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基于二叉树的高效分组安全聚合方法

孙奕 周传鑫 汪德刚 杨帆 高琦

孙奕, 周传鑫, 汪德刚, 杨帆, 高琦. 基于二叉树的高效分组安全聚合方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(7): 2546-2553. doi: 10.11999/JEIT220745
引用本文: 孙奕, 周传鑫, 汪德刚, 杨帆, 高琦. 基于二叉树的高效分组安全聚合方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(7): 2546-2553. doi: 10.11999/JEIT220745
SUN Yi, ZHOU Chuanxin, WANG Degang, YANG Fan, GAO Qi. Efficient Grouping Secure Aggregation Method Based on Binary Tree[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(7): 2546-2553. doi: 10.11999/JEIT220745
Citation: SUN Yi, ZHOU Chuanxin, WANG Degang, YANG Fan, GAO Qi. Efficient Grouping Secure Aggregation Method Based on Binary Tree[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(7): 2546-2553. doi: 10.11999/JEIT220745

基于二叉树的高效分组安全聚合方法

doi: 10.11999/JEIT220745
详细信息
    作者简介:

    孙奕:女,副教授,硕士生导师,研究方向为网络与信息安全、数据安全交换

    周传鑫:男,硕士生,研究方向为数据安全交换、机器学习隐私保护

    汪德刚:男,硕士生,研究方向为数据安全交换、恶意流量检测

    杨帆:女,硕士生,研究方向为隐私计算、可验证计算

    高琦:男,硕士生,研究方向为机器学习隐私保护

    通讯作者:

    周传鑫 zhou_chuanxin@163.com

  • 中图分类号: TN919.1

Efficient Grouping Secure Aggregation Method Based on Binary Tree

  • 摘要: 安全聚合是联邦学习安全共享过程中确保本地模型聚合安全性和隐私性的关键环节。然而,现有方法存在计算开销大、公平机制差、隐私泄露、无法抗量子攻击等问题。为此,该文提出一种基于二叉树的高效分组安全聚合方法(Tree-Aggregate)。首先,基于二叉树构建用户分组安全通信协议将计算开销从$O\left( {N{\text{l}}{{\text{g}}^2}{\text{lg}}N{\text{lglglg}}N} \right)$降到$O\left( {\lg N{\text{lg}}N} \right)$量级,并通过均匀分摊机制保证了用户计算开销的公平性;然后,提出一种分组不均衡场景下的随机填充算法,解决单一用户引起的隐私泄露问题。最后,该文通过融入格密钥交换协议,为Tree-Aggregate方法增加了抗量子攻击的能力。通过理论分析,Tree-Aggregate将计算开销的增长速率由线性级别变为对数级别,并通过实验对比分析表明,当用户数量N ≥300时计算开销相较于现有方法减小了近15倍。
  • 图  1  系统结构(N用户被划分到HL组二叉树拓扑中)

    图  2  基于二叉树的高效分组安全聚合实例

    图  3  不均衡分组条件下的随机填充算法

    图  4  不同方案间的拓扑结构

    图  5  运行时间对比分析

    表  1  主要参数说明

    参数定义
    N用户总数量
    L用户分组
    H用户分层
    ${N_l}$位于l 组中的用户数量
    $u$服务器掩码
    $r$独立掩码
    s局部聚合模型
    下载: 导出CSV

    表  2  计算开销对比

    方法计算开销
    文献[4]$O\left( {mN{\text{lo}}{{\text{g}}^2}{\text{log}}N{\text{logloglog}}N} \right)$
    文献 [8]$O\left( {m{N^2}} \right)$
    文献[12]$O\left( {mN{\text{log}}N + N{\text{lo}}{{\text{g}}^2}N} \right)$
    文献[13]$O\left( {mN{\text{log}}N} \right)$
    文献[14]$O\left( {mN} \right)$
    本文$O\left( {m{\text{log}}N{\text{log}}N} \right)$
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-07
  • 修回日期:  2022-09-04
  • 网络出版日期:  2022-09-07
  • 刊出日期:  2023-07-10

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