Recently, lots of algorithms have been proposed for learning a fair classifier from decentralized data. However, many theoretical and algorithmic questions remain open. First, is federated learning necessary, i.e., can we simply train locally fair classifiers and aggregate them? In this work, we first propose a new theoretical framework, with which we demonstrate that federated learning can strictly boost model fairness compared with such non-federated algorithms. We then theoretically and empirically show that the performance tradeoff of FedAvg-based fair learning algorithms is strictly worse than that of a fair classifier trained on centralized data. To bridge this gap, we propose FedFB, a private fair learning algorithm on decentralized data. The key idea is to modify the FedAvg protocol so that it can effectively mimic the centralized fair learning. Our experimental results show that FedFB significantly outperforms existing approaches, sometimes matching the performance of the centrally trained model.

在联邦学习中，对受保护群体的公平预测是许多应用程序的重要限制。不幸的是，先前研究集团联邦学习的工作往往缺乏正式的融合或公平保证。在这项工作中，我们为可证明的公平联合学习提供了一个一般框架。特别是，我们探索并扩展了有限的群体损失的概念，作为理论上的群体公平方法。使用此设置，我们提出了一种可扩展的联合优化方法，该方法在许多群体公平限制下优化了经验风险。我们为该方法提供收敛保证，并为最终解决方案提供公平保证。从经验上讲，我们评估了公平ML和联合学习的共同基准的方法，表明它可以比基线方法提供更公平，更准确的预测。

我们展示了一个联合学习框架，旨在强大地提供具有异构数据的各个客户端的良好预测性能。所提出的方法对基于SuperQualile的学习目标铰接，捕获异构客户端的误差分布的尾统计。我们提出了一种随机训练算法，其与联合平均步骤交织差异私人客户重新重量步骤。该提出的算法支持有限时间收敛保证，保证覆盖凸和非凸面设置。关于联邦学习的基准数据集的实验结果表明，我们的方法在平均误差方面与古典误差竞争，并且在误差的尾统计方面优于它们。

The increasing size of data generated by smartphones and IoT devices motivated the development of Federated Learning (FL), a framework for on-device collaborative training of machine learning models. First efforts in FL focused on learning a single global model with good average performance across clients, but the global model may be arbitrarily bad for a given client, due to the inherent heterogeneity of local data distributions. Federated multi-task learning (MTL) approaches can learn personalized models by formulating an opportune penalized optimization problem. The penalization term can capture complex relations among personalized models, but eschews clear statistical assumptions about local data distributions. In this work, we propose to study federated MTL under the flexible assumption that each local data distribution is a mixture of unknown underlying distributions. This assumption encompasses most of the existing personalized FL approaches and leads to federated EM-like algorithms for both client-server and fully decentralized settings. Moreover, it provides a principled way to serve personalized models to clients not seen at training time. The algorithms' convergence is analyzed through a novel federated surrogate optimization framework, which can be of general interest. Experimental results on FL benchmarks show that our approach provides models with higher accuracy and fairness than state-of-the-art methods.

跨核心联合学习（FL）已成为医疗保健机器学习应用程序中有前途的工具。它允许医院/机构在数据私有时使用足够的数据培训模型。为了确保FL模型在FL客户之间面对异质数据时，大多数努力都集中在为客户个性化模型上。但是，客户数据之间的潜在关系被忽略了。在这项工作中，我们专注于一个特殊的非IID FL问题，称为域混合FL，其中每个客户的数据分布都被认为是几个预定域的混合物。认识到域的多样性和域内的相似性，我们提出了一种新颖的方法Feddar，该方法以脱钩的方式学习了域共享表示形式和域名个性化的预测头。对于简化的线性回归设置，我们从理论上证明了Feddar具有线性收敛速率。对于一般环境，我们对合成和现实世界医学数据集进行了深入的经验研究，这些研究表明了其优越性比先前的FL方法。

