联邦学习后门攻击总结（2019-2022）

联邦学习安全性问题框架概览

下表和下图为联邦学习中常见的安全性问题，本文重点关注模型鲁棒性问题中的后门攻击问题。
攻击手段安全性问题攻击方与被攻击方攻击点攻击目的拜占庭攻击模型鲁棒性恶意客户端攻击服务器针对训练数据或针对局部模型投毒无目标攻击，影响全局模型性能后门攻击模型鲁棒性恶意客户端攻击服务器针对训练数据或针对局部模型投毒影响目标子任务的性能推理攻击隐私保护恶意服务器或恶意客户端攻击客户端针对客户端参数或全局模型参数推理获取客户端信息
在这里插入图片描述从上图中可以看出后门攻击问题在联邦学习安全性问题中所处的位置。

后门攻击的防御手段概述

在这里插入图片描述

本文首先根据应用场景将对后门攻击的防御分为了横向联邦学习和纵向联邦学习场景中对后门的防御。

注：如果不特殊说明，本文中的后门攻击均指的是横向联邦学习中的后门攻击。在文章的靠后部分，也用了少量篇幅对纵向联邦学习中的后门攻击进行了介绍。

然后，本文根据防御手段实施的时间点，将防御方法细分为了客户端训练时、聚合前、聚合中和聚合后4个部分。

其中客户端训练时的防御手段即指攻击者采用的是黑盒攻击，各客户端在提交更新至服务器之前所采用的防御。防御手段主要是检查训练数据或修改训练过程。而其他和聚合过程相关的防御手段则假设攻击者采用的是白盒攻击，防御手段主是检查或修改客户端提交的模型结果。

聚合后的防御手段即指服务器已经完成了对当前一轮全局模型的聚合操作，然后再采用防御措施消除恶意更新的贡献，从而去除其中的后门。

而聚合前和聚合中的防御手段都是指服务器在得到客户端提交的更新之后所采用的防御手段，这两者并不是有很明显的划分界限。本文的划分方法是，如果防御措施仅仅是在原本的模型聚合之前多进行了一些操作，比如添加噪声或剔除恶意客户端，而并没有对原本的聚合算法本身进行修改，则将其归类为聚合前。如果防御措施是对聚合算法本身进行了修改，比如在聚合时对不同局部更新的权重进行了重新加权或调整了不同局部更新的学习速率等超参数，则将其归类为聚合中。

对更下级更细的分类标准，将在后面具体讲解防御方法时进行说明。

后门攻击的攻击手段概述

在这里插入图片描述

本文根据攻击手段实施的对象，将其细分为了针对训练数据和针对局部模型的后门攻击。

其中针对训练数据的攻击手段即假设攻击者能力是黑盒攻击，只能改变恶意客户端的局部训练数据，而无法对其训练流程和训练出来的模型进行修改。

针对局部模型的攻击手段即假设攻击者能力是白盒攻击，能完全控制恶意客户端的局部训练数据和训练流程，并可以直接对训练出来的模型进行修改。

当然，在后门攻击中，针对训练数据投毒和针对局部模型投毒的手段并不能完全分离，一般需要同时将两种方法结合使用。

因为后门攻击不像符号翻转等无目标攻击手段，仅需直接修改本地模型的符号，而不需要对数据进行任何操作就可以到达攻击的效果。因为不对数据进行修改尤其是不对标签进行修改就意味着无法植入后门。

同时，后门攻击也不像集中式学习中的标签翻转等攻击手段，仅需修改训练数据的标签，而不需要对训练出来的局部模型进行任何操作就可以到达攻击的效果。因为由于联邦学习的客户端有很多，所以聚合时会稀释后门模型的贡献，因此往往需要对训练出来的恶意模型的参数进行放大等修改操作。

虽然这两类手段在具体攻击中一般会同时使用，但是本文仍然以这两类手段为标准进行划分。根据攻击是更侧重于针对训练数据投毒，还是更侧重于针对局部模型投毒，将其分为对应的类。

注：上图中针对训练数据的攻击中有一类手段是基于标签翻转的攻击。需要说明区别的是，无目标的攻击中也有标签翻转攻击，但其是将任意类的标签进行翻转。而在后门攻击中，标签翻转是仅对某一类标签进行翻转，仅在目标类上降低模型精度。

对更下级更细的分类标准，将在后面具体讲解攻击方法时进行说明。

在这里插入图片描述

如上图所示，除了依据投毒对象进行分类之外，根据恶意客户端的行为，后门攻击还有其他分类方式。

但往往同一种攻击手段经过一定的调整是可以多种场景下进行的，比如，基于标签翻转的后门攻击既可以通过放大模型参数进行单轮的集中式后门攻击，而放大因子也可以由多个恶意客户端在多轮中进行分担，进行多轮的分布式后门攻击。

一般来说，针对模型投毒的效果优于针对数据投毒的效果，分布式后门攻击的效果优于集中式后门攻击的效果，分工协作的后门攻击的效果优于无分工协作的后门攻击的效果，多轮攻击的效果优于单轮攻击的效果，自适应攻击的效果优于非自适应攻击的效果。

本文的剩余部分主要分为4个部分，依次介绍了后门攻击问题定义、后门攻击的防御方法、后门攻击的攻击方法以及纵向联邦学习中的后门攻击。

后门攻击问题定义

攻击方

攻击者情况

攻击者能够控制一个或多个参与者（恶意客户端）。
在第 t t t轮中有一个或多个恶意客户端被选中。
一般假设攻击者控制的客户端数量小于50%（否则攻击者将很容易操纵全局模型）。

