An oft-cited open problem of federated learning is the existence of data heterogeneity at the clients. One pathway to understanding the drastic accuracy drop in federated learning is by scrutinizing the behavior of the clients' deep models on data with different levels of "difficulty", which has been left unaddressed. In this paper, we investigate a different and rarely studied dimension of FL: ordered learning. Specifically, we aim to investigate how ordered learning principles can contribute to alleviating the heterogeneity effects in FL. We present theoretical analysis and conduct extensive empirical studies on the efficacy of orderings spanning three kinds of learning: curriculum, anti-curriculum, and random curriculum. We find that curriculum learning largely alleviates non-IIDness. Interestingly, the more disparate the data distributions across clients the more they benefit from ordered learning. We provide analysis explaining this phenomenon, specifically indicating how curriculum training appears to make the objective landscape progressively less convex, suggesting fast converging iterations at the beginning of the training procedure. We derive quantitative results of convergence for both convex and nonconvex objectives by modeling the curriculum training on federated devices as local SGD with locally biased stochastic gradients. Also, inspired by ordered learning, we propose a novel client selection technique that benefits from the real-world disparity in the clients. Our proposed approach to client selection has a synergic effect when applied together with ordered learning in FL.

聚集的联合学习（FL）已显示通过将客户分组为群集，从而产生有希望的结果。这在单独的客户群在其本地数据的分布方面有显着差异的情况下特别有效。现有的集群FL算法实质上是在试图将客户群体组合在一起，以便同一集群中的客户可以利用彼此的数据来更好地执行联合学习。但是，先前的群集FL算法试图在培训期间间接学习这些分布相似性，这可能会很耗时，因为可能需要许多回合的联合学习，直到群集的形成稳定为止。在本文中，我们提出了一种新的联合学习方法，该方法直接旨在通过分析客户数据子空间之间的主要角度来有效地识别客户之间的分布相似性。每个客户端都以单一的方式在其本地数据上应用截断的奇异值分解（SVD）步骤，以得出一小部分主向量，该量提供了一个签名，可简洁地捕获基础分布的主要特征。提供了一组主要的主向量，以便服务器可以直接识别客户端之间的分布相似性以形成簇。这是通过比较这些主要向量跨越的客户数据子空间之间主要角度的相似性来实现的。该方法提供了一个简单而有效的集群FL框架，该框架解决了广泛的数据异质性问题，而不是标签偏斜的更简单的非iids形式。我们的聚类FL方法还可以为非凸目标目标提供融合保证。我们的代码可在https://github.com/mmorafah/pacfl上找到。

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.

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.

由于参与客户的异构特征，联邦学习往往受到不稳定和缓慢的收敛。当客户参与比率低时，这种趋势加剧了，因为从每个轮的客户收集的信息容易更加不一致。为了解决挑战，我们提出了一种新的联合学习框架，这提高了服务器端聚合步骤的稳定性，这是通过将客户端发送与全局梯度估计的加速模型来引导本地梯度更新来实现的。我们的算法自然地聚合并将全局更新信息与没有额外的通信成本的参与者传达，并且不需要将过去的模型存储在客户端中。我们还规范了本地更新，以进一步降低偏差并提高本地更新的稳定性。我们根据各种设置执行了关于实际数据的全面实证研究，与最先进的方法相比，在准确性和通信效率方面表现出了拟议方法的显着性能，特别是具有低客户参与率。我们的代码可在https://github.com/ninigapa0 / fedagm获得

The statistical heterogeneity of the non-independent and identically distributed (non-IID) data in local clients significantly limits the performance of federated learning. Previous attempts like FedProx, SCAFFOLD, MOON, FedNova and FedDyn resort to an optimization perspective, which requires an auxiliary term or re-weights local updates to calibrate the learning bias or the objective inconsistency. However, in addition to previous explorations for improvement in federated averaging, our analysis shows that another critical bottleneck is the poorer optima of client models in more heterogeneous conditions. We thus introduce a data-driven approach called FedSkip to improve the client optima by periodically skipping federated averaging and scattering local models to the cross devices. We provide theoretical analysis of the possible benefit from FedSkip and conduct extensive experiments on a range of datasets to demonstrate that FedSkip achieves much higher accuracy, better aggregation efficiency and competing communication efficiency. Source code is available at: https://github.com/MediaBrain-SJTU/FedSkip.

