本文在联合学习（FL）设置中介绍了主题的颗粒状隐私，其中一个受试者是一个人，其私人信息由限制在单个联邦用户中或在多个联邦用户中分布的几个数据项体现。我们正式定义了FL的主题级别差异隐私的概念。我们提出了三种实施主题级DP的新算法。这些算法中的两种分别基于用户级别的本地差异隐私（LDP）和组差异隐私的概念。第三算法是基于对参加培训迷你批次的受试者的层次梯度平均（HigradavgDP）的新颖概念。我们还为多个联邦用户的受试者介绍了隐私损失的水平组成。我们表明，在最坏情况下，水平成分等效于顺序组成。我们证明了对所有算法的主题级别的DP保证，并使用女性和莎士比亚数据集对其进行经验分析。我们的评估表明，在我们的三种算法中，HigradavgDP提供了最佳的模型性能，接近使用基于DP-SGD的算法训练的模型，该算法提供了较弱的项目级别隐私保证。

我们考虑使用迷你批量梯度进行差异隐私（DP）的培训模型。现有的最先进的差异私有随机梯度下降（DP-SGD）需要通过采样或洗机来获得最佳隐私/准确性/计算权衡的隐私放大。不幸的是，在重要的实际情况下，精确采样和洗牌的精确要求可能很难获得，特别是联邦学习（FL）。我们设计和分析跟随 - 正规的领导者（DP-FTRL）的DP变体，其比较（理论上和经验地）与放大的DP-SGD相比，同时允许更灵活的数据访问模式。DP-FTRL不使用任何形式的隐私放大。该代码可在https://github.com/google-Research/federated/tree/master/dp_ftrl和https://github.com/google-reesearch/dp-ftrl处获得。

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。

Federated learning seeks to address the issue of isolated data islands by making clients disclose only their local training models. However, it was demonstrated that private information could still be inferred by analyzing local model parameters, such as deep neural network model weights. Recently, differential privacy has been applied to federated learning to protect data privacy, but the noise added may degrade the learning performance much. Typically, in previous work, training parameters were clipped equally and noises were added uniformly. The heterogeneity and convergence of training parameters were simply not considered. In this paper, we propose a differentially private scheme for federated learning with adaptive noise (Adap DP-FL). Specifically, due to the gradient heterogeneity, we conduct adaptive gradient clipping for different clients and different rounds; due to the gradient convergence, we add decreasing noises accordingly. Extensive experiments on real-world datasets demonstrate that our Adap DP-FL outperforms previous methods significantly.

联邦学习（FL）是大规模分布式学习的范例，它面临两个关键挑战：（i）从高度异构的用户数据和（ii）保护参与用户的隐私的高效培训。在这项工作中，我们提出了一种新颖的流动方法（DP-SCaffold）来通过将差异隐私（DP）约束结合到流行的脚手架算法中来解决这两个挑战。我们专注于有挑战性的环境，用户在没有任何可信中介的情况下与“诚实但奇怪的”服务器沟通，这需要确保隐私不仅可以访问最终模型的第三方，而且还要对服务器观察所有用户通信。使用DP理论的高级结果，我们建立了凸面和非凸面目标算法的融合。我们的分析清楚地突出了数据异质性下的隐私式折衷，并且当局部更新的数量和异质性水平增长时，展示了在最先进的算法DP-Fedivg上的DP-Scaffold的优越性。我们的数值结果证实了我们的分析，并表明DP-Scaffold在实践中提供了重大的收益。

We demonstrate that it is possible to train large recurrent language models with user-level differential privacy guarantees with only a negligible cost in predictive accuracy. Our work builds on recent advances in the training of deep networks on user-partitioned data and privacy accounting for stochastic gradient descent. In particular, we add user-level privacy protection to the federated averaging algorithm, which makes "large step" updates from user-level data. Our work demonstrates that given a dataset with a sufficiently large number of users (a requirement easily met by even small internet-scale datasets), achieving differential privacy comes at the cost of increased computation, rather than in decreased utility as in most prior work. We find that our private LSTM language models are quantitatively and qualitatively similar to un-noised models when trained on a large dataset.