一般仅假设攻击者是客户端，而非服务器，否则将很容易植入后门。在实际场景中，也只有受信任的服务器才能进行联邦聚合。

攻击者能力（白盒攻击）

攻击者能够完全控制一个或多个参与者，这些参与者要么是联邦学习系统本身的恶意客户端，要么是训练过程被攻击者破坏的良性客户端转变成的恶意客户端，这些恶意客户端可以合谋。
攻击者完全控制恶意客户端的局部训练数据和训练流程，可以控制设备上的代码、本地训练数据集、超参数和本地模型。
攻击者可以任意操作发送到主设备的本地模型，比如在将本地模型提交给服务器之前修改其参数。
对手可以在整个训练过程中自适应地改变局部训练方法和配置。
但是，攻击者不具备改变聚合规则等影响服务器的能力，也不具备篡改其他良性客户端的训练过程和模型更新的能力。

攻击者能力（黑盒攻击）

攻击者能够控制一个或多个参与者的训练数据，这些参与者是训练数据被攻击者破坏的良性客户端。
攻击者只能改变客户端的局部训练数据，而无法对其训练流程和训练出来的模型进行修改。
攻击者不具备改变聚合规则等影响服务器的能力，也不具备篡改其他良性客户端的训练过程和模型更新的能力。

如果不特殊说明，本文中所有防御措施所考虑的攻击者能力都是更加强大的白盒攻击。本文假设攻击者是黑盒攻击的场景，仅存在于在客户端训练时进行防御的防御方法。

攻击者攻击目标

主任务的正确率：为了通过服务器上验证数据的正确率检测，需要保持模型在主任务（干净数据）上的良好性能。
后门任务的成功率：降低全局模型在目标任务上的性能，确保预定义的输入都有很高的概率被预测为目标类别。
隐蔽性：恶意攻击者需要确保其模型参数不会与良性模型偏离太多，以绕过基于检测并剔除恶意更新的防御措施。

目标损失函数

     L
    
    
     
      c
     
     
      l
     
     
      a
     
     
      s
     
     
      s
     
    
   
   
    =
   
   
    
     L
    
    
     
      t
     
     
      r
     
     
      a
     
     
      i
     
     
      n
     
    
   
   
    +
   
   
    
     L
    
    
     
      t
     
     
      a
     
     
      r
     
     
      g
     
     
      e
     
     
      t
     
    
   
  
  
   L_{class}=L_{train}+L_{target}
  
 
Lclass=Ltrain+Ltarget

其中

     L
    
    
     
      t
     
     
      r
     
     
      a
     
     
      i
     
     
      n
     
    
   
  
  
   L_{train}
  
 
Ltrain干净训练数据的经验损失项，

 
  
   
    
     L
    
    
     
      t
     
     
      r
     
     
      a
     
     
      i
     
     
      n
     
    
   
  
  
   L_{train}
  
 
Ltrain后门训练数据的经验损失项。

达到隐蔽性的目标损失函数

为了达到隐蔽性，需要使中毒模型尽可能与良性模型难以区分。比如，可以使中毒模型与良性模型之间的距离（如欧几里德距离）小于服务器异常检测区分能力的阈值

    η
   
  
  
   \eta
  
 
η，攻击者可以通过将本地恶意模型与全局模型或基于良性数据训练的本地模型进行比较来估计此距离。


 
  
   
    
     L
    
    
     
      a
     
     
      t
     
     
      t
     
     
      a
     
     
      c
     
     
      k
     
     
      e
     
     
      r
     
    
   
   
    =
   
   
    α
   
   
    
     L
    
    
     
      c
     
     
      l
     
     
      a
     
     
      s
     
     
      s
     
    
   
   
    +
   
   
    (
   
   
    1
   
   
    −
   
   
    α
   
   
    )
   
   
    
     L
    
    
     
      a
     
     
      n
     
     
      o
     
    
   
  
  
   L_{attacker}={\alpha}L_{class}+(1-\alpha)L_{ano}
  
 
Lattacker=αLclass+(1−α)Lano

其中，

     L
    
    
     
      c
     
     
      l
     
     
      a
     
     
      s
     
     
      s
     
    
   
  
  
   L_{class}
  
 
Lclass为上文提到的简单的目标损失函数，

 
  
   
    
     L
    
    
     
      a
     
     
      n
     
     
      o
     
    
   
  
  
   L_{ano}
  
 
Lano为本地恶意模型与良性模型的偏差，超参数

 
  
   
    α
   
  
  
   \alpha
  
 
α控制攻击隐蔽性和攻击有效性之间的权衡。

防御方

防御方能力

服务器无法访问每个本地代理的训练数据和训练过程。
服务器可能无法直接访问客户端的本地模型参数或更新（比如在安全聚合中数据是加密的）。
良性客户端可以控制其本地训练数据和训练过程。

一般假设仅防御方是服务器，部分情况下也将良性客户端当作防御方，尤其是当攻击者的能力是黑盒攻击的时候。

防御方目标

有效性：必须消除后门模型的影响，从而全局模型不会显示后门行为。
良好性能：消除后门影响后，全局模型依然具有良好的性能。
独立于攻击策略和数据分布：防御方法必须适用于一般攻击模型，即不要求事先了解后门攻击方法，或对本地客户端的数据分布做出假设。