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。

数据异构联合学习（FL）系统遭受了两个重要的收敛误差来源：1）客户漂移错误是由于在客户端执行多个局部优化步骤而引起的，以及2）部分客户参与错误，这是一个事实，仅一小部分子集边缘客户参加每轮培训。我们发现其中，只有前者在文献中受到了极大的关注。为了解决这个问题，我们提出了FedVarp，这是在服务器上应用的一种新颖的差异算法，它消除了由于部分客户参与而导致的错误。为此，服务器只是将每个客户端的最新更新保持在内存中，并将其用作每回合中非参与客户的替代更新。此外，为了减轻服务器上的内存需求，我们提出了一种新颖的基于聚类的方差降低算法clusterfedvarp。与以前提出的方法不同，FedVarp和ClusterFedVarp均不需要在客户端上进行其他计算或其他优化参数的通信。通过广泛的实验，我们表明FedVarp优于最先进的方法，而ClusterFedVarp实现了与FedVarp相当的性能，并且记忆要求较少。

从经验上证明，在跨客户聚集之前应用多个本地更新的实践是克服联合学习（FL）中的通信瓶颈的成功方法。在这项工作中，我们提出了一种通用食谱，即FedShuffle，可以更好地利用FL中的本地更新，尤其是在异质性方面。与许多先前的作品不同，FedShuffle在每个设备的更新数量上没有任何统一性。我们的FedShuffle食谱包括四种简单的功能成分：1）数据的本地改组，2）调整本地学习率，3）更新加权，4）减少动量方差（Cutkosky and Orabona，2019年）。我们对FedShuffle进行了全面的理论分析，并表明从理论和经验上讲，我们的方法都不遭受FL方法中存在的目标功能不匹配的障碍，这些方法假设在异质FL设置中，例如FedAvg（McMahan等人，McMahan等， 2017）。此外，通过将上面的成分结合起来，FedShuffle在Fednova上改善（Wang等，2020），以前提议解决此不匹配。我们还表明，在Hessian相似性假设下，通过降低动量方差的FedShuffle可以改善非本地方法。最后，通过对合成和现实世界数据集的实验，我们说明了FedShuffle中使用的四种成分中的每种如何有助于改善FL中局部更新的使用。

在最新的联合学习研究（FL）的研究中，广泛采用了客户选择方案来处理沟通效率的问题。但是，从随机选择的非代表性子集汇总的模型更新的较大差异直接减慢了FL收敛性。我们提出了一种新型的基于聚类的客户选择方案，以通过降低方差加速FL收敛。简单而有效的方案旨在改善聚类效果并控制效果波动，因此，以采样的一定代表性生成客户子集。从理论上讲，我们证明了降低方差方案的改进。由于差异的差异，我们还提供了提出方法的更严格的收敛保证。实验结果证实了与替代方案相比，我们计划的效率超出了效率。

联合学习（FL）是一种新兴学习范例，可以通过确保边缘设备上的客户端数据局部性来保护隐私。由于学习系统的多样性和异质性，FL的优化在实践中具有挑战性。尽管最近的研究努力改善异构数据的优化，但时间不断变化的异构数据在现实世界方案中的影响，例如改变客户数据或在训练期间留下或离开的间歇性客户，并未得到很好地研究。在这项工作中，我们提出了持续的联邦学习（CFL），灵活的框架，以捕获FL的时间不正常性。 CFL涵盖复杂和现实的情景 - 在之前的流派中评估了挑战 - 通过提取过去的本地数据集的信息并近似当地目标函数。从理论上讲，我们证明CFL方法在时间不断发展的场景中实现了比\ FEDAVG更快的会聚率，其中益处依赖于近似质量。在一系列实验中，我们表明数值调查结果与收敛分析相匹配，CFL方法显着优于其他SOTA FL基线。

跨不同边缘设备（客户）局部数据的分布不均匀，导致模型训练缓慢，并降低了联合学习的准确性。幼稚的联合学习（FL）策略和大多数替代解决方案试图通过加权跨客户的深度学习模型来实现更多公平。这项工作介绍了在现实世界数据集中遇到的一种新颖的非IID类型，即集群键，其中客户组具有具有相似分布的本地数据，从而导致全局模型收敛到过度拟合的解决方案。为了处理非IID数据，尤其是群集串数据的数据，我们提出了FedDrl，这是一种新型的FL模型，它采用了深厚的强化学习来适应每个客户的影响因素（将用作聚合过程中的权重）。在一组联合数据集上进行了广泛的实验证实，拟议的FEDDR可以根据CIFAR-100数据集的平均平均为FedAvg和FedProx方法提高了有利的改进，例如，高达4.05％和2.17％。

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。

联合学习是一种在不违反隐私限制的情况下对分布式数据集进行统计模型培训统计模型的最新方法。通过共享模型而不是客户和服务器之间的数据来保留数据位置原则。这带来了许多优势，但也带来了新的挑战。在本报告中，我们探讨了这个新的研究领域，并执行了几项实验，以加深我们对这些挑战的理解以及不同的问题设置如何影响最终模型的性能。最后，我们为这些挑战之一提供了一种新颖的方法，并将其与文献中的其他方法进行了比较。

