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基于同态加密和群签名的可验证联邦学习方案

李亚红 李一婧 杨小东 张源 牛淑芬

淮永建, 张晗, 张帅. 面向VR应用的花卉植物物理渲染技术研究与实现[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(7): 1627-1634. doi: 10.11999/JEIJ170995
引用本文: 李亚红, 李一婧, 杨小东, 张源, 牛淑芬. 基于同态加密和群签名的可验证联邦学习方案[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(3): 758-768. doi: 10.11999/JEIT240796
HUAI Yongjian, ZHANG Han, ZHANG Shuai. Research and Implementation on Flower Plants Rendering Technology Based on Physical Light Simulation for VR Application[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(7): 1627-1634. doi: 10.11999/JEIJ170995
Citation: LI Yahong, LI Yijing, YANG Xiaodong, ZHANG Yuan, NIU Shufen. A Verifiable Federated Learning Scheme Based on Homomorphic Encryption and Group Signature[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(3): 758-768. doi: 10.11999/JEIT240796

基于同态加密和群签名的可验证联邦学习方案

doi: 10.11999/JEIT240796
基金项目: 国家自然科学基金(62461032),甘肃省科技计划(22JR5RA158, 22JR5RA350),甘肃省高校教师创新基金(2023A-041, 2023-ZD-234),兰州交通大学-天津大学联合创新基金(LH2024003)
详细信息
    作者简介:

    李亚红:女,博士,副教授,研究方向为密码学与信息安全

    李一婧:女,硕士生,研究方向为联邦学习与密码学

    杨小东:男,博士,教授,研究方向为应用密码学与信息安全

    张源:男,博士,教授,研究方向为应用密码学与信息安全

    牛淑芬:女,博士,教授,研究方向为云计算和大数据网络的隐私保护

    通讯作者:

    李亚红 liyahong@lzjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TN918; TP309.7

A Verifiable Federated Learning Scheme Based on Homomorphic Encryption and Group Signature

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62461032), Gansu Science and Technology Plan (22JR5RA158, 22JR5RA350), Gansu Province University Teachers Innovation Fund Project (2023A-041, 2023-ZD-234), Lanzhou Jiaotong University-Tianjin University Joint Innovation Fund Project (LH2024003)
  • 摘要: 在车载网络(VANETs)中,联邦学习(FL)通过协同训练机器学习模型,实现了车辆间的数据隐私保护,并提高了整体模型的性能。然而,FL在VANETs中的应用仍面临诸多挑战,如模型泄露风险、训练结果验证困难以及高计算和通信成本等问题。针对这些问题,该文提出一种面向联邦学习的可验证隐私保护批量聚合方案。首先,该方案基于Boneh-Lynn-Shacham (BLS)动态短群聚合签名技术,保护了客户端与路边单元(RSU)交互过程中的数据完整性,确保全局梯度模型更新与共享过程的不可篡改性。当出现异常结果时,方案利用群签名的特性实现车辆的可追溯性。其次,结合改进的Cheon-Kim-Kim-Song (CKKS)线性同态哈希算法,对梯度聚合结果进行验证,确保在联邦学习的聚合过程中保持客户端梯度的机密性,并验证聚合结果的准确性,防止服务器篡改数据导致模型训练无效的问题。此外,该方案还支持车辆在部分掉线的情况下继续更新模型,保障系统的稳定性。实验结果表明,与现有方案相比,该方案在提升数据隐私安全性和结果的可验证性的同时,保证了较高效率。
  • 图  1  系统模型

    图  2  计算开销对比

    图  3  通信开销对比

    图  4  聚合服务器运行时间

    图  5  准确率对比

    表  1  密码学操作执行时间

    符号 描述 运行时间(ms)
    Tbp 双线性对操作 1.118 1
    Th 映射到G的哈希操作 0.019 3
    Tm G下的乘法操作 0.001 1
    Ta G下的加法操作 0.000 4
    Te Zp下的指数操作 0.065 0
    To-enc 一次性密码本加密 0.394 0
    To-dec 一次性密码本解密 0.442 0
    Tdn-enc DH密钥交换加密 2.761 1
    Tdh-dec DH密钥交换解密 0.008 7
    Tc-enc CKKS加密 2.350 4
    Tc-dec CKKS解密 0.055 8
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    表  2  计算开销对比

    方案 客户端计算开销(ms) 聚合服务器计算开销(ms)
    文献[12] n(19Tm+13Ta+Th+2Tbp+Te+To-enc) (9n+8)Tm+(5n+2)Tbp+(9n+6)Ta+Th+2Te+To-dec
    文献[13] nTo-enc+n(19Tm+13Ta+Th+2Tbp+Te) 24nTm+(4n+2)Tbp+11nTe+26nTa+(n+1)Th
    所提方案 n(Tc-enc+Tm+Th) (7n1)Tm+(3n+1)Tbp+10nTa+(3n+2)Th+nTc-dec
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    表  3  通信开销对比

    方案客户端与聚合服务器间通信聚合服务器间通信
    文献[12]7|G|+3|Zp|+|T|7|G|+2|Zp|+|ID|+|T|
    文献[13]7|G|+2|Zp|+|T|6|G|+2|Zp|+|T|
    所提方案7|G|+|Zp|7|G|+|Zp|+|T|
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    表  4  隐私保护强度数据表

    操作次数k累积噪声N(k)隐私保护强度S
    101.1×1050.998 9
    505.1×1050.994 9
    1001.01×1040.989 9
    5005.001×1040.949 9
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-14
  • 修回日期:  2025-02-17
  • 网络出版日期:  2025-02-21
  • 刊出日期:  2025-03-01

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