联合学习（FL）可以通过各种不同远程数据源的机器学习模型的分布式计算，而无需将任何单独的数据传输到集中位置。这导致改进的模型的完全性，并且随着更多来源和较大的数据集被添加到联合中的计算和计算的有效缩放。然而，最近的成员攻击表明，当模型参数或摘要统计数据与中央站点共享时，有时可以泄露或推断出私有或敏感的个人数据，需要改进的安全解决方案。在这项工作中，我们提出了一种使用全同性全相治（FHE）的安全FL框架。具体而言，我们使用CKKS构造，近似浮点兼容方案，这些方案受益于密文包装和重新扫描。在我们对大型脑MRI数据集的评估中，我们使用建议的安全流动框架来培训深度学习模型，以预测分布式MRI扫描的一个人的年龄，一个共同的基准测试任务，并证明在学习表现中没有降级在加密和非加密的联合模型之间。

在某些情况下，与机器学习问题有关的数据分布在多个位置，这些位置由于监管，竞争力或隐私原因无法共享数据。需要将数据复制到单个位置的机器学习方法受到数据共享挑战的阻碍。联合学习（FL）是一种在孤岛上所有可用数据的联合模型的有前途的方法。在许多情况下，参与联邦的站点具有不同的数据分布和计算功能。在这些异质环境中，现有的方法表现出较差的性能：同步FL协议是有效的，但学习收敛缓慢，能源成本高；相反，异步FL协议具有更快的收敛性，其能源成本较低，但沟通较高。在这项工作中，我们引入了一种新型的节能半同步联合学习方案，该协议将本地模型定期与最小的闲置时间和快速收敛混合在一起。我们通过在计算机视觉域以及现实世界中生物医学设置中建立的基准数据集进行了广泛的实验，我们的方法在数据和计算异质环境中的先前工作显着优于先前的工作。

大型深度神经网络的联合培训通常可以受到限制，因为将更新与增加模型大小进行交流的成本增加。在集中设置中设计了各种模型修剪技术，以减少推理时间。将集中的修剪技术与联合培训相结合似乎是降低沟通成本的直观 - 通过在沟通步骤之前修剪模型参数。此外，在培训期间，这种渐进的模型修剪方法也可以减少培训时间/成本。为此，我们提出了FedSparsify，该公司在联合培训期间执行模型修剪。在我们在集中式和联合的设置中对大脑年龄预测任务的实验（估计一个人的年龄从大脑MRI估算），我们证明，即使在具有高度异构数据的高度异质数据的挑战性的联盟学习环境中，也可以将模型最多可修剪高达95％的稀疏性，而不会影响表现。分布。模型修剪的一个令人惊讶的好处是改进的模型隐私。我们证明，具有高稀疏性的模型不太容易受到会员推理攻击的影响，这是一种隐私攻击。

通信技术和互联网的最新进展与人工智能（AI）启用了智能医疗保健。传统上，由于现代医疗保健网络的高性性和日益增长的数据隐私问题，AI技术需要集中式数据收集和处理，这可能在现实的医疗环境中可能是不可行的。作为一个新兴的分布式协作AI范例，通过协调多个客户（例如，医院）来执行AI培训而不共享原始数据，对智能医疗保健特别有吸引力。因此，我们对智能医疗保健的使用提供了全面的调查。首先，我们在智能医疗保健中展示了近期进程，动机和使用FL的要求。然后讨论了近期智能医疗保健的FL设计，从资源感知FL，安全和隐私感知到激励FL和个性化FL。随后，我们对关键医疗领域的FL新兴应用提供了最先进的综述，包括健康数据管理，远程健康监测，医学成像和Covid-19检测。分析了几个最近基于智能医疗保健项目，并突出了从调查中学到的关键经验教训。最后，我们讨论了智能医疗保健未来研究的有趣研究挑战和可能的指示。

随着物联网，AI和ML/DL算法的出现，数据驱动的医疗应用已成为一种有前途的工具，用于从医学数据设计可靠且可扩展的诊断和预后模型。近年来，这引起了从学术界到工业的广泛关注。这无疑改善了医疗保健提供的质量。但是，由于这些基于AI的医疗应用程序在满足严格的安全性，隐私和服务标准（例如低延迟）方面的困难，因此仍然采用较差。此外，医疗数据通常是分散的和私人的，这使得在人群之间产生强大的结果具有挑战性。联邦学习（FL）的最新发展使得以分布式方式训练复杂的机器学习模型成为可能。因此，FL已成为一个积极的研究领域，尤其是以分散的方式处理网络边缘的医疗数据，以保护隐私和安全问题。为此，本次调查论文重点介绍了数据共享是重大负担的医疗应用中FL技术的当前和未来。它还审查并讨论了当前的研究趋势及其设计可靠和可扩展模型的结果。我们概述了FL将军的统计问题，设备挑战，安全性，隐私问题及其在医疗领域的潜力。此外，我们的研究还集中在医疗应用上，我们重点介绍了全球癌症的负担以及有效利用FL来开发计算机辅助诊断工具来解决这些诊断工具。我们希望这篇评论是一个检查站，以彻底的方式阐明现有的最新最新作品，并为该领域提供开放的问题和未来的研究指示。

