联合学习（FL）在许多分散的用户中训练全球模型，每个用户都有本地数据集。与传统的集中学习相比，FL不需要直接访问本地数据集，因此旨在减轻数据隐私问题。但是，由于推理攻击，包括成员推理，属性推理和数据反演，FL中的数据隐私泄漏仍然存在。在这项工作中，我们提出了一种新型的隐私推理攻击，创造的偏好分析攻击（PPA），它准确地介绍了本地用户的私人偏好，例如，最喜欢（不喜欢）来自客户的在线购物中的（不喜欢）项目和最常见的表达式从用户的自拍照中。通常，PPA可以在本地客户端（用户）的特征上介绍top-k（即，尤其是k = 1、2、3和k = 1）的偏好。我们的关键见解是，本地用户模型的梯度变化对给定类别的样本比例（尤其是大多数（少数）类别的样本比例具有明显的敏感性。通过观察用户模型对类的梯度敏感性，PPA可以介绍用户本地数据集中类的样本比例，从而公开用户对类的偏好。 FL的固有统计异质性进一步促进了PPA。我们使用四个数据集（MNIST，CIFAR10，RAF-DB和PRODUCTS-10K）广泛评估了PPA的有效性。我们的结果表明，PPA分别达到了MNIST和CIFAR10的90％和98％的TOP-1攻击精度。更重要的是，在实际的购物商业商业场景（即产品-10k）和社交网络（即RAF-DB）中，PPA在前一种情况下，PPA获得了78％的TOP-1攻击精度，以推断出最有序的物品（即作为商业竞争对手），在后一种情况下，有88％来推断受害者用户最常见的面部表情，例如恶心。

In recent years, mobile devices are equipped with increasingly advanced sensing and computing capabilities. Coupled with advancements in Deep Learning (DL), this opens up countless possibilities for meaningful applications, e.g., for medical purposes and in vehicular networks. Traditional cloudbased Machine Learning (ML) approaches require the data to be centralized in a cloud server or data center. However, this results in critical issues related to unacceptable latency and communication inefficiency. To this end, Mobile Edge Computing (MEC) has been proposed to bring intelligence closer to the edge, where data is produced. However, conventional enabling technologies for ML at mobile edge networks still require personal data to be shared with external parties, e.g., edge servers. Recently, in light of increasingly stringent data privacy legislations and growing privacy concerns, the concept of Federated Learning (FL) has been introduced. In FL, end devices use their local data to train an ML model required by the server. The end devices then send the model updates rather than raw data to the server for aggregation. FL can serve as an enabling technology in mobile edge networks since it enables the collaborative training of an ML model and also enables DL for mobile edge network optimization. However, in a large-scale and complex mobile edge network, heterogeneous devices with varying constraints are involved. This raises challenges of communication costs, resource allocation, and privacy and security in the implementation of FL at scale. In this survey, we begin with an introduction to the background and fundamentals of FL. Then, we highlight the aforementioned challenges of FL implementation and review existing solutions. Furthermore, we present the applications of FL for mobile edge network optimization. Finally, we discuss the important challenges and future research directions in FL.

联合学习使多个用户能够通过共享其模型更新（渐变）来构建联合模型，而其原始数据在其设备上保持本地。与常见的信念相比，这提供了隐私福利，我们在共享渐变时，我们在这里增加了隐私风险的最新结果。具体而言，我们调查梯度（LLG）的标签泄漏，这是一种新建攻击，从他们的共享梯度提取用户培训数据的标签。该攻击利用梯度的方向和幅度来确定任何标签的存在或不存在。 LLG简单且有效，能够泄漏由标签表示的电位敏感信息，并缩放到任意批量尺寸和多个类别。在数学上以及经验上证明了不同设置下攻击的有效性。此外，经验结果表明，LLG在模型训练的早期阶段以高精度成功提取标签。我们还讨论了针对这种泄漏的不同防御机制。我们的研究结果表明，梯度压缩是减轻攻击的实用技术。

对网络攻击的现代防御越来越依赖于主动的方法，例如，基于过去的事件来预测对手的下一个行动。建立准确的预测模型需要许多组织的知识； las，这需要披露敏感信息，例如网络结构，安全姿势和政策，这些信息通常是不受欢迎的或完全不可能的。在本文中，我们探讨了使用联合学习（FL）预测未来安全事件的可行性。为此，我们介绍了Cerberus，这是一个系统，可以为参与组织的复发神经网络（RNN）模型进行协作培训。直觉是，FL可能会在非私有方法之间提供中间地面，在非私有方法中，训练数据在中央服务器上合并，而仅训练本地模型的较低性替代方案。我们将Cerberus实例化在从一家大型安全公司的入侵预防产品中获得的数据集上，并评估其有关实用程序，鲁棒性和隐私性，以及参与者如何从系统中贡献和受益。总体而言，我们的工作阐明了将FL执行此任务的积极方面和挑战，并为部署联合方法以进行预测安全铺平了道路。

