已经提出了安全的多方计算（MPC），以允许多个相互不信任的数据所有者在其合并数据上共同训练机器学习（ML）模型。但是，通过设计，MPC协议忠实地计算了训练功能，对抗性ML社区已证明该功能泄漏了私人信息，并且可以在中毒攻击中篡改。在这项工作中，我们认为在我们的框架中实现的模型合奏是一种称为Safenet的框架，是MPC的高度无限方法，可以避免许多对抗性ML攻击。 MPC培训中所有者之间数据的自然分区允许这种方法在训练时间高度可扩展，可证明可保护免受中毒攻击的保护，并证明可以防御许多隐私攻击。我们展示了Safenet对在端到端和转移学习方案训练的几个机器学习数据集和模型上中毒的效率，准确性和韧性。例如，Safenet可显着降低后门攻击的成功，同时获得$ 39 \ times $ $的培训，$ 36 \ times $ $ $少于达尔斯科夫（Dalskov）等人的四方MPC框架。我们的实验表明，即使在许多非IID设置中，结合也能保留这些好处。结合的简单性，廉价的设置和鲁棒性属性使其成为MPC私下培训ML模型的强大首选。

拜占庭式联合学习（FL）旨在对抗恶意客户并培训准确的全球模型，同时保持极低的攻击成功率。然而，大多数现有系统仅在诚实/半hon最达克的多数设置中都具有强大的功能。 FLTRUST（NDSS '21）将上下文扩展到对客户的恶意多数，但在训练之前，应在训练之前为服务器提供辅助数据集，以便过滤恶意输入。私人火焰/flguard（Usenix '22）提供了一种解决方案，以确保在半多数上下文中既有稳健性和更新机密性。到目前为止，不可能平衡恶意背景，鲁棒性和更新机密性之间的权衡。为了解决这个问题，我们提出了一种新颖的拜占庭式bybust和隐私的FL系统，称为简介，以捕获恶意的少数群体和多数服务器和客户端。具体而言，基于DBSCAN算法，我们设计了一种通过成对调整的余弦相似性聚类的新方法，以提高聚类结果的准确性。为了阻止多数攻击恶意的攻击，我们开发了一种称为模型分割的算法，在该算法中，同一集群中的本地更新聚集在一起，并且将聚合正确地发送回相应的客户端。我们还利用多种密码工具来执行聚类任务，而无需牺牲培训正确性并更新机密性。我们介绍了详细的安全证明和经验评估以及简要的收敛分析。实验结果表明，简介的测试精度实际上接近FL基线（平均为0.8％的差距）。同时，攻击成功率约为0％-5％。我们进一步优化了设计，以便可以分别降低{67％-89.17％和66.05％-68.75％}的通信开销和运行时。

Federated learning is a collaborative method that aims to preserve data privacy while creating AI models. Current approaches to federated learning tend to rely heavily on secure aggregation protocols to preserve data privacy. However, to some degree, such protocols assume that the entity orchestrating the federated learning process (i.e., the server) is not fully malicious or dishonest. We investigate vulnerabilities to secure aggregation that could arise if the server is fully malicious and attempts to obtain access to private, potentially sensitive data. Furthermore, we provide a method to further defend against such a malicious server, and demonstrate effectiveness against known attacks that reconstruct data in a federated learning setting.

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。

联邦机器学习利用边缘计算来开发网络用户数据的模型，但联合学习的隐私仍然是一个重大挑战。已经提出了使用差异隐私的技术来解决这一点，但是带来了自己的挑战 - 许多人需要一个值得信赖的第三方，或者增加了太多的噪音来生产有用的模型。使用多方计算的\ EMPH {SERVE聚合}的最新进步消除了对第三方的需求，但是在计算上尤其在规模上昂贵。我们提出了一种新的联合学习协议，利用了一种基于与错误学习的技术的新颖差异私有的恶意安全聚合协议。我们的协议优于当前最先进的技术，并且经验结果表明它缩放到大量方面，具有任何差别私有联合学习方案的最佳精度。

Federated Learning (FL) is a scheme for collaboratively training Deep Neural Networks (DNNs) with multiple data sources from different clients. Instead of sharing the data, each client trains the model locally, resulting in improved privacy. However, recently so-called targeted poisoning attacks have been proposed that allow individual clients to inject a backdoor into the trained model. Existing defenses against these backdoor attacks either rely on techniques like Differential Privacy to mitigate the backdoor, or analyze the weights of the individual models and apply outlier detection methods that restricts these defenses to certain data distributions. However, adding noise to the models' parameters or excluding benign outliers might also reduce the accuracy of the collaboratively trained model. Additionally, allowing the server to inspect the clients' models creates a privacy risk due to existing knowledge extraction methods. We propose CrowdGuard, a model filtering defense, that mitigates backdoor attacks by leveraging the clients' data to analyze the individual models before the aggregation. To prevent data leaks, the server sends the individual models to secure enclaves, running in client-located Trusted Execution Environments. To effectively distinguish benign and poisoned models, even if the data of different clients are not independently and identically distributed (non-IID), we introduce a novel metric called HLBIM to analyze the outputs of the DNN's hidden layers. We show that the applied significance-based detection algorithm combined can effectively detect poisoned models, even in non-IID scenarios. We show in our extensive evaluation that CrowdGuard can effectively mitigate targeted poisoning attacks and achieve in various scenarios a True-Positive-Rate of 100% and a True-Negative-Rate of 100%.