后门攻击的防御手段横向对比

防御方法概述

下表是将防御方法用到的10种思想进行了简要对比，包括基于过滤投毒数据的防御、基于增强模型稳定性的防御、基于差分隐私的防御、基于特征提取与特征选择（基于降维）的防御、基于修改协议过程的防御、基于综合运用多种技术的防御、基于相似性的防御、基于统计的防御、基于联邦遗忘的防御和基于全局模型性能的防御。
防御思想防御时间攻击者模型原理与安全聚合是否兼容代价主要局限性基于过滤投毒数据客户端黑盒模型训练无后门的局部模型兼容需要提前训练大量过滤器需要假设攻击者仅能操控训练数据基于增强模型稳定性客户端黑盒模型训练无后门的局部模型兼容也降低了模型的良性性能需要假设攻击者仅能操控训练数据基于差分隐私聚合前白盒模型削弱恶意更新的影响不兼容也降低了模型的良性性能无法防御不改变模型权重大小的无目标攻击基于降维聚合前白盒模型检测并剔除恶意更新不兼容也剔除了具有较大偏差的良性客户端模型更新的最优潜在表示还没有得到很好的研究基于修改协议过程聚合前白盒模型检测并剔除恶意更新兼容需要对现有的联邦学习系统进行较大修改与已有的联邦学习系统的兼容性问题基于相似性聚合中白盒模型削弱恶意更新的影响不兼容也削弱了具有较大偏差的良性客户端的影响很容易被高级攻击手段绕过基于统计聚合中白盒模型检测并剔除恶意更新不兼容一部分良性客户端的更新被忽略对非IID分布的数据效果有限基于联邦遗忘聚合后白盒模型消除恶意更新的贡献不兼容需要额外的存储开销或通信开销必须要基于知道恶意客户端是哪一个基于全局模型性能聚合后白盒模型验证全局模型是否存在后门兼容需要额外的通信开销只能放弃中毒的模型而不能消除恶意客户端影响
本大节的剩余部分将对每一类思想进行介绍，以及依据近年的文献介绍更加具体的实现方法。

基于差分隐私的防御方法

概述

防御后门攻击的一种数学方法是训练具有差分隐私的模型，具体的可以通过裁减更新、添加高斯噪声来实现。

由于针对模型投毒的后门攻击可能会产生具有较大范数的更新，因此可以让服务器忽略范数超过某个阈值

    M
   
  
  
   M
  
 
M的更新或将其剪裁到阈值

 
  
   
    M
   
  
  
   M
  
 
M的范围之内。这样可确保每个模型更新的范数较小，从而缓解恶意更新对服务器的影响。

添加高斯噪声可以在不太影响模型整体性能的情况下，减轻恶意更新的影响。

不足&局限性

基于添加噪声的防御虽然无需对攻击者行为和数据分布进行具体假设，但是会恶化聚合模型的良性性能。且由于通常假设服务器不能访问训练数据，尤其是有毒的数据集，因此服务器通常只能根据经验使用的足够数量的噪声。
而为了清除恶意更新的影响，通常也会用较小的剪裁因子，这也会影响良性的模型更新。而如果使用较大的剪裁因子，攻击者可以按比例增大恶意模型的参数，直至达到剪裁因子，从而达到最大程度影响全局模型。
这种方法可以在一定程度上减轻恶意攻击的影响，但不能完全消除它们。
这种防御方法无法防御不改变模型权重大小的非目标攻击，例如符号翻转攻击。

基于剪裁和添加噪声的防御方法

由于针对局部模型进行投毒的后门攻击的更新往往范数较大，因此可以让服务器将范数超过阈值

    M
   
  
  
   M
  
 
M的更新剪裁到阈值

 
  
   
    M
   
  
  
   M
  
 
M的范围之内。这样可确保每个模型更新的范数较小，减轻恶意更新对服务器的影响。

步骤

服务器获取 n n n个用户的模型。
剪裁每个模型更新至阈值 M M M之内，并进行求和得到全局模型更新 Δ w t + 1 = ∑ k Δ w t + 1 k m a x ( 1 , ∥ Δ w t + 1 k ∥ 2 / M ) {\Delta}w_{t+1}=\sum_{k}\frac{{\Delta}w_{t+1}^k}{max(1,\left|{\Delta}w_{t+1}^k\right|_2/M)} Δwt+1=∑kmax(1,∥Δwt+1k∥2/M)Δwt+1k。然后更新全局模型。
对剪裁后得到的全局模型添加高斯噪声。

优点&效果

可以防御朴素的基于标签翻转的后门攻击。
可以防御基于放大模型参数的模型替换攻击。

不足&局限性

当攻击者已知服务器的剪裁阈值时，可以直接构建最大限度满足范数约束的模型更新，使得剪裁的防御措施没有效果，尤其是当攻击者可以进行多轮攻击时。
这种防御方法无法防御不改变模型权重大小的非目标攻击，例如符号翻转攻击。
这种方法没有规定和说明剪裁阈值和噪声量如何确定。
可能无法防御基于植入触发器的后门攻击。

来源

【2019 NeurIPS】Can You Really Backdoor Federated Learning

基于特征提取与特征选择（基于降维）的防御方法

概述

在低维的潜在特征空间，来自恶意客户端的异常模型更新可以很容易被区分。因此通过提取高维模型的特征，在低维特征空间中进行判别，可以防御后门攻击。

不足&局限性

这类方法也剔除了具有较大偏差的良性客户端的更新，导致聚合后的全局模型对此类客户端的性能较差。
这类方法要求恶意客户端数量至少小于 50 % 50% 50%。
模型更新的最优潜在表示还没有得到很好的研究。