Differentially private federated learning (DP-FL) has received increasing attention to mitigate the privacy risk in federated learning. Although different schemes for DP-FL have been proposed, there is still a utility gap. Employing central Differential Privacy in FL (CDP-FL) can provide a good balance between the privacy and model utility, but requires a trusted server. Using Local Differential Privacy for FL (LDP-FL) does not require a trusted server, but suffers from lousy privacy-utility trade-off. Recently proposed shuffle DP based FL has the potential to bridge the gap between CDP-FL and LDP-FL without a trusted server; however, there is still a utility gap when the number of model parameters is large. In this work, we propose OLIVE, a system that combines the merits from CDP-FL and LDP-FL by leveraging Trusted Execution Environment (TEE). Our main technical contributions are the analysis and countermeasures against the vulnerability of TEE in OLIVE. Firstly, we theoretically analyze the memory access pattern leakage of OLIVE and find that there is a risk for sparsified gradients, which is common in FL. Secondly, we design an inference attack to understand how the memory access pattern could be linked to the training data. Thirdly, we propose oblivious yet efficient algorithms to prevent the memory access pattern leakage in OLIVE. Our experiments on real-world data demonstrate that OLIVE is efficient even when training a model with hundreds of thousands of parameters and effective against side-channel attacks on TEE.

联合学习中的隐私（FL）以两种不同的粒度进行了研究：项目级，该项目级别保护单个数据点和用户级别，该数据点保护联邦中的每个用户（参与者）。几乎所有的私人文献都致力于研究这两种粒度的隐私攻击和防御。最近，主题级隐私已成为一种替代性隐私粒度，以保护个人（数据主体）的隐私（数据主题），其数据分布在跨索洛FL设置中的多个（组织）用户。对手可能有兴趣通过攻击受过训练的模型来恢复有关这些人（又称emph {data主体}）的私人信息。对这些模式的系统研究需要对联邦的完全控制，而实际数据集是不可能的。我们设计了一个模拟器，用于生成各种合成联邦配置，使我们能够研究数据的属性，模型设计和培训以及联合会本身如何影响主题隐私风险。我们提出了\ emph {主题成员推理}的三个攻击，并检查影响攻击功效的联邦中所有因素之间的相互作用。我们还研究了差异隐私在减轻这种威胁方面的有效性。我们的收获概括到像女权主义者这样的现实世界数据集中，对我们的发现赋予了信任。

由于联邦学习（FL）的分布性质，研究人员发现FL容易受到后门攻击的影响，该攻击旨在将子任务注入FL而不破坏主要任务的性能。当在FL模型收敛上注入时，单发后门攻击在主要任务和后门子任务上都可以达到高度精度。但是，早期注射的单发后门攻击是无效的，因为：（1）由于正常局部更新的稀释效果，在注射时未达到最大的后门效果； （2）后门效应迅速下降，因为后门将被新的普通本地更新所覆盖。在本文中，我们利用FL模型信息泄漏加强了早期注射的单发后门攻击。我们表明，如果客户在模拟整个人群的分布和梯度的数据集上进行训练，则可以加快FL收敛速度。基于这一观察结果，我们提出了两阶段的后门攻击，其中包括随后的后门攻击的初步阶段。在初步阶段，受攻击者控制的客户首先启动了整个人口分布推理攻击，然后在本地制作的数据集上进行训练，该数据集与梯度和推断分布保持一致。从初步阶段中受益，后来注射的后门实现了更好的有效性，因为后门效应不太可能被普通模型更新稀释。在各种数据异质性设置下，在MNIST数据集上进行了广泛的实验，以评估拟议的后门攻击的有效性。结果表明，即使有防御机制，该提议的后门以成功率和寿命都优于现有的后门攻击。

