Blockchain and Federated Learning for Privacy-Preserved Data Sharing in Industrial IoT

本文探讨了在工业物联网环境中,如何利用区块链和联邦学习技术实现安全的数据分享。提出了一种结合许可链模型和联邦计算模型的架构,确保设备间的安全连接,并保护数据的隐私。通过标准化的加权图和距离度量学习方案,实现了多方数据检索和模型学习。此外,系统还应用了PoQ共识机制以验证数据质量和安全性,同时实施了差分隐私策略以增强数据保护。

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系统模型

  1. 威胁模型
    K个数据提供者,一个数据请求者,都可能是不诚实的。
    提供数据的质量:可能不准确有偏见。
    数据的隐私性:攻击者尝试推断攻击,合谋攻击。
    数据的授权:一旦原始数据被分享,数据拥有者会失去控制权。
  2. 我们提出的架构
    许可链模型联邦计算模型
    许可链:为设备之间建立安全连接。矿工是基站节点和路边单元节点。两种类型交易:检索交易和数据分享交易。

安全数据分享的区块链和联邦学习

  1. 标准化的加权图
    定义一个两步距离度量学习方案来检索文本数据:量化特定数据的相似度。
    每个用户ni,有数据txi,权重wni,每个边连接节点ni和nj,以及权重。
    使用权重矩阵A=aij来表示这个图,所有的文本文件转化为图。
    将这些图合并成一个全局图。在根据一些聚类算法对数据集进行分类,按照分类结果对参与者进行分组。
  2. 多方数据检索
    这里只使用区块链来检索数据,原始数据被存储在数据拥有者的本地。数据提供者加入时要有一个数据资产证明,说明数据的分类、类型和大小。
    区块链交易:
    检索交易:哈希指针;ID;数据类别;数据类型;数据大小;时间戳。
    数据分享记录:请求类型;ID;据类别;数据类型;数据大小;时间戳。

定义了一种两方之间的距离

  1. 数据分享
  2. </
### 回答1: "Federated learning with non-iid data" 的含义是:在非独立同分布数据(non-iid data)的情况下进行联邦学习。联邦学习是一种分布式学习的方法,其特点是模型的训练和更新是在本地设备上进行,而不是在中心服务器上进行。而非独立同分布数据则意味着不同设备之间的数据具有不同的分布和特征,这会对联邦学习的效果造成挑战。因此,在进行联邦学习时,需要考虑如何处理这种情况,以提高模型的准确性和鲁棒性。 ### 回答2: 联邦学习是近年来备受关注的一种机器学习方法,其核心精神是通过多个客户端设备在本地进行数据处理和训练模型,不必将原始数据汇集到一起,避免了隐私泄露和数据传输带来的风险。但实际上,大多数现实场景中的数据并不是独立同分布的(non-iid),多个客户端设备所在的数据分布也极有可能不同,如何在保持原有联邦学习思路的基础上应对非iid数据,也成为了当前研究的热门问题。 目前,学界和产业界对非iid联邦学习的解决方案尝试有很多,其中一些典型的方法包括: 一、联邦聚类(Federated Clustering)。该方法利用监督和非监督的数据聚类模型,对处理不同数据分布的客户端设备进行分类,形成若干个数据分布相似的组,然后在每个组中进行联合学习,对每个组得到的模型结果进行合并。 二、联邦迁移学习(Federated Transfer Learning)。该方法通过在源域数据上进行模型训练和参数更新,再通过一定的方法将已训练的模型迁移到目标域中进行更新和优化,从而使得目标域数据更好地适应模型。 三、混合学习(Federated Hybrid Learning)。该方法结合了联邦学习和分层模型的想法,将多个客户端设备的数据层级化,在相同维度的数据上进行联邦学习,但不同层级内的数据各自训练特定的模型。 以上这些方法都对非iid联邦学习的问题提供了一定的思路和解决方案,在应用场景中也得到了初步的应用。但是,不同于iid数据的不同分布、语义、类别之间的差异使得非iid联邦学习更具挑战性,其数据分布、协作策略、学习算法等方面的问题都需要进一步研究和提高。未来,我们需要不断探索更好、更高效、更准确的非iid联邦学习的方法和方案,应用到各个行业领域提高数据的利用效率和隐私保护水平。 ### 回答3: 联邦学习是一种先进的机器学习技术,它允许多个参与方共同训练一个模型,而不需要将原始数据集集中在单个位置。这种分布式学习的方式可以最大程度地保护用户的数据隐私和安全。 然而,在实际应用中,有时候我们会遇到一些具有不同的分布性质的非IID数据集。因为数据的不均匀和异构性质,使得对于分布在不同的机器上的数据进行联合训练变得更加困难。这种情况也称为不相同的数据偏移或数据漂移。不同分布性质的数据会导致训练模型的性能下降,因为模型无法对不同的数据进行适应。这也使得联合学习更具挑战性。 为了解决这个问题,可以对数据进行采样和重新加权,以便在融合时使每个本地模型对于不同的数据立场相对均衡。一种基于采样的方案是Federated Averaging with Local Adapation(FALA),它是一种高效的算法,它通过对于权值进行本地的调整,减少了由于数据偏移带来的下降的性能。此外,类别抽样和异质性采样也可以用来处理iid 的数据集之间的不相同。在数据偏移情况下,这需要更多的小样本和多轮次迭代。 另一种方法是加入对模型的个性化贡献,即在联合优化时分配不同的权重给本地模型或者对于不同的参与方使用不同的模型。例如,对于基于 神经网络的模型,可以采用逻辑斯蒂回归模型或者线性模型,以提高对于多样性的应对能力。 总而言之,对于不同的非IID数据,需要在联合训练时采用合适的方案,以克服分布不均带来的挑战并获得更好的结果。需要根据不同的实际情况选择最佳的方法,以满足不同的需求。
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