基于变分自编码器的特征提取

利用模型更新在低维潜在空间中的表示来检测异常模型更新。因为低维嵌入空间在保留了数据本质特征同时，去除了噪声和不相关的特征，使得恶意模型更新的特征与正常模型更新的特征差异更大。

基于这种思想，考虑用一个变分自编码器来模拟模型更新的低维嵌入。同时收集在集中训练中获得的无偏模型更新，对这些更新的坐标进行随机采样，用于训练变分自编码器。由于良性客户端的更新和无偏模型的更新的差异比恶意客户端的更新和无偏模型的更新的差异要小得多，所以可以通过这种自编码器检测出恶意模型更新。

步骤

训练一个编码器-解码器模型来近似低维嵌入。将公共数据集集中训练过程中得到的无偏更新作为编码器的输入并输出低维嵌入，然后将低维嵌入作为解码器的输入并输出原始更新的重构，同时得到重构误差。
训练至收敛。通过将重构误差最小化，来优化编码器-解码器模型的参数，直到其收敛。
获得局部模型。服务器获取 n n n个用户的更新。
检测并剔除恶意更新。在每一轮通信中，将检测阈值设置为所有局部更新重构误差的均值，从而得到一个动态的阈值设置策略。重构误差高于阈值的更新将被视为恶意更新，并被排除在聚合步骤之外。然后进行聚合并开始下一轮更新。

优点&效果

检测阈值是在接收到客户端的模型更新后动态更新的
这种方法是有目标的防御，即可以检测出恶意客户端

不足&局限性

需要额外的公共数据集和集中的训练过程来提供无偏见的模型更新，从而训练变分自编码器，而这在现实世界的联邦学习中是比较难实现的。
牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部更新的明文，服务器不能检测参与者对全局模型的异常贡献，这种方法无法使用。

来源

【2020 arXiv】Learning to Detect Malicious Clients for Robust Federated Learning

基于PCA的特征提取

在参数空间的一个子集中，恶意客户端提交的参数更新与良性客户端的参数更新相比，具有更加独特的特征。对上传的模型进行PCA降维分解，然后进行聚类，将最大的类对应的更新视为正常更新，其他类对应的更新视为恶意更新。

步骤

服务器获取 n n n个用户的模型 { θ i } {\theta_i} {θi}。
对局部模型进行聚合得到全局模型 θ \theta θ
计算 n n n个用户的局部模型相对于全局模型的增量 θ Δ , i = θ i − θ \theta_{\Delta,i}=\theta_i-\theta θΔ,i=θi−θ（相当于对更新进行了零中心化预处理）。
定义类别 c s r c c_{src} csrc是怀疑被攻击者在标签翻转攻击中进行投毒的源标签，又由于某一类的概率仅由DNN结构最后一层的特定节点算得到，故仅提取 θ Δ , i \theta_{\Delta,i} θΔ,i中与 n c s r c n_{c_{src}} ncsrc节点有关的子集 θ Δ , i s r c \theta_{\Delta,i}^{src} θΔ,isrc，并将其放入列表 U U U中。
在经过对列表 U U U的多轮构建之后，对其进行标准化，然后对标准化之后的列表进行PCA降维，并得到可视化结果。
然后对结果进行聚类，将最大的类视为良性更新，而恶意参与者的更新属于其他明显不同的聚类。
识别出恶意参与者后，聚合器可以将其列入黑名单，或在未来几轮中忽略其更新。
在早期回合中消除恶意客户端后，最终可以得到具有可用性的聚合模型。

优点&效果

可以防御基于标签翻转的后门攻击。

不足&局限性

牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部模型参数的明文，服务器不能检测参与者对全局模型的异常贡献，这种方法无法使用。
可能无法防御基于植入触发器的后门攻击。

来源

【2020 ESORICS】Data Poisoning Attacks Against Federated Learning Systems

基于修改协议过程的防御方法

基于分组聚合的防御方法

由于联邦学习中数据分布是非IID的，所以不同客户端提交的模型更新会出现较大差异，这增加了服务器检测恶意更新的难度，同时安全聚合也不允许服务器检查模型更新。而一组良性客户端模型更新的平均值则相对分布得比较集中，于是考虑先对客户端分组进行聚合，对分组聚合的结果进行检测后，再进行最终的聚合。

步骤

在每一轮训练中，服务器随机选择 π \pi π个队列，每个队列包含 c c c个客户端。
服务器向每个队列中的客户端发送全局模型 G t G_t Gt，每个客户机在其本地训练数据上对模型 G t G_t Gt进行独立训练，以获得新的本地模型 L t + 1 L_{t+1} Lt+1，并将计算其模型更新 Δ i \Delta_i Δi。
然后，服务器同时对 π \pi π个队列建立 π \pi π个安全聚合协议，分别对每个队列的客户端提交的更新进行聚合，从而得到 π \pi π个“队列更新”（注意，这样得到的“队列更新”是用明文表示的）。
服务器可以用基于统计的防御方法对每个队列的聚合结果进行检测，在统计上不同于其他良性聚合的对抗聚合会被服务器检测到并丢弃。
最后，服务器对良性的“队列更新”进行聚合得到全局更新，并用其更新全局模型。