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”。

联合学习是用于培训分布式，敏感数据的培训模型的流行策略，同时保留了数据隐私。先前的工作确定了毒害数据或模型的联合学习方案的一系列安全威胁。但是，联合学习是一个网络系统，客户与服务器之间的通信对于学习任务绩效起着至关重要的作用。我们强调了沟通如何在联邦学习中引入另一个漏洞表面，并研究网络级对手对训练联合学习模型的影响。我们表明，从精心选择的客户中删除网络流量的攻击者可以大大降低目标人群的模型准确性。此外，我们表明，来自少数客户的协调中毒运动可以扩大降低攻击。最后，我们开发了服务器端防御，通过识别和上采样的客户可能对目标准确性做出积极贡献，从而减轻了攻击的影响。我们在三个数据集上全面评估了我们的攻击和防御，假设具有网络部分可见性的加密通信渠道和攻击者。

虽然最近的作品表明，联邦学习（FL）可能易受受损客户的袭击攻击，但它们对生产流系统的实际影响尚未完全理解。在这项工作中，我们的目标是通过枚举所有可能的威胁模型，中毒变化和对手的能力来制定综合系统化。我们专注于我们对未明确的中毒攻击，正如我们认为它们与生产流动部署有关。我们通过仔细表征现实威胁模型和对抗性能力，对实际生产的流动环境下无明显中毒攻击的关键分析。我们的研究结果令人惊讶：与既定信念相反，我们表明，即使使用简单，低成本的防御，我们也会在实践中非常强大。我们进一步进一步提出了新颖的，最先进的数据和模型中毒攻击，并通过三个基准数据集进行了广泛的实验，如何（在）有效中毒攻击在存在简单的防御机制中。我们的目标是纠正以前的误解，并提供关于对本主题更准确的（更现实）的研究的具体指导。

属性推理攻击使对手可以从机器学习模型中提取培训数据集的全局属性。此类攻击对共享数据集来培训机器学习模型的数据所有者具有隐私影响。已经提出了几种针对深神经网络的财产推理攻击的现有方法，但它们都依靠攻击者训练大量的影子模型，这会导致大型计算开销。在本文中，我们考虑了攻击者可以毒化训练数据集的子集并查询训练有素的目标模型的属性推理攻击的设置。通过我们对中毒下模型信心的理论分析的激励，我们设计了有效的财产推理攻击，SNAP，该攻击获得了更高的攻击成功，并且需要比Mahloujifar Et的基于最先进的中毒的财产推理攻击更高的中毒量。 al。例如，在人口普查数据集上，SNAP的成功率比Mahloujifar等人高34％。同时更快56.5倍。我们还扩展了攻击，以确定在培训中是否根本存在某个财产，并有效地估算了利息财产的确切比例。我们评估了对四个数据集各种比例的多种属性的攻击，并证明了Snap的一般性和有效性。

联邦学习本质上很容易模拟中毒攻击，因为其分散性质允许攻击者参与受损的设备。在模型中毒攻击中，攻击者通过上传“中毒”更新来降低目标子任务（例如，作为鸟类的分类平面）模型的性能。在本报告中，我们介绍\ algoname {}，这是一种使用全局Top-K更新稀疏和设备级渐变剪辑来减轻模型中毒攻击的新型防御。我们提出了一个理论框架，用于分析防御抗毒攻击的稳健性，并提供我们算法的鲁棒性和收敛性分析。为了验证其经验效率，我们在跨多个基准数据集中进行开放源评估，用于计算机愿景和联合学习。

Machine learning is widely used in practice to produce predictive models for applications such as image processing, speech and text recognition. These models are more accurate when trained on large amount of data collected from different sources. However, the massive data collection raises privacy concerns.In this paper, we present new and efficient protocols for privacy preserving machine learning for linear regression, logistic regression and neural network training using the stochastic gradient descent method. Our protocols fall in the two-server model where data owners distribute their private data among two non-colluding servers who train various models on the joint data using secure two-party computation (2PC). We develop new techniques to support secure arithmetic operations on shared decimal numbers, and propose MPC-friendly alternatives to non-linear functions such as sigmoid and softmax that are superior to prior work. We implement our system in C++. Our experiments validate that our protocols are several orders of magnitude faster than the state of the art implementations for privacy preserving linear and logistic regressions, and scale to millions of data samples with thousands of features. We also implement the first privacy preserving system for training neural networks.