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。

在联合学习（FL）设置中具有用户级差异隐私（例如，DP联合平均）培训神经网络的现有方法涉及通过*将其绘制到某些常量值的贡献限制每个用户的模型更新的贡献。但是，没有好处*先验*跨任务和学习设置的剪切规范设置：更新规范分布取决于模型架构和丢失，每个设备上的数据量，客户端学习率以及可能各种其他参数。我们提出了一种方法，其中代替固定剪切范围，一个剪辑到更新规范分布的指定定量位的值，其中定量位的值本身估计在线，具有差异隐私。该方法紧密地追踪量级，使用可忽略的隐私预算，与其他联合学习技术相容，例如压缩和安全聚合，并具有DP-Fedivg的直接联合DP分析。实验表明，适应性剪辑到中位更新规范的适应性剪辑跨越一系列现实的联合学习任务，有时甚至优于在后敏感中选择的最佳固定剪辑，而无需调整任何剪切的超参数。

联合学习（FL）使分布式设备能够共同培训共享模型，同时保持培训数据本地。与水平FL（HFL）设置不同，每个客户都有部分数据样本，即垂直FL（VFL），该设置允许每个客户收集部分特征，它最近吸引了密集的研究工作。在本文中，我们确定了最先进的VFL框架面临的两个挑战：（1）某些作品直接平均水平的学习功能嵌入，因此可能会失去每个本地功能集的独特属性； （2）服务器需要与客户进行每个培训步骤的梯度交流，从而产生高沟通成本，从而导致快速消费隐私预算。在本文中，我们旨在应对上述挑战，并提出一个具有多个线性头（VIM）框架的有效VFL，每个头部通过考虑每个客户的单独贡献来对应于本地客户。此外，我们提出了一种乘数的交替方向方法（ADMM）的方法来解决我们的优化问题，从而通过允许在每个步骤中允许多个本地更新来降低通信成本，从而在不同的隐私下导致更好的性能。我们考虑各种设置，包括具有模型分割的VFL，而无需模型分裂。对于这两种设置，我们仔细分析了框架的差异隐私机制。此外，我们表明我们框架的副产品是学习线性头的权重反映了当地客户的重要性。我们进行了广泛的评估，并表明，在四个现实世界数据集上，VIM与最先进的表现相比，vim的性能和更快的收敛性要高得多。我们还明确评估了本地客户的重要性，并表明VIM可以启用客户级解释和客户端Denoising等功能。

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。

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。

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。

联合学习（FL），数据保留在联合客户端，并且仅与中央聚合器共享梯度更新是私人的。最近的工作表明，具有梯度级别访问权限的对手可以成功进行推理和重建攻击。在这种情况下，众所周知，差异化（DP）学习可以提供弹性。但是，现状中使用的方法（\ ie中央和本地DP）引入了不同的公用事业与隐私权衡权衡。在这项工作中，我们迈出了通过{\ em层次fl（HFL）}来缓解此类权衡的第一步。我们证明，通过引入一个新的中介层，可以添加校准的DP噪声，可以获得更好的隐私与公用事业权衡；我们称此{\ em层次结构DP（HDP）}。我们使用3个不同数据集的实验（通常用作FL的基准）表明HDP产生的模型与使用中央DP获得的模型一样准确，在中央聚集器处添加了噪声。这种方法还为推理对手提供了可比的好处，例如在本地DP案例中，在联合客户端添加了噪音。

自适应优化方法已成为许多机器学习任务的默认求解器。不幸的是，适应性的好处可能会在具有不同隐私的训练时降低，因为噪声增加了，以确保隐私会降低自适应预处理的有效性。为此，我们提出了ADADP，这是一个使用非敏感的侧面信息来预处梯度的一般框架，从而可以在私有设置中有效使用自适应方法。我们正式显示ADADPS减少了获得类似隐私保证所需的噪声量，从而提高了优化性能。从经验上讲，我们利用简单且随时可用的侧面信息来探索实践中ADADP的性能，与集中式和联合设置中的强大基线相比。我们的结果表明，ADADP平均提高了准确性7.7％（绝对） - 在大规模文本和图像基准上产生最先进的隐私性权衡权衡。

Distributing machine learning predictors enables the collection of large-scale datasets while leaving sensitive raw data at trustworthy sites. We show that locally training support vector machines (SVMs) and computing their averages leads to a learning technique that is scalable to a large number of users, satisfies differential privacy, and is applicable to non-trivial tasks, such as CIFAR-10. For a large number of participants, communication cost is one of the main challenges. We achieve a low communication cost by requiring only a single invocation of an efficient secure multiparty summation protocol. By relying on state-of-the-art feature extractors (SimCLR), we are able to utilize differentially private convex learners for non-trivial tasks such as CIFAR-10. Our experimental results illustrate that for $1{,}000$ users with $50$ data points each, our scheme outperforms state-of-the-art scalable distributed learning methods (differentially private federated learning, short DP-FL) while requiring around $500$ times fewer communication costs: For CIFAR-10, we achieve a classification accuracy of $79.7\,\%$ for an $\varepsilon = 0.59$ while DP-FL achieves $57.6\,\%$. More generally, we prove learnability properties for the average of such locally trained models: convergence and uniform stability. By only requiring strongly convex, smooth, and Lipschitz-continuous objective functions, locally trained via stochastic gradient descent (SGD), we achieve a strong utility-privacy tradeoff.