优点&效果

这种方法与安全聚合兼容，因为参与者提交的都是加密之后的更新。虽然每个队列进行聚合后得到的“队列更新”仍可能泄露队列成员集体的数据信息，但推理出来的信息无法与任何单个客户端相关联。
由于客户端的数据集是非IID分布，所以提交的模型更新可能会显示出很大的差异，这使得服务器很难确定哪些更新是恶意的。而对队列中的更新进行聚合之后，良性“队列更新”的数据分布会更加集中，有助于服务器检测异常。
可以防御基于标签翻转的后门攻击。
可以防御基于植入触发器的后门攻击。
可以防御基于模型替换的后门攻击。

不足&局限性

这类方法要求恶意客户端数量较少，至少在每一轮中，不能有超过 50 % 50% 50%的队列中有恶意客户端出现。

来源

【2021 arXiv】Meta Federated Learning

基于限制模型更新上传比例的聚合规则（PartFedAvg）

由于现有的后门攻击方法都是基于全参数的投毒，如果只上传更新参数的一部分，将大大降低恶意模型的毒性。因此设计参数

    d
   
  
  
   d
  
 
d来控制每个客户端模型更新的上传比例，这使得恶意客户端很难进行后门攻击。

另外设计了一套安全的聚合协议，用于防止推理攻击，从而保护客户端隐私，同时这种协议也可以让服务器验证用户提交的更新向量中非零分量的个数。

步骤

客户端：

得到局部模型更新。将当前的全局模型 G t G^t Gt作为当前的局部模型 L t L^t Lt，使用局部数据集 D i D^i Di训练 L t L^t Lt得到新的局部模型 L t + 1 L^{t+1} Lt+1，二者相减得到参数更新 Δ i t \Delta_i^t Δit。
选择上传更新。随机将 Δ i t \Delta_i^t Δit中比例为 ( 1 − d ) (1-d) (1−d)的部分填充为0，其余值保持不变，将修改后的参数更新上传给服务器。

服务器：

服务器获取 n n n个用户的局部更新的更新向量。
对于每一个维度 j j j，服务器对所有的 n n n个更新向量计算其第 j j j个参数为非零值的个数之和，非零值的个数表明有多少个客户端贡献了该参数的更新。
对于每一个维度 j j j，对局部模型的更新进行求和，并除以非零值的个数，从而计算出更新的平均值 Δ a g g i t \Delta_{agg_i}^t Δaggit。
计算出所有维的更新的平均值之后，更新全局模型 G t + 1 = G t + Δ a g g t G^{t+1}=G^t+\Delta_{agg}^t Gt+1=Gt+Δaggt。

优点&效果

可以防御后门攻击。恶意客户端无法在短时间内上传完整的恶意参数，且每一轮聚合操作都会使全局模型倾向于良性客户端，抵消恶意参数的影响。
使用的是安全聚合的协议，每个客户端只上传一小部分参数信息，且传输过程和聚合过程都进行了同态加密，可以防御推理攻击。

不足&局限性

这种防御方法无法防御无目标攻击，比如符号翻转攻击。
这种方法需要对客户端算法进行修改。
这种方法可以在一定程度上减轻恶意攻击的影响，但不能完全消除它们。

来源

【2022 IEEE】Secure Partial Aggregation: Making Federated Learning More Robust for Industry 4.0 Applications

综合运用多种技术的防御方法

概述

正因为每一类防御方法都有其缺点，所以可以考虑同时使用多种防御手段，综合每一类方法的优点，使防御更加可靠，也可以防止过分依赖某一种方法而带来的不可接受的负面影响（比如添加过多噪声对主任务精度造成的影响）。

基于HDBSCAN聚类、剪裁和加噪的自适应防御方法

这种方法综合运用了基于聚类的防御方法、基于剪裁的防御方法和基于添加噪声的防御方法，且剪裁的阈值和添加的噪声量是动态自适应变化的。将对异常模型更新的检测和权值的裁剪相结合，首先剔除具有高后门影响的局部更新，然后通过剪裁和加噪来消除残余的后门。实现了去除后门所需的剪裁因子和噪声量的最小化，以保持全局模型的良性性能。

步骤

服务器获取 n n n个用户的模型。
计算 n n n个模型两两之间的余弦相似度。
使用动态聚类算法HDBSCAN对两两之间的余弦相似度进行聚类，超过 50 % 50% 50%的类为良性更新。其他类均视为离群值，将其剔除，得到剩余的 L L L个良性模型。
对 n n n个模型中的每个模型计算和当前全局模型的欧式距离 ( e 1 , … , e n ) (e_1,\dots,e_n) (e1,…,en)，并令其中值为 S t S_t St
对于每一轮的 L L L个用聚类算法筛选出来的模型，令其动态自适应剪裁阈值为 γ = S T / e l \gamma=S_T/e_{l} γ=ST/el。
计算剪裁后的局部模型 W l = G t − 1 + ( W l − G t − 1 ) ∗ M I N ( 1 , γ ) W_l=G_{t-1}+(W_l-G_{t-1})*MIN(1,\gamma) Wl=Gt−1+(Wl−Gt−1)∗MIN(1,γ)
对剪裁后的局部模型赋予相同的权重进行聚合得到全局模型 G t G_t Gt
基于局部模型之间的差异（距离）得到动态自适应噪声量 σ = λ ∗ S t \sigma=\lambda*S_t σ=λ∗St，其中超参数 λ \lambda λ是根据经验设置的噪声水平因子。
得到加噪后的全局模型 G t = G t + N ( 0 , σ 2 ) G_t=G_t+N(0,\sigma^2) Gt=Gt+N(0,σ2)