Deep neural networks are susceptible to various inference attacks as they remember information about their training data. We design white-box inference attacks to perform a comprehensive privacy analysis of deep learning models. We measure the privacy leakage through parameters of fully trained models as well as the parameter updates of models during training. We design inference algorithms for both centralized and federated learning, with respect to passive and active inference attackers, and assuming different adversary prior knowledge.We evaluate our novel white-box membership inference attacks against deep learning algorithms to trace their training data records. We show that a straightforward extension of the known black-box attacks to the white-box setting (through analyzing the outputs of activation functions) is ineffective. We therefore design new algorithms tailored to the white-box setting by exploiting the privacy vulnerabilities of the stochastic gradient descent algorithm, which is the algorithm used to train deep neural networks. We investigate the reasons why deep learning models may leak information about their training data. We then show that even well-generalized models are significantly susceptible to white-box membership inference attacks, by analyzing stateof-the-art pre-trained and publicly available models for the CIFAR dataset. We also show how adversarial participants, in the federated learning setting, can successfully run active membership inference attacks against other participants, even when the global model achieves high prediction accuracies.

机器学习（ML）模型已广泛应用于各种应用，包括图像分类，文本生成，音频识别和图形数据分析。然而，最近的研究表明，ML模型容易受到隶属推导攻击（MIS），其目的是推断数据记录是否用于训练目标模型。 ML模型上的MIA可以直接导致隐私违规行为。例如，通过确定已经用于训练与某种疾病相关的模型的临床记录，攻击者可以推断临床记录的所有者具有很大的机会。近年来，MIS已被证明对各种ML模型有效，例如，分类模型和生成模型。同时，已经提出了许多防御方法来减轻米西亚。虽然ML模型上的MIAS形成了一个新的新兴和快速增长的研究区，但还没有对这一主题进行系统的调查。在本文中，我们对会员推论和防御进行了第一个全面调查。我们根据其特征提供攻击和防御的分类管理，并讨论其优点和缺点。根据本次调查中确定的限制和差距，我们指出了几个未来的未来研究方向，以激发希望遵循该地区的研究人员。这项调查不仅是研究社区的参考，而且还为该研究领域之外的研究人员带来了清晰的照片。为了进一步促进研究人员，我们创建了一个在线资源存储库，并与未来的相关作品继续更新。感兴趣的读者可以在https://github.com/hongshenghu/membership-inference-machine-learning-literature找到存储库。

联合学习（FL）和分裂学习（SL）是两种新兴的协作学习方法，可能会极大地促进物联网（IoT）中无处不在的智能。联合学习使机器学习（ML）模型在本地培训的模型使用私人数据汇总为全球模型。分裂学习使ML模型的不同部分可以在学习框架中对不同工人进行协作培训。联合学习和分裂学习，每个学习都有独特的优势和各自的局限性，可能会相互补充，在物联网中无处不在的智能。因此，联合学习和分裂学习的结合最近成为一个活跃的研究领域，引起了广泛的兴趣。在本文中，我们回顾了联合学习和拆分学习方面的最新发展，并介绍了有关最先进技术的调查，该技术用于将这两种学习方法组合在基于边缘计算的物联网环境中。我们还确定了一些开放问题，并讨论了该领域未来研究的可能方向，希望进一步引起研究界对这个新兴领域的兴趣。

语音情感识别（SER）处理语音信号以检测和表征表达的感知情绪。许多SER应用系统经常获取和传输在客户端收集的语音数据，以远程云平台进行推理和决策。然而，语音数据不仅涉及在声乐表达中传达的情绪，而且还具有其他敏感的人口特征，例如性别，年龄和语言背景。因此，塞尔系统希望能够在防止敏感和人口统计信息的意外/不正当推论的同时对情感构建进行分类的能力。联合学习（FL）是一个分布式机器学习范例，其协调客户端，以便在不共享其本地数据的情况下协同培训模型。此培训方法似乎是安全的，可以提高SER的隐私。然而，最近的作品表明，流动方法仍然容易受到重建攻击和会员推论攻击等各种隐私攻击的影响。虽然这些大部分都集中在计算机视觉应用程序上，但是使用FL技术训练的SER系统中存在这种信息泄漏。为了评估使用FL培训的SER系统的信息泄漏，我们提出了一个属性推理攻击框架，其分别涉及来自共享梯度或模型参数的客户端的敏感属性信息，分别对应于FEDSGD和FADAVG训练算法。作为一种用例，我们使用三个SER基准数据集来统一地评估我们预测客户的性别信息的方法：IEMocap，Crema-D和MSP-EXPLA。我们表明，使用FL培训的SER系统可实现属性推理攻击。我们进一步确定大多数信息泄漏可能来自SER模型中的第一层。