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。

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。

联合学习（FL）已成为一个重要的机器学习范例，其中全局模型根据分布式客户端的私有数据培训。然而，由于分布转移，现有的大多数流体算法不能保证对不同客户或不同的样本组的性能公平。最近的研究侧重于在客户之间实现公平性，但它们忽视了敏感属性（例如，性别和/或种族）形成的不同群体的公平，这在实际应用中是重要和实用的。为了弥合这一差距，我们制定统一小组公平的目标，该目标是在不同群体中学习具有类似表现的公平全球模式。为了实现任意敏感属性的统一组公平，我们提出了一种新颖的FL算法，命名为集团分布强制性联邦平均（G-DRFA），其跨组减轻了与收敛速度的理论分析的分布转移。具体而言，我们将联邦全球模型的性能视为目标，并采用分布稳健的技术，以最大化最坏性地组的性能在组重新传递集团的不确定性上。我们在实验中验证了G-DRFA算法的优点，结果表明，G-DRFA算法优于统一组公平现有的公平联合学习算法。

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.

联合学习（FL）是分布式学习的一种变体，其中Edge设备可以协作学习模型，而无需与中央服务器或彼此共享数据。我们将使用公共客户库作为多模型FL的联合设置中同时培训多个独立模型的过程。在这项工作中，我们提出了用于多模型FL的流行FedAvg算法的两个变体，并具有可证明的收敛保证。我们进一步表明，对于相同数量的计算，多模型FL可以比单独训练每个模型具有更好的性能。我们通过在强凸，凸和非凸面设置中进行实验来补充理论结果。

我们认为在数据异质性下实现联合学习（FL）的公平分类问题。为公平分类提出的大多数方法都需要不同的数据，这些数据代表了所涉及的不同人口群体。相比之下，每个客户端都是拥有仅代表单个人口统计组的数据。因此，在客户级别的公平分类模型无法采用现有方法。为了解决这一挑战，我们提出了几种聚合技术。我们通过比较Celeba，UTK和Fairace数据集上产生的公平度量和准确性来凭经验验证这些技术。

众所周知，客户师沟通可能是联邦学习中的主要瓶颈。在这项工作中，我们通过一种新颖的客户端采样方案解决了这个问题，我们将允许的客户数量限制为将其更新传达给主节点的数量。在每个通信回合中，所有参与的客户都会计算他们的更新，但只有具有“重要”更新的客户可以与主人通信。我们表明，可以仅使用更新的规范来衡量重要性，并提供一个公式以最佳客户参与。此公式将所有客户参与的完整更新与我们有限的更新（参与客户数量受到限制）之间的距离最小化。此外，我们提供了一种简单的算法，该算法近似于客户参与的最佳公式，该公式仅需要安全的聚合，因此不会损害客户的隐私。我们在理论上和经验上都表明，对于分布式SGD（DSGD）和联合平均（FedAvg），我们的方法的性能可以接近完全参与，并且优于基线，在参与客户均匀地采样的基线。此外，我们的方法与现有的减少通信开销（例如本地方法和通信压缩方法）的现有方法兼容。

由于客户端之间标签不平衡的普遍性，联邦对抗域适应是一种独特的分布式Minimax培训任务，每个客户端只看到培训全局模型所需的标签类的子集。为了解决这个问题，我们提出了一个分布式Minimax优化器，称为FEDMM，专为联邦对抗域适应问题而设计。即使在每个客户端具有不同的标签类，某些客户端只有无监督的任务，它也运作良好。我们证明了FEDMM确保将达到域移位无监督数据的静止点收敛。在各种基准数据集中，广泛的实验表明，基于梯度下降升降算法例如，当从头划伤训练时，它以相同的通信回合占据了其他基于GDA的联合平均方法的准确性约为20％;当从预先训练的模型培训时，它始终如一地优于不同网络的5.4 \％$ 9 \％$ 9 \％$。

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.

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.