Non-IID data distribution across clients and poisoning attacks are two main challenges in real-world federated learning systems. While both of them have attracted great research interest with specific strategies developed, no known solution manages to address them in a unified framework. To jointly overcome both challenges, we propose SmartFL, a generic approach that optimizes the server-side aggregation process with a small clean server-collected proxy dataset (e.g., around one hundred samples, 0.2% of the dataset) via a subspace training technique. Specifically, the aggregation weight of each participating client at each round is optimized using the server-collected proxy data, which is essentially the optimization of the global model in the convex hull spanned by client models. Since at each round, the number of tunable parameters optimized on the server side equals the number of participating clients (thus independent of the model size), we are able to train a global model with massive parameters using only a small amount of proxy data. We provide theoretical analyses of the convergence and generalization capacity for SmartFL. Empirically, SmartFL achieves state-of-the-art performance on both federated learning with non-IID data distribution and federated learning with malicious clients. The source code will be released.

在联合学习（FL）中，许多客户或设备在不共享数据的情况下协作培训模型。模型在每个客户端进行了优化，并进一步通信到中央集线器进行聚合。尽管FL是一个吸引人的分散培训范式，但来自不同客户的数据之间的异质性可能会导致本地优化从全球目标中消失。为了估计并消除这种漂移，最近已将差异技术纳入了FL优化。但是，这些方法不准确地估计客户的漂移，最终无法正确删除它。在这项工作中，我们提出了一种自适应算法，该算法可以准确地估计客户端的漂移。与以前的工作相比，我们的方法需要更少的存储和通信带宽以及较低的计算成本。此外，我们提出的方法可以通过限制客户漂移的估计标准来诱导稳定性，从而使大规模fl更实用。实验发现表明，所提出的算法比在各种FL基准中的基准相比，收敛的速度明显更快，并且获得了更高的准确性。

联合学习（FL）是一种新兴技术，用于协作训练全球机器学习模型，同时将数据局限于用户设备。FL实施实施的主要障碍是用户之间的非独立且相同的（非IID）数据分布，这会减慢收敛性和降低性能。为了解决这个基本问题，我们提出了一种方法（comfed），以增强客户端和服务器侧的整个培训过程。舒适的关键思想是同时利用客户端变量减少技术来促进服务器聚合和全局自适应更新技术以加速学习。我们在CIFAR-10分类任务上的实验表明，Comfed可以改善专用于非IID数据的最新算法。

联合学习（FL）是一个有希望的策略，用于使用客户端（即边缘设备）的网络进行隐私保留，分布式学习。然而，客户之间的数据分布通常是非IID的，使得有效优化困难。为了缓解这个问题，许多流行算法专注于通过引入各种近似术语，一些产生可观的计算和/或内存开销来减轻客户端跨客户端的影响，以限制关于全局模型的本地更新。相反，我们考虑重新思考的解决方案，以重点关注局部学习一般性而不是近端限制。为此，我们首先提出了一项系统的研究，通过二阶指标通知，更好地了解FL中的算法效果。有趣的是，我们发现标准的正则化方法令人惊讶的是减轻数据异质性效应的强烈表现者。根据我们的调查结果，我们进一步提出了一种简单有效的方法，努力克服数据异质性和先前方法的陷阱。 FedAlign在各种设置中使用最先进的FL方法实现了竞争准确性，同时最大限度地减少计算和内存开销。代码将公开。

经常引用联合学习的挑战是数据异质性的存在 - 不同客户的数据可能遵循非常不同的分布。已经提出了几种联合优化方法来应对这些挑战。在文献中，经验评估通常从随机初始化开始联合培训。但是，在联合学习的许多实际应用中，服务器可以访问培训任务的代理数据，该数据可用于在开始联合培训之前用于预训练模型。我们从经验上研究了使用四个常见联合学习基准数据集从联邦学习中的预训练模型开始的影响。毫不奇怪，从预先训练的模型开始，比从随机初始化开始时，缩短了达到目标错误率所需的训练时间，并使训练更准确的模型（最高40 \％）。令人惊讶的是，我们还发现，从预先训练的初始化开始联合培训时，数据异质性的效果不那么重要。相反，从预先训练的模型开始时，使用服务器上的自适应优化器（例如\ textsc {fedadam}）始终导致最佳准确性。我们建议未来提出和评估联合优化方法的工作在开始随机和预训练的初始化时考虑性能。我们还认为，这项研究提出了几个问题，以进一步了解异质性在联合优化中的作用。

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。