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.

我们考虑垂直逻辑回归（VLR）接受了迷你批次梯度下降训练，这种环境吸引了行业日益增长的兴趣，并被证明在包括金融和医学研究在内的广泛应用中很有用。我们在一系列开源联合学习框架中提供了对VLR的全面和严格的隐私分析，其中协议之间可能会有所不同，但是获得了获得本地梯度的过程。我们首先考虑了诚实而有趣的威胁模型，其中忽略了协议的详细实施，并且仅假定共享过程，我们将其作为甲骨文提取。我们发现，即使在这种一般环境下，在适当的批处理大小约束下，仍然可以从另一方恢复单维功能和标签，从而证明了遵循相同理念的所有框架的潜在脆弱性。然后，我们研究基于同态加密（HE）的协议的流行实例。我们提出了一种主动攻击，该攻击通过生成和压缩辅助密文来显着削弱对先前分析中批处理大小的约束。为了解决基于HE的协议中的隐私泄漏，我们基于差异隐私（DP）开发了一种简单的对策，并为更新的算法提供实用程序和隐私保证。最后，我们从经验上验证了我们对基准数据集的攻击和防御的有效性。总之，我们的发现表明，仅依靠他的所有垂直联合学习框架可能包含严重的隐私风险，而DP已经证明了其在水平联合学习中的力量，也可以在垂直环境中起着至关重要的作用，尤其是当耦合时使用HE或安全的多方计算（MPC）技术。

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。

安全的基于多方计算的机器学习（称为MPL）已成为利用来自具有隐私保护的多个政党的数据的重要技术。尽管MPL为计算过程提供了严格的安全保证，但MPL训练的模型仍然容易受到仅依赖于访问模型的攻击。差异隐私可以帮助防御此类攻击。但是，差异隐私和安全多方计算协议的巨大沟通开销带来的准确性损失使得平衡隐私，效率和准确性之间的三通权衡是高度挑战的。在本文中，我们有动力通过提出一种解决方案（称为PEA（私有，高效，准确））来解决上述问题，该解决方案由安全的DPSGD协议和两种优化方法组成。首先，我们提出了一个安全的DPSGD协议，以在基于秘密共享的MPL框架中强制执行DPSGD。其次，为了减少因差异隐私噪声和MPL的巨大通信开销而导致的准确性损失，我们提出了MPL训练过程的两种优化方法：（1）与数据无关的功能提取方法，旨在简化受过训练的模型结构体; （2）基于本地数据的全局模型初始化方法，旨在加快模型训练的收敛性。我们在两个开源MPL框架中实施PEA：TF-Conteded和Queqiao。各种数据集的实验结果证明了PEA的效率和有效性。例如。当$ {\ epsilon} $ = 2时，我们可以在LAN设置下的7分钟内训练CIFAR-10的差异私有分类模型，其精度为88％。这一结果大大优于来自CryptGPU的一个SOTA MPL框架：在CIFAR-10上训练非私有性深神经网络模型的成本超过16小时，其精度相同。

联合学习（FL）允许多个客户端在私人数据上协作训练神经网络（NN）模型，而不会显示数据。最近，已经介绍了针对FL的几种针对性的中毒攻击。这些攻击将后门注入到所产生的模型中，允许对抗控制的输入被错误分类。抵抗后门攻击的现有对策效率低，并且通常仅旨在排除偏离聚合的偏离模型。然而，这种方法还删除了具有偏离数据分布的客户端的良性模型，导致聚合模型对这些客户端执行不佳。为了解决这个问题，我们提出了一种深入的模型过滤方法，用于减轻后门攻击。它基于三种新颖的技术，允许表征用于培训模型更新的数据的分布，并寻求测量NNS内部结构和输出中的细粒度差异。使用这些技术，DeepSight可以识别可疑的模型更新。我们还开发了一种可以准确集群模型更新的方案。结合两个组件的结果，DeepSight能够识别和消除含有高攻击模型的模型集群，具有高攻击影响。我们还表明，可以通过现有的基于重量剪切的防御能力减轻可能未被发现的中毒模型的后门贡献。我们评估了深度的性能和有效性，并表明它可以减轻最先进的后门攻击，对模型对良性数据的性能的影响忽略不计。

联邦学习的出现在维持隐私的同时，促进了机器学习模型之间的大规模数据交换。尽管历史悠久，但联邦学习正在迅速发展，以使更广泛的使用更加实用。该领域中最重要的进步之一是将转移学习纳入联邦学习，这克服了主要联合学习的基本限制，尤其是在安全方面。本章从安全的角度进行了有关联合和转移学习的交集的全面调查。这项研究的主要目标是发现可能损害使用联合和转移学习的系统的隐私和性能的潜在脆弱性和防御机制。

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.