基於區塊鏈的多層計算系統中，數位孿生輔助的聯邦學習

Основные понятия

本文提出了一種基於區塊鏈和數位孿生的聯邦學習方案，用於解決工業 4.0 環境中資源受限設備參與模型訓練的安全和隱私問題。

Аннотация

文獻信息：
Tang, Y., Wang, K., Niyato, D., Chen, W., & Karagiannidis, G. K. (2024). Digital Twin-Assisted Federated Learning with Blockchain in Multi-tier Computing Systems. arXiv preprint arXiv:2411.02323.
研究目標：
本研究旨在設計一種安全可靠的聯邦學習方案，以解決工業 4.0 環境中資源受限設備參與模型訓練的挑戰。
方法：

本文提出了一種基於區塊鏈和數位孿生的聯邦學習架構，其中數位孿生用於模擬資源受限設備，並代表其參與本地訓練。
為了確保數位孿生與實際設備之間同步的安全性，採用了協作干擾技術來防止竊聽和數據篡改。
利用區塊鏈技術驗證和記錄模型更新，確保數據完整性和參與者身份的可信度。
主要發現：

提出的方案能夠有效降低聯邦學習過程中的延遲，並通過協作干擾技術提高數據傳輸的安全性。
區塊鏈的應用確保了模型更新的完整性和可追溯性，增強了系統的安全性。
與基準方案相比，所提出的方案在執行時間、區塊優化和準確性方面均有顯著提升。
主要結論：

將數位孿生、聯邦學習和區塊鏈技術相結合，為工業 4.0 環境中的安全協作學習提供了一種可行的解決方案。
提出的方案有助於克服資源受限設備的局限性，並促進工業物聯網應用中更安全、更高效的數據分析和模型訓練。
意義：
本研究對於推動工業 4.0 中的安全聯邦學習應用具有重要意義，特別是在資源受限和安全至關重要的工業物聯網環境中。
局限性和未來研究方向：

未來研究可以進一步探討不同類型的攻擊對所提出方案的影響，並開發更強大的防禦機制。
研究如何在更大規模的工業網絡中部署和管理所提出的方案也是一個重要的方向。

Статистика

在模擬中，使用了 10 個工業本地設備集群，每個集群包含 6 個資源充足的設備和 4 個資源受限的設備。
資源受限設備的本地訓練數據大小設定為 2.0、3.5、3.0 和 2.5 兆比特。

Ключевые выводы из

Digital Twin-Assisted Federated Learning with Blockchain in Multi-tier Computing Systems

by Yongyi Tang,... в arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.02323.pdf

Дополнительные вопросы

如何在實際的工業環境中部署和實施這種基於區塊鏈和數位孿生的聯邦學習方案？

在實際工業環境中部署和實施這種方案，需要克服以下挑戰：
1. 設備異構性： 工業環境中存在各種設備，它們的計算能力、存儲容量和通信能力差異很大。需要設計一種通用的框架，以適應這種異構性，例如，使用輕量級的聯邦學習算法和區塊鏈協議，以適應資源受限的設備。
2. 通信可靠性： 工業環境通常具有惡劣的通信條件，例如信號衰減、干擾和中斷。需要採用可靠的通信技術，例如，使用工業以太網、專用無線網絡或5G/6G網絡，以確保數據傳輸的穩定性和安全性。
3. 安全性和隱私性： 工業數據通常包含敏感信息，例如生產流程、配方和客戶數據。需要採取嚴格的安全措施，以保護數據免遭未經授權的訪問、修改和泄露。例如，使用加密技術保護數據傳輸，使用差分隱私技術保護模型訓練過程中的數據隱私。
4. 部署和維護成本： 部署和維護基於區塊鏈和數位孿生的聯邦學習系統需要一定的成本，例如硬件成本、軟件成本和人力成本。需要評估這些成本，並制定合理的預算和實施計劃。
具體實施步驟：

需求分析和系統設計： 確定具體的應用場景和需求，設計系統架構，選擇合適的聯邦學習算法、區塊鏈平台和數位孿生建模工具。
設備選擇和部署： 選擇合適的工業設備，例如邊緣計算設備、網關和傳感器，並將其部署到適當的位置。
數據採集和預處理： 從工業設備中採集數據，並對數據進行清洗、轉換和特徵工程，以準備用於模型訓練。
模型訓練和評估： 使用聯邦學習算法在本地設備上訓練模型，並定期將模型更新發送到區塊鏈網絡進行驗證和聚合。
模型部署和應用： 將訓練好的模型部署到邊緣設備或雲平台，以支持實時決策和控制。

如果區塊鏈網絡本身受到攻擊，如何確保聯邦學習過程的安全性？

即使區塊鏈網絡本身受到攻擊，也可以通過以下措施確保聯邦學習過程的安全性：

採用聯盟鏈： 與公有鏈相比，聯盟鏈的參與者是經過身份驗證和授權的，可以有效降低惡意節點發起攻擊的風險。
多重簽名和共識機制： 使用多重簽名技術可以提高交易的安全性，防止單個節點偽造交易。採用拜占庭容錯共識機制可以確保即使部分節點出現故障或被攻擊，系統仍然可以正常運行。
數據加密和隱私保護： 在數據傳輸和模型訓練過程中，使用加密技術保護數據的機密性和完整性。採用差分隱私、同態加密等技術，在不泄露原始數據的情況下進行模型訓練。
安全審計和監控： 定期對區塊鏈網絡和聯邦學習系統進行安全審計，監控系統運行狀態，及時發現和應對潛在的安全威脅。

除了工業 4.0，這種聯邦學習方案還可以用於哪些其他領域或應用場景？

除了工業 4.0，這種聯邦學習方案還可以用於以下領域或應用場景：

醫療保健： 在保護患者隱私的前提下，利用分散在不同醫院的醫療數據訓練疾病診斷和預測模型。
金融科技： 在不泄露客戶敏感信息的情況下，利用分散在不同金融機構的數據訓練反欺詐和信用評估模型。
智慧城市： 利用分散在城市各处的传感器数据，训练交通流量预测、环境监测和公共安全等模型。
物联网： 利用分散在大量物联网设备上的数据，训练设备故障预测、能源优化和个性化服务等模型。

总而言之，这种基于区块链和数字孪生的联邦学习方案具有广泛的应用前景，可以帮助不同行业在保护数据隐私和安全的前提下，实现数据价值的最大化。