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。

联邦学习〜（FL）最近引起了学术界和行业的越来越多的关注，其最终目标是在隐私和沟通限制下进行协作培训。现有的基于FL算法的现有迭代模型需要大量的通信回合，以获得良好的模型，这是由于不同客户之间的极为不平衡和非平衡的I.D数据分配。因此，我们建议FedDM从多个本地替代功能中构建全球培训目标，这使服务器能够获得对损失格局的更全球视野。详细说明，我们在每个客户端构建了合成数据集，以在本地匹配从原始数据到分发匹配的损失景观。与笨拙的模型权重相比，FedDM通过传输更多信息和较小的合成数据来降低通信回合并提高模型质量。我们对三个图像分类数据集进行了广泛的实验，结果表明，在效率和模型性能方面，我们的方法可以优于其他FL的实验。此外，我们证明，FedDM可以适应使用高斯机制来保护差异隐私，并在相同的隐私预算下训练更好的模型。

Deep neural networks have strong capabilities of memorizing the underlying training data, which can be a serious privacy concern. An effective solution to this problem is to train models with differential privacy, which provides rigorous privacy guarantees by injecting random noise to the gradients. This paper focuses on the scenario where sensitive data are distributed among multiple participants, who jointly train a model through federated learning (FL), using both secure multiparty computation (MPC) to ensure the confidentiality of each gradient update, and differential privacy to avoid data leakage in the resulting model. A major challenge in this setting is that common mechanisms for enforcing DP in deep learning, which inject real-valued noise, are fundamentally incompatible with MPC, which exchanges finite-field integers among the participants. Consequently, most existing DP mechanisms require rather high noise levels, leading to poor model utility. Motivated by this, we propose Skellam mixture mechanism (SMM), an approach to enforce DP on models built via FL. Compared to existing methods, SMM eliminates the assumption that the input gradients must be integer-valued, and, thus, reduces the amount of noise injected to preserve DP. Further, SMM allows tight privacy accounting due to the nice composition and sub-sampling properties of the Skellam distribution, which are key to accurate deep learning with DP. The theoretical analysis of SMM is highly non-trivial, especially considering (i) the complicated math of differentially private deep learning in general and (ii) the fact that the mixture of two Skellam distributions is rather complex, and to our knowledge, has not been studied in the DP literature. Extensive experiments on various practical settings demonstrate that SMM consistently and significantly outperforms existing solutions in terms of the utility of the resulting model.

联合学习（FL）是一个分布式学习范式，使相互不信任的客户能够协作培训通用的机器学习模型。客户数据隐私在FL中至关重要。同时，必须保护模型免受对抗客户的中毒攻击。现有解决方案孤立地解决了这两个问题。我们提出了FedPerm，这是一种新的FL算法，它通过结合一种新型的内部模型参数改组技术来解决这两个问题，该技术可以放大数据隐私，并基于私人信息检索（PIR）技术，该技术允许允许对客户模型更新的加密聚合。这些技术的组合进一步有助于联邦服务器约束从客户端的参数更新，从而减少对抗性客户的模型中毒攻击的影响。我们进一步介绍了Fedperm独特的超参数，可以有效地使用Model Utilities进行计算开销。我们对MNIST数据集的经验评估表明，FEDPERM对FL中现有差异隐私（DP）执法解决方案的有效性。

我们考虑对跨用户设备分发的私人数据培训模型。为了确保隐私，我们添加了设备的噪声并使用安全的聚合，以便仅向服务器揭示嘈杂的总和。我们提出了一个综合的端到端系统，该系统适当地离散数据并在执行安全聚合之前添加离散的高斯噪声。我们为离散高斯人的总和提供了新的隐私分析，并仔细分析了数据量化和模块化求和算术的影响。我们的理论保证突出了沟通，隐私和准确性之间的复杂张力。我们广泛的实验结果表明，我们的解决方案基本上能够将准确性与中央差分隐私相匹配，而每个值的精度少于16位。