优点&效果

这种方法也开发了一种基于安全多方计算的方法对上述算法进行升级，从而可以对客户端的隐私进行保护，可以同时防御后门攻击和推理攻击。（但由于本文重点总结后门攻击，故没有详细介绍这种升级版方法对推理攻击的处理。）
由于这种方法中用到的HDBSCAN聚类算法是动态自适应的，剪裁因子和噪声量也是动态自适应的，因此这种方法适用于一般的攻击者模型，不依赖于对攻击者攻击策略和数据分布的强假设。比如，相较于固定分成 n n n类的聚类防御方法，这种自适应的聚类方法可以防御任意数量的后门同时注入的攻击，也不会在没有后门攻击时对良性模型误报。
通过优化剪裁和噪声的阈值，使得这种方法对聚合模型的良性性能的影响可以忽略不计，同时确保有效地消除恶意后门。
可以完全防御基于放大模型参数的模型替换后门攻击。
可以完全防御基于植入触发器的分布式协同后门攻击。
可以完全防御基于边界情况的后门攻击。

不足&局限性

这种方法还有一个升级版本，升级版的方法保证了隐私，与安全聚合兼容，但对联邦学习的流程进行了大量的、代价高昂的更改。如果不用升级版则牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。
这种方法需要恶意客户端数量至少小于 50 % 50% 50%。

来源

【2021 arXiv】FLGUARD: Secure and Private Federated Learning

【2021 arXiv】FLAME: Taming Backdoors in Federated Learning

基于相似性的防御方法

概述

利用欧式距离、余弦相似度等计算模型的相似性。根据相似性调整局部模型的权重或学习速率。或利用基于聚类的方法找到离群值，并从中去除离群值。

不足&局限性

在安全聚合协议中，服务器无法得到客户端的局部模型参数或更新的明文，因此在这种情况下，基于相似性的防御方法无法使用。（但是随着技术的进步，未来版本的联邦学习协议可能有在不泄露客户端训练数据隐私的情况下计算客户端参数的偏离程度和距离的方法，从而进行异常检测，所以基于相似性的防御方法仍有研究价值。）
这些防御对基础的攻击者有效，但可以很容易地被高级攻击者所绕过。更复杂的恶意客户端可能通过采取隐蔽措施或相互串通来隐藏他们的意图。
比如，攻击者可以通过将恶意的更新向量投影到真实更新向量的邻域，从而绕过这些基于相似性的防御。
比如，攻击者可以让有毒模型更新 W 0 W_0 W0与良性模型更新 W W W之间的距离小于所采用的防御方法的判别阈值 ϵ \epsilon ϵ，即 ∥ W 0 − W ∥ ≤ ϵ \left|W_0-W\right|\leq\epsilon ∥W0−W∥≤ϵ，从而避开基于检测距离相似性的防御方法。
比如，攻击者可以通过缩小后门参数的放大比例从而避免被检测。
比如，攻击者可以让多个恶意客户端同时注入多个不同的后门，从而避免所有后门被检测出来。比如对于将客户端的更新固定分成 n n n类的聚类防御方法，攻击者可以精心构造 m ≥ n m{\geq}n m≥n数量的后门进行攻击，从而实现部分后门的成功注入。同时对于将客户端的更新固定分成 n n n类的聚类防御方法，即便在没有后门攻击发生时仍然会剔除一部分良性更新，导致产生误报。
这类方法需要恶意客户端数量至少小于 50 % 50% 50%。
有些防御方法需要关于阈值的先验知识，而这在实际应用中很难得到。

基于历史更新余弦相似性的防御方法

当每个客户端的训练数据都是非IID时，由于诚实客户端的梯度更新存在多样性，而恶意客户端的行为更加相似，所以恶意客户端将上传比诚实客户之间更相似的更新。为了更好地估计客户端的相似性，可以计算所有历史更新的相似性，而非某一轮迭代中的更新的相似性。并基于特定特征的相似性来调整每个客户端的学习速率，从而减少恶意更新的影响。

步骤

对于每一个客户端 i i i，服务器保存其历史更新向量为 H i = ∑ t Δ i , t H_i=\sum_t{\Delta_{i,t}} Hi=∑tΔi,t
寻找指示性特征。（指示性特征是指与模型的正确性相关或后门攻击相关的特征。）
计算客户端历史更新中指示性特征两两之间的余弦相似性 c s i j cs_{ij} csij，并令 v i v_i vi为客户端 i i i与其他所有客户端余弦相似性中的最大值。
两两之间的余弦相似性计算完毕之后，对于每一个客户端 i i i，如果存在另一个客户端 j j j满足 v j > v i v_j>v_i vj>vi，则将客户端 i i i的 c s i j cs_{ij} csij修正为 c s i j ∗ v i / v j cs_{ij}*v_i/v_j csij∗vi/vj。通过重新衡量余弦相似度，可以使得诚实客户端与恶意客户端的相似性进一步减小，而恶意客户端与恶意客户端的相似性基本不变，从而减少误报。
计算每一个客户端 i i i的学习速率为 α i = 1 − m a x j ( c s i ) \alpha_i=1-max_j(cs_i) αi=1−maxj(csi)，并通过除以 α i \alpha_i αi中的最大值，将其标准化缩放到0到1之间。
对每一个客户端的学习速率 α i \alpha_i αi，使用以0.5为中心logit函数，使得接近0和1的学习速率变得更加发散。
将最终的学习速率与对应的模型更新相乘，得到聚合后的模型更新，并用其更新全局模型。