联邦学习（FL）是利用属于患者，人，公司或行业的敏感数据的合适解决方案，这些数据在刚性隐私约束下工作的难题。 FL主要或部分地支持数据隐私和安全问题，并提供促进促进多个边缘设备或组织的模型问题的替代方案，以使用许多本地数据培训全局模型而不具有它们。由其分布式自然引起的FL的非IID数据具有显着的性能下降和稳定性偏斜。本文介绍了一种新颖的方法，通过增强图像动态平衡客户端的数据分布，以解决FL的非IID数据问题。介绍的方法非常稳定模型培训，并将模型的测试精度从83.22％提高到89.43％，对于高度IID FL设定中的胸部X射线图像的多胸疾病检测。 IID，非IID和非IID的结果，联合培训表明，该方法可能有助于鼓励组织或研究人员开发更好的系统，以获得与数据隐私的数据的价值不仅适用于医疗保健，而且领域。

联合学习（FL）是一个系统，中央聚合器协调多个客户解决机器学习问题的努力。此设置允许分散培训数据以保护隐私。本文的目的是提供针对医疗保健的FL系统的概述。 FL在此根据其框架，架构和应用程序进行评估。这里显示的是，FL通过中央聚合器服务器通过共享的全球深度学习（DL）模型解决了前面的问题。本文研究了最新的发展，并提供了来自FL研究的快速增长的启发，列出了未解决的问题。在FL的背景下，描述了几种隐私方法，包括安全的多方计算，同态加密，差异隐私和随机梯度下降。此外，还提供了对各种FL类的综述，例如水平和垂直FL以及联合转移学习。 FL在无线通信，服务建议，智能医学诊断系统和医疗保健方面有应用，本文将在本文中进行讨论。我们还对现有的FL挑战进行了彻底的审查，例如隐私保护，沟通成本，系统异质性和不可靠的模型上传，然后是未来的研究指示。

Data-driven Machine Learning has emerged as a promising approach for building accurate and robust statistical models from medical data, which is collected in huge volumes by modern healthcare systems. Existing medical data is not fully exploited by ML primarily because it sits in data silos and privacy concerns restrict access to this data. However, without access to sufficient data, ML will be prevented from reaching its full potential and, ultimately, from making the transition from research to clinical practice. This paper considers key factors contributing to this issue, explores how Federated Learning (FL) may provide a solution for the future of digital health and highlights the challenges and considerations that need to * Disclaimer: The opinions expressed herein are those of the authors and do not necessarily represent those of the institutions they are affiliated with, e.g. the U.S. Department of Health and Human Services or the National Institutes of Health. This is a pre-print version of https://www.nature.com/articles/s41746-020-00323-1 be addressed.

联合学习允许多方协作，在不共享本地数据的情况下协作培训联合模型。这使得机器学习在固有的分布式的，诸如医疗领域中的固有分布式的未差异数据的设置中的应用。在实践中，通常通过聚合当地模型来实现联合培训，其中当地培训目标必须与联合（全球）目标相似。然而，通常，当地数据集是如此之小，即当地目标从全球目标差异很大，导致联合学习失败。我们提出了一种新的方法，它与本地模型的排列交织在一起。排列将每个本地模型暴露给当地数据集的菊花链，导致数据稀疏域中的更有效培训。这使得能够培训极小的本地数据集，例如跨医院的患者数据，同时保留联合学习的培训效率和隐私效益。

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。

Federated learning involves training statistical models over remote devices or siloed data centers, such as mobile phones or hospitals, while keeping data localized. Training in heterogeneous and potentially massive networks introduces novel challenges that require a fundamental departure from standard approaches for large-scale machine learning, distributed optimization, and privacy-preserving data analysis. In this article, we discuss the unique characteristics and challenges of federated learning, provide a broad overview of current approaches, and outline several directions of future work that are relevant to a wide range of research communities.

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。

在金融和医疗保健等高度监管域中的机构通常存在围绕数据共享的限制性规则。联合学习是一种分布式学习框架，可以实现对分散数据的多机构合作，并改善了每个合作师的数据隐私的保护。在本文中，我们提出了一种用于分散的联邦学习的通信有效的方案，称为ProxyFL或基于代理的联合学习。 ProxyFL中的每个参与者都维护了两个模型，私人模型和旨在保护参与者隐私的公开共享代理模型。代理模型允许参与者之间的高效信息交换，使用PushSum方法而无需集中式服务器。所提出的方法通过允许模型异质性消除了规范联合学习的显着限制;每个参与者都可以拥有任何架构的私有模型。此外，我们通过代理通信的协议导致使用差异隐私分析的隐私保障更强。对流行的图像数据集的实验，以及使用超过30,000多个高质量的千兆的千兆子痫组织的泛癌诊断问题整个幻灯片图像，表明ProxyFL可以优于现有的现有替代方案，越来越少的沟通开销和更强大的隐私。