制药行业可以更好地利用其数据资产来通过协作机器学习平台虚拟化药物发现。另一方面，由于参与者的培训数据的意外泄漏，存在不可忽略的风险，因此，对于这样的平台，必须安全和隐私权。本文介绍了在药物发现的临床前阶段进行协作建模的隐私风险评估，以加快有前途的候选药物的选择。在最新推理攻击的简短分类法之后，我们采用并定制了几种基础情况。最后，我们用一些相关的隐私保护技术来描述和实验，以减轻此类攻击。

窃取对受控信息的攻击，以及越来越多的信息泄漏事件，已成为近年来新兴网络安全威胁。由于蓬勃发展和部署先进的分析解决方案，新颖的窃取攻击利用机器学习（ML）算法来实现高成功率并导致大量损坏。检测和捍卫这种攻击是挑战性和紧迫的，因此政府，组织和个人应该非常重视基于ML的窃取攻击。本调查显示了这种新型攻击和相应对策的最新进展。以三类目标受控信息的视角审查了基于ML的窃取攻击，包括受控用户活动，受控ML模型相关信息和受控认证信息。最近的出版物总结了概括了总体攻击方法，并导出了基于ML的窃取攻击的限制和未来方向。此外，提出了从三个方面制定有效保护的对策 - 检测，破坏和隔离。

联合学习允许一组用户在私人训练数据集中培训深度神经网络。在协议期间，数据集永远不会留下各个用户的设备。这是通过要求每个用户向中央服务器发送“仅”模型更新来实现，从而汇总它们以更新深神经网络的参数。然而，已经表明，每个模型更新都具有关于用户数据集的敏感信息（例如，梯度反转攻击）。联合学习的最先进的实现通过利用安全聚合来保护这些模型更新：安全监控协议，用于安全地计算用户的模型更新的聚合。安全聚合是关键，以保护用户的隐私，因为它会阻碍服务器学习用户提供的个人模型更新的源，防止推断和数据归因攻击。在这项工作中，我们表明恶意服务器可以轻松地阐明安全聚合，就像后者未到位一样。我们设计了两种不同的攻击，能够在参与安全聚合的用户数量上，独立于参与安全聚合的用户数。这使得它们在大规模现实世界联邦学习应用中的具体威胁。攻击是通用的，不瞄准任何特定的安全聚合协议。即使安全聚合协议被其理想功能替换为提供完美的安全性的理想功能，它们也同样有效。我们的工作表明，安全聚合与联合学习相结合，当前实施只提供了“虚假的安全感”。

In terms of artificial intelligence, there are several security and privacy deficiencies in the traditional centralized training methods of machine learning models by a server. To address this limitation, federated learning (FL) has been proposed and is known for breaking down ``data silos" and protecting the privacy of users. However, FL has not yet gained popularity in the industry, mainly due to its security, privacy, and high cost of communication. For the purpose of advancing the research in this field, building a robust FL system, and realizing the wide application of FL, this paper sorts out the possible attacks and corresponding defenses of the current FL system systematically. Firstly, this paper briefly introduces the basic workflow of FL and related knowledge of attacks and defenses. It reviews a great deal of research about privacy theft and malicious attacks that have been studied in recent years. Most importantly, in view of the current three classification criteria, namely the three stages of machine learning, the three different roles in federated learning, and the CIA (Confidentiality, Integrity, and Availability) guidelines on privacy protection, we divide attack approaches into two categories according to the training stage and the prediction stage in machine learning. Furthermore, we also identify the CIA property violated for each attack method and potential attack role. Various defense mechanisms are then analyzed separately from the level of privacy and security. Finally, we summarize the possible challenges in the application of FL from the aspect of attacks and defenses and discuss the future development direction of FL systems. In this way, the designed FL system has the ability to resist different attacks and is more secure and stable.