大规模的机器学习系统通常涉及分布在用户集合中的数据。联合学习算法通过将模型更新传达给中央服务器而不是整个数据集来利用此结构。在本文中，我们研究了一个个性化联合学习设置的随机优化算法，涉及符合用户级别（联合）差异隐私的本地和全球模型。在学习私人全球模型的同时，促进了隐私成本，但本地学习是完全私人的。我们提供概括保证，表明与私人集中学习协调本地学习可以产生一种普遍有用和改进的精度和隐私之间的权衡。我们通过有关合成和现实世界数据集的实验来说明我们的理论结果。

联合学习通过与大量参与者启用学习统计模型的同时将其数据保留在本地客户中，从而提供了沟通效率和隐私的培训过程。但是，将平均损失函数天真地最小化的标准联合学习技术容易受到来自异常值，系统错误标签甚至对手的数据损坏。此外，由于对用户数据隐私的关注，服务提供商通常会禁止使用数据样本的质量。在本文中，我们通过提出自动加权的强大联合学习（ARFL）来应对这一挑战，这是一种新颖的方法，可以共同学习全球模型和本地更新的权重，以提供针对损坏的数据源的鲁棒性。我们证明了关于预测因素和客户权重的预期风险的学习，这指导着强大的联合学习目标的定义。通过将客户的经验损失与最佳P客户的平均损失进行比较，可以分配权重，因此我们可以减少损失较高的客户，从而降低对全球模型的贡献。我们表明，当损坏的客户的数据与良性不同时，这种方法可以实现鲁棒性。为了优化目标函数，我们根据基于块最小化范式提出了一种通信效率算法。我们考虑了不同的深层神经网络模型，在包括CIFAR-10，女权主义者和莎士比亚在内的多个基准数据集上进行实验。结果表明，我们的解决方案在不同的情况下具有鲁棒性，包括标签改组，标签翻转和嘈杂的功能，并且在大多数情况下都优于最先进的方法。

隐私和沟通效率是联邦神经网络培训中的重要挑战，并将它们组合仍然是一个公开的问题。在这项工作中，我们开发了一种统一高度压缩通信和差异隐私（DP）的方法。我们引入基于相对熵编码（REC）到联合设置的压缩技术。通过对REC进行微小的修改，我们获得了一种可怕的私立学习算法，DP-REC，并展示了如何计算其隐私保证。我们的实验表明，DP-REC大大降低了通信成本，同时提供与最先进的隐私保证。

垂直联合学习（VFL）引起了越来越多的兴趣，因为它使多个政党具有非重叠功能来增强其机器学习模型，而无需透露其私人数据和模型参数。与其他机器学习算法相似，VFL面对公平性的需求和挑战，即，对某些具有敏感属性的群体，学习的模型可能具有不公平的歧视性。为了解决这个问题，我们在这项工作中提出了一个公平的VFL框架。首先，我们系统地制定了VFL中培训公平模型的问题，其中学习任务被建模为受约束的优化问题。要以联合和保护隐私的方式解决它，我们考虑了问题的等效双重形式，并开发出异步的梯度坐标坐标升级算法，其中一些活动的数据派对在每个通信中执行多个并行的本地化更新，以有效地减少数量的数量沟通回合。服务器发送给被动方的消息是故意设计的，以使本地更新所需的信息不会侵犯数据和敏感属性的隐私。当将算法应用于一般的非Convex-Concove Min-Max问题时，我们严格研究该算法的收敛性。我们证明该算法在$ \ Mathcal {o}中找到了双目标的$ \ delta $ stationary点（\ delta^{ - 4}）$在温和条件下循环。最后，在三个基准数据集上进行的广泛实验证明了我们在培训公平模型中方法的出色性能。

标准联合优化方法成功地适用于单层结构的随机问题。然而，许多当代的ML问题 - 包括对抗性鲁棒性，超参数调整和参与者 - 批判性 - 属于嵌套的双层编程，这些编程包含微型型和组成优化。在这项工作中，我们提出了\ fedblo：一种联合交替的随机梯度方法来解决一般的嵌套问题。我们在存在异质数据的情况下为\ fedblo建立了可证明的收敛速率，并引入了二聚体，最小值和组成优化的变化。\ fedblo引入了多种创新，包括联邦高级计算和降低方差，以解决内部级别的异质性。我们通过有关超参数\＆超代理学习和最小值优化的实验来补充我们的理论，以证明我们方法在实践中的好处。代码可在https://github.com/ucr-optml/fednest上找到。