联合学习是一种数据解散隐私化技术，用于以安全的方式执行机器或深度学习。在本文中，我们介绍了有关联合学习的理论方面客户次数有所不同的用例。具体而言，使用从开放数据存储库中获得的胸部X射线图像提出了医学图像分析的用例。除了与隐私相关的优势外，还将研究预测的改进（就曲线下的准确性和面积而言）和减少执行时间（集中式方法）。将从培训数据中模拟不同的客户，以不平衡的方式选择，即，他们并非都有相同数量的数据。考虑三个或十个客户之间的结果与集中案件相比。间歇性客户将分析两种遵循方法，就像在实际情况下，某些客户可能会离开培训，一些新的新方法可能会进入培训。根据准确性，曲线下的区域和执行时间的结果，结果的结果的演变显示为原始数据被划分的客户次数。最后，提出了该领域的改进和未来工作。

为了满足下一代无线通信网络的极其异构要求，研究界越来越依赖于使用机器学习解决方案进行实时决策和无线电资源管理。传统的机器学习采用完全集中的架构，其中整个培训数据在一个节点上收集，即云服务器，显着提高了通信开销，并提高了严重的隐私问题。迄今为止，最近提出了作为联合学习（FL）称为联合学习的分布式机器学习范式。在FL中，每个参与边缘设备通过使用自己的培训数据列举其本地模型。然后，通过无线信道，本地训练模型的权重或参数被发送到中央ps，聚合它们并更新全局模型。一方面，FL对优化无线通信网络的资源起着重要作用，另一方面，无线通信对于FL至关重要。因此，FL和无线通信之间存在“双向”关系。虽然FL是一个新兴的概念，但许多出版物已经在FL的领域发表了发布及其对下一代无线网络的应用。尽管如此，我们注意到没有任何作品突出了FL和无线通信之间的双向关系。因此，本调查纸的目的是通过提供关于FL和无线通信之间的相互依存性的及时和全面的讨论来弥合文学中的这种差距。

Modern mobile devices have access to a wealth of data suitable for learning models, which in turn can greatly improve the user experience on the device. For example, language models can improve speech recognition and text entry, and image models can automatically select good photos. However, this rich data is often privacy sensitive, large in quantity, or both, which may preclude logging to the data center and training there using conventional approaches. We advocate an alternative that leaves the training data distributed on the mobile devices, and learns a shared model by aggregating locally-computed updates. We term this decentralized approach Federated Learning.We present a practical method for the federated learning of deep networks based on iterative model averaging, and conduct an extensive empirical evaluation, considering five different model architectures and four datasets. These experiments demonstrate the approach is robust to the unbalanced and non-IID data distributions that are a defining characteristic of this setting. Communication costs are the principal constraint, and we show a reduction in required communication rounds by 10-100× as compared to synchronized stochastic gradient descent.

联邦学习（FL）是一种分布式学习方法，它为医学机构提供了在全球模型中合作的前景，同时保留患者的隐私。尽管大多数医疗中心执行类似的医学成像任务，但它们的差异（例如专业，患者数量和设备）导致了独特的数据分布。数据异质性对FL和本地模型的个性化构成了挑战。在这项工作中，我们研究了FL生产中间半全球模型的一种自适应分层聚类方法，因此具有相似数据分布的客户有机会形成更专业的模型。我们的方法形成了几个群集，这些集群由具有最相似数据分布的客户端组成；然后，每个集群继续分开训练。在集群中，我们使用元学习来改善参与者模型的个性化。我们通过评估我们在HAM10K数据集上的建议方法和极端异质数据分布的HAM10K数据集上的我们提出的方法，将聚类方法与经典的FedAvg和集中式培训进行比较。我们的实验表明，与标准的FL方法相比，分类精度相比，异质分布的性能显着提高。此外，我们表明，如果在群集中应用，则模型会更快地收敛，并且仅使用一小部分数据，却优于集中式培训。

Today's AI still faces two major challenges. One is that in most industries, data exists in the form of isolated islands. The other is the strengthening of data privacy and security. We propose a possible solution to these challenges: secure federated learning. Beyond the federated learning framework first proposed by Google in 2016, we introduce a comprehensive secure federated learning framework, which includes horizontal federated learning, vertical federated learning and federated transfer learning. We provide definitions, architectures and applications for the federated learning framework, and provide a comprehensive survey of existing works on this subject. In addition, we propose building data networks among organizations based on federated mechanisms as an effective solution to allow knowledge to be shared without compromising user privacy.

联合学习（FL）可以使用学习者使用本地数据进行分布式培训，从而增强隐私和减少沟通。但是，它呈现出与数据分布，设备功能和参与者可用性的异质性有关的众多挑战，作为部署量表，这可能会影响模型融合和偏置。现有的FL方案使用随机参与者选择来提高公平性;然而，这可能导致资源低效和更低的质量培训。在这项工作中，我们系统地解决了FL中的资源效率问题，展示了智能参与者选择的好处，并将更新从争吵的参与者纳入。我们展示了这些因素如何实现资源效率，同时还提高了训练有素的模型质量。

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.