优点&效果

这种方法对恶意客户端最大数量没有限制，攻击者可以掌控任意数量的恶意客户端。（其他大部分防御方法至少都有恶意客户端最大数量小于50%的限制。）
可以防御基于植入触发器的后门攻击。

不足&局限性

这种方法对攻击者的行为有过强的假设。它需要假设攻击者的行为一直是恶意的，即在所有训练回合中攻击者都要提供恶意模型更新，从而累计历史更新。然而，这样的假设是不现实的，攻击者可以随意改变攻击策略，在每个训练回合中，攻击者可以不注入后门（即作为良性行为），也可以注入一个后门，还可以注入多个后门。
这种方法不能防御同时注入多个后门的攻击。

来源

【2020 RAID】The Limitations of Federated Learning in Sybil Settings

基于余弦相似性的攻击自适应防御方法

用余弦关系判断相似性，然后利用一个阈值，将相似性过低的数据直接剔除，仅让相似度较高的更新参与最终的模型聚合，从而避免恶意更新的影响。

并且这种方法中相似性的计算是用当前轮的局部更新向量与上一轮的全局更新结果进行比较，即是用当前的输入以及之前得到的结果去判断当前的输入是否是诚实的更新向量，相当于是基于前面的经验去判断后面的数据。

步骤

首先训练查询编码器 Q Q Q和更新向量编码器 K K K。对于每种不同攻击，在服务器的测试集上模拟运行联邦学习场景来收集更新向量及对应的标签（恶意的或真实的）。并对更新向量运行同后面步骤3至步骤6类似的算法，得到对标签真实性的预测（恶意的或真实的），然后用一个损失函数鼓励预测标签与真正标签的差距最小化，来优化编码器的参数，直到其收敛。之后便可以在服务器上开始使用了。
服务器获取 n n n个用户的局部更新的更新向量 { x i } {x_i} {xi}
利用中位数等聚合规则，得到第一轮更新的鲁棒性估计 q 0 = m e d ( { x i } ) q_0=med({x_i}) q0=med({xi})。（这一步仅需要在首轮进行）
在第 t + 1 t+1 t+1轮，对于第 i i i个更新向量，计算其与上一轮全局模型的余弦相似度为 s i = Q ( q t ) ∗ K ( x i ) ∥ Q ( q t ) ∥ ∥ K ( x i ) ∥ s_i=\frac{Q(q_t)*K_(x_i)}{\left|Q(q_t)\right|\left|K_(x_i)\right|} si=∥Q(qt)∥∥K(xi)∥Q(qt)∗K(xi)
将相似度约束到0到1的范围，得到更新向量的权重 w i = e x p ( c s i ) / ∑ j e x p ( c s i ) w_i=exp(cs_i)/\sum_{j}exp(cs_i) wi=exp(csi)/∑jexp(csi)，其中 c c c是一个超参数， c c c越大则恶意更新的权重越低。
对恶意更新进行剔除，计算最终的更新向量的权重 w i = w i ⋅ 1 ( w i ≥ ϵ / n ) w_i=w_i·1_{(w_i\geq\epsilon/n)} wi=wi⋅1(wi≥ϵ/n)
根据权重对局部更新进行聚合，得到全局更新 q t + 1 q_{t+1} qt+1，并作为下一轮通信的鲁棒性估计。

优点&效果

这是一种自监督的方法，可以根据训练数据和攻击手段的变化来改进编码器 Q Q Q和 K K K，从而抵御新的攻击。
在防御后门攻击方面，这种方法优于以前的方法，如基于中位数的聚合规则、基于残差的重新加权聚合规则。

不足&局限性

对每一种攻击都需要相应的测试集提前在服务器上训练编码器。
牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部更新的明文，服务器不能检测参与者更新的相似性，这种方法无法使用。

来源

【2021 arXiv】Robust Federated Learning with Attack-Adaptive Aggregation

基于马氏距离相似性的防御方法

由于后门攻击会在局部模型的权重上有所暴露，故首先对CNN某一层中过滤器的梯度进行零中心化预处理，然后采用无监督的异常检测手段来评估预处理过的过滤器，为每个客户端计算异常得分。最后根据客户端的异常得分来确定其是否为恶意客户端，大多数良性客户端的得分会分布在一个很小的范围内，而恶意的客户端应该有显著的更高或更低的分数。

步骤

服务器获取 n n n个用户的局部模型的权重 { w i } {w_i} {wi}
对模型权重进行预处理，得到零中心化后的梯度 δ i t + 1 = w i t + 1 − 1 n ∑ i w i t + 1 \delta_i^{t+1}=w_i^{t+1}-\frac{1}{n}\sum_{i}^{}w_i^{t+1} δit+1=wit+1−n1∑iwit+1
取一个CNN层提取其所有的过滤器，将所有客户端该层的所有过滤器视为一个整体进行考虑，计算出过滤器梯度的平均值 f ‾ \overline{f} f，然后计算每个过滤器的梯度到过滤器梯度的平均值的马氏距离。
将距离最大的 γ \gamma γ个过滤器视为异常过滤器，若客户端有一个异常过滤器，则其异常得分加1。
如果某个客户端的异常得分显著的更高或更低，则客户端可能是恶意的。
识别出可疑客户端后，服务器像往常一样对其余的模型权值进行聚合，得到新的全局模型。

