联邦学习训练XGBoost模型-代码实战

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联邦学习(Federated Learning)详解

联邦学习是一种新兴的分布式机器学习范式,它允许多个参与方在不共享原始数据的情况下协同训练模型。这种方法特别适用于数据隐私敏感的场景,如医疗、金融等领域。

一、基本概念

1. 核心思想

联邦学习的核心思想是:"数据不动,模型动"。即:

  • 各参与方保留自己的原始数据
  • 只交换模型参数或梯度信息
  • 在服务器端聚合模型更新
  • 将更新后的全局模型分发回各参与方

一、环境准备

首先,安装了必要的库:

# 安装必要的库
pip install xgboost pandas numpy scikit-learn ibm-watson-machine-learning

二、联邦学习XGBoost代码实战

1. 服务器端(管理员)代码

import xgboost as xgb
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from ibm_watson_machine_learning import APIClient

# 配置WML客户端
wml_credentials = {
    "url": "https://us-south.ml.cloud.ibm.com",
    "apikey": "YOUR_API_KEY"
}

client = APIClient(wml_credentials)

# 创建联邦学习试验
def create_federated_learning_experiment():
    # 创建试验资产
    experiment_name = "xgboost_federated_learning"
    experiment_desc = "Federated Learning experiment using XGBoost"
    
    # 设置试验参数
    experiment_params = {
        "name": experiment_name,
        "description": experiment_desc,
        "framework": {
            "name": "scikit-learn",
            "version": "1.0"
        },
        "model_type": "xgboost",
        "fusion_method": "xgboost_classification_fusion",
        "hyper_parameters": {
            "rounds": 5,
            "learning_rate": 0.1,
            "max_depth": 3
        }
    }
    
    # 创建试验
    experiment = client.experimentations.create(experiment_params)
    experiment_id = experiment.metadata.id
    
    # 添加远程训练系统
    rts_name = "client_1"
    rts_params = {
        "name": rts_name,
        "allowed_identity": ["your_email@example.com"]
    }
    
    # 添加RTS
    client.experimentations.add_rts(experiment_id, rts_params)
    
    print(f"Federated Learning experiment created successfully! Experiment ID: {experiment_id}")
    return experiment_id

# 启动联邦学习试验
if __name__ == "__main__":
    experiment_id = create_federated_learning_experiment()
    
    # 等待试验准备就绪
    print("Waiting for experiment to be ready...")
    # 在实际应用中,这里会轮询试验状态直到准备好
    # client.experimentations.get_details(experiment_id)
    
    print("Federated Learning experiment is ready. Participants can now join.")

2. 参与方(客户端)代码

import xgboost as xgb
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from ibm_watson_machine_learning import APIClient

# 配置WML客户端
wml_credentials = {
    "url": "https://us-south.ml.cloud.ibm.com",
    "apikey": "YOUR_API_KEY"
}

client = APIClient(wml_credentials)

# 从服务器下载参与方连接器脚本
def download_participant_connector(experiment_id):
    # 从服务器获取连接器脚本
    connector_url = client.experimentations.get_participant_connector(experiment_id)
    print(f"Download participant connector from: {connector_url}")
    
    # 在实际应用中,这里会下载连接器脚本并保存到本地
    # 这里简化为打印消息
    print("Participant connector downloaded successfully.")

# 加载并处理数据
def load_and_process_data():
    # 加载鸢尾花数据集(实际应用中使用本地数据)
    iris = load_iris()
    X, y = iris.data, iris.target
    
    # 划分数据集
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
        X, y, test_size=0.2, random_state=42
    )
    
    print(f"Data loaded successfully. Train size: {X_train.shape[0]}, Test size: {X_test.shape[0]}")
    return X_train, X_test, y_train, y_test

# 训练XGBoost模型
def train_model(X_train, y_train):
    # 设置XGBoost参数
    params = {
        'objective': 'multi:softmax',
        'num_class': 3,
        'max_depth': 3,
        'eta': 0.1,
        'gamma': 0.1,
        'subsample': 0.8,
        'colsample_bytree': 0.8,
        'eval_metric': 'merror'
    }
    
    # 创建DMatrix
    dtrain = xgb.DMatrix(X_train, label=y_train)
    
    # 训练模型
    model = xgb.train(params, dtrain, num_boost_round=100)
    
    print("Model training completed.")
    return model

# 提交模型结果到服务器
def submit_model_results(experiment_id, model):
    # 将模型序列化
    model_serialized = model.save_model("model.bst")
    
    # 提交模型到服务器
    submission = {
        "experiment_id": experiment_id,
        "model": model_serialized,
        "metrics": {
            "accuracy": 0.95  # 实际应用中计算准确率
        }
    }
    
    # 提交结果
    client.experimentations.submit_model(experiment_id, submission)
    
    print("Model results submitted successfully.")

# 主函数
if __name__ == "__main__":
    # 1. 下载参与方连接器
    experiment_id = "YOUR_EXPERIMENT_ID"  # 从服务器获取
    download_participant_connector(experiment_id)
    
    # 2. 加载并处理数据
    X_train, X_test, y_train, y_test = load_and_process_data()
    
    # 3. 训练模型
    model = train_model(X_train, y_train)
    
    # 4. 提交模型结果
    submit_model_results(experiment_id, model)

三、联邦学习工作流程

  1. 管理员设置:创建联邦学习试验,配置参数,添加远程训练系统
  2. 参与方加入:下载参与方连接器,使用本地数据训练模型
  3. 模型提交:将模型参数(而非原始数据)提交给服务器
  4. 模型聚合:服务器聚合所有参与方的模型,更新全局模型
  5. 迭代优化:重复步骤2-4,直到模型收敛
参数说明示例值
rounds联邦学习迭代轮数5
max_depth树的最大深度3
eta学习率0.1
gamma分裂所需最小损失减少0.1
subsample数据采样比例0.8
colsample_bytree特征采样比例0.8

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