposed methods such as FedAvg and FedProx and provides the first principled understanding of the solution bias and the convergence slowdown due to objective inconsistency. Using insights from this analysis, we propose Fed-Nova, a normalized averaging method that eliminates objective inconsistency while preserving fast error convergence.

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。

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。

由于参与客户的异构特征，联邦学习往往受到不稳定和缓慢的收敛。当客户参与比率低时，这种趋势加剧了，因为从每个轮的客户收集的信息容易更加不一致。为了解决挑战，我们提出了一种新的联合学习框架，这提高了服务器端聚合步骤的稳定性，这是通过将客户端发送与全局梯度估计的加速模型来引导本地梯度更新来实现的。我们的算法自然地聚合并将全局更新信息与没有额外的通信成本的参与者传达，并且不需要将过去的模型存储在客户端中。我们还规范了本地更新，以进一步降低偏差并提高本地更新的稳定性。我们根据各种设置执行了关于实际数据的全面实证研究，与最先进的方法相比，在准确性和通信效率方面表现出了拟议方法的显着性能，特别是具有低客户参与率。我们的代码可在https://github.com/ninigapa0 / fedagm获得