从公共机器学习（ML）模型中泄漏数据是一个越来越重要的领域，因为ML的商业和政府应用可以利用多个数据源，可能包括用户和客户的敏感数据。我们对几个方面的当代进步进行了全面的调查，涵盖了非自愿数据泄漏，这对ML模型很自然，潜在的恶毒泄漏是由隐私攻击引起的，以及目前可用的防御机制。我们专注于推理时间泄漏，这是公开可用模型的最可能场景。我们首先在不同的数据，任务和模型体系结构的背景下讨论什么是泄漏。然后，我们提出了跨非自愿和恶意泄漏的分类法，可用的防御措施，然后进行当前可用的评估指标和应用。我们以杰出的挑战和开放性的问题结束，概述了一些有希望的未来研究方向。

Collaborative machine learning and related techniques such as federated learning allow multiple participants, each with his own training dataset, to build a joint model by training locally and periodically exchanging model updates. We demonstrate that these updates leak unintended information about participants' training data and develop passive and active inference attacks to exploit this leakage. First, we show that an adversarial participant can infer the presence of exact data points-for example, specific locations-in others' training data (i.e., membership inference). Then, we show how this adversary can infer properties that hold only for a subset of the training data and are independent of the properties that the joint model aims to capture. For example, he can infer when a specific person first appears in the photos used to train a binary gender classifier. We evaluate our attacks on a variety of tasks, datasets, and learning configurations, analyze their limitations, and discuss possible defenses.

联邦学习（FL）引起了人们对在存储在多个用户中的数据中启用隐私的机器学习的兴趣，同时避免将数据移动到偏离设备上。但是，尽管数据永远不会留下用户的设备，但仍然无法保证隐私，因为用户培训数据的重大计算以训练有素的本地模型的形式共享。最近，这些本地模型通过不同的隐私攻击（例如模型反演攻击）构成了实质性的隐私威胁。作为一种补救措施，通过保证服务器只能学习全局聚合模型更新，而不是单个模型更新，从而开发了安全汇总（SA）作为保护佛罗里达隐私的框架。尽管SA确保没有泄漏有关单个模型更新超出汇总模型更新的其他信息，但对于SA实际上可以提供多少私密性fl，没有正式的保证；由于有关单个数据集的信息仍然可以通过在服务器上计算的汇总模型泄漏。在这项工作中，我们对使用SA的FL的正式隐私保证进行了首次分析。具体而言，我们使用共同信息（MI）作为定量度量，并在每个用户数据集的信息上可以通过汇总的模型更新泄漏有关多少信息。当使用FEDSGD聚合算法时，我们的理论界限表明，隐私泄漏量随着SA参与FL的用户数量而线性减少。为了验证我们的理论界限，我们使用MI神经估计量来凭经验评估MNIST和CIFAR10数据集的不同FL设置下的隐私泄漏。我们的实验验证了FEDSGD的理论界限，随着用户数量和本地批量的增长，隐私泄漏的减少，并且随着培训回合的数量，隐私泄漏的增加。

联合学习（FL）提供了一个有效的范式，可以共同培训分布式用户的数据的全球模型。由于本地培训数据来自可能不值得信赖的不同用户，因此一些研究表明，FL容易受到中毒攻击的影响。同时，为了保护本地用户的隐私，FL始终以差异性私人方式（DPFL）进行培训。因此，在本文中，我们问：我们是否可以利用DPFL的先天隐私权来提供对中毒攻击的认证鲁棒性？我们可以进一步改善FL的隐私以改善这种认证吗？我们首先研究了FL的用户级和实例级别的隐私，并提出了新的机制以获得改进的实例级隐私。然后，我们提供两个鲁棒性认证标准：两级DPFL的认证预测和认证攻击成本。从理论上讲，我们证明了DPFL在有限数量的对抗用户或实例下的认证鲁棒性。从经验上讲，我们进行了广泛的实验，以在对不同数据集的一系列攻击下验证我们的理论。我们表明，具有更严格的隐私保证的DPFL总是在认证攻击成本方面提供更强的鲁棒性认证，但是在隐私保护和公用事业损失之间的适当平衡下，获得了最佳认证预测。

联邦学习一直是一个热门的研究主题，使不同组织的机器学习模型的协作培训在隐私限制下。随着研究人员试图支持更多具有不同隐私方法的机器学习模型，需要开发系统和基础设施，以便于开发各种联合学习算法。类似于Pytorch和Tensorflow等深度学习系统，可以增强深度学习的发展，联邦学习系统（FLSS）是等效的，并且面临各个方面的面临挑战，如有效性，效率和隐私。在本调查中，我们对联合学习系统进行了全面的审查。为实现流畅的流动和引导未来的研究，我们介绍了联合学习系统的定义并分析了系统组件。此外，我们根据六种不同方面提供联合学习系统的全面分类，包括数据分布，机器学习模型，隐私机制，通信架构，联合集市和联合的动机。分类可以帮助设计联合学习系统，如我们的案例研究所示。通过系统地总结现有联合学习系统，我们展示了设计因素，案例研究和未来的研究机会。