优点&效果

这种方法有三个强假设，假设攻击者知道服务器端可能执行的所有防御，假设攻击者在任何时候任意选择所有恶意客户端进行攻击，假设恶意客户端可以合谋分担攻击工作量。
能够在不降低模型性能的情况下，有效且鲁棒地抵御多种最新的攻击。
可以防御基于标签翻转的后门攻击。
可以防御基于像素模式的后门攻击。
可以防御基于语义的后门攻击。

不足&局限性

牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部模型参数的明文，服务器不能检测参与者对全局模型的异常贡献，这种方法无法使用。

来源

【2022 arXiv】ARIBA: Towards Accurate and Robust Identification of Backdoor Attacks in Federated Learning

基于统计的防御方法

概述

根据中位数、平均值等统计特性，选择一个或多个有代表性的客户端更新，并使用其来估计真实更新的中心，从而避免恶意模型的参数的影响。

不足&局限性

部分方法虽然在统计上对后门攻击具有鲁棒性，但可能导致一个有偏差的全局模型、因为所选择的更新只占局部更新的一小部分，导致聚合模型对具有较大偏差的良性客户端客户端的性能较差。
在安全聚合协议中，服务器无法得到客户端的局部模型参数或更新的明文，因此在这种情况下，基于统计的防御方法无法使用。（但是随着技术的进步，未来版本的联邦学习协议可能有在不泄露客户端训练数据隐私的情况下计算客户端参数的偏离程度的方法，从而进行异常检测，所以基于统计的防御方法仍有研究价值。）
这类方法需要恶意客户端数量至少小于 50 % 50% 50%。

基于中位数的聚合规则（Coordinate-Wise Median）

利用局部模型更新每一维的中值作为聚合后的全局模型更新。

步骤

服务器获取 n n n个用户的局部更新。
对于每一个维度 j j j，服务器求出所有局部模型第 j j j个参数的中位数。
服务器使用每个参数的中位数作为全局模型的更新更新全局模型。

优点&效果

计算过程简单。
对攻击者模型没有过多的限制。

不足&局限性

对非IID数据准确性较低。这种方法是在2018年提出来的，当时的应用场景是分布式学习，但是由于联邦学习场景中数据的分布是非IID的。而当数据分布为非IID时，仅只取一个中位数会忽略其他数据，所以这种方法的防御效果在联邦学习中有所下降，尤其是对具有较大偏差的良性客户端客户端的性能较差。
牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部更新的明文，服务器不能检测参与者对全局模型的异常贡献，这种方法无法使用。

来源

【2018 ICML】Byzantine-Robust Distributed Learning: Towards Optimal Statistical Rates.

基于修剪的平均值的聚合规则（Trimmed Mean）

选择局部模型更新对应维度的修剪后的平均值作为聚合后的全局模型更新。

步骤

服务器获取 n n n个用户的局部更新。
对于每一个维度 j j j，服务器对 n n n个更新的第 j j j个参数进行排序，并丢弃排序后最大的一部分值和最小的一部分值。
取剩余值的平均作为全局模型更新的第 j j j个参数更新全局模型。

优点&效果

计算过程简单。
对攻击者模型没有过多的限制。

不足&局限性

对非IID数据准确性较低。这种方法是在2018年提出来的，当时的应用场景是分布式学习，但是由于联邦学习场景中数据的分布是非IID的，所以这种方法的防御效果在联邦学习中有所下降。
牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部更新的明文，服务器不能检测参与者对全局模型的异常贡献，这种方法无法使用。

来源

【2018 ICML】Byzantine-Robust Distributed Learning: Towards Optimal Statistical Rates.

基于残差的重新加权聚合规则

将一种经典鲁棒性回归算法（重复中值线性回归）扩展到了联邦学习环境。对局部模型每一维，用回归算法得到线性回归，根据每个模型在该维上的参数的标准差求相应的置信度，并乘以该参数的标准差得到在该维上的权重。然后将每个模型的所有维的权重求和，作为聚合时该局部模型的权重，聚合后得到全局模型。

步骤

获得局部模型。服务器获取 n n n个用户的更新，得到 n n n个用户的局部模型。
得到参数和索引值的二维点集。对于每一个维度 j j j，服务器对 n n n个模型的第 j j j个参数 y j y_j yj进行排序，并为第 k k k个模型的第 j j j个参数添加索引 x k j x_k^j xkj，得到二维点集 ( x k , y k ) (\boldsymbol{x_k},\boldsymbol{y_k}) (xk,yk)
repeated median线性回归。对于每一个维度 j j j，用重复中值线性回归法得到点集 ( x k , y k ) (\boldsymbol{x_k},\boldsymbol{y_k}) (xk,yk)的线性回归。
计算残差。计算每个模型第 j j j个参数的残差。
计算标准差。对残差标准化得到标准差。
计算参数置信度。根据标准差计算每个模型第 j j j个参数的置信度。
超大值修正。为了削弱过大参数对全局模型可能造成的恶意影响，对于置信度小于阈值 δ \delta δ的参数，用重复中值回归得到的线性估计的值代替原本的参数。
计算各局部模型权重。第 k k k个局部模型第 j j j个参数的权重为该模型第 j j j个参数的置信度×第 j j j个参数的标准差。第 k k k个局部模型的整体权重为所有参数权重之和。
聚合得到全局模型。根据每个局部模型的权重，加权聚合得到全局模型。

优点&效果

这种聚合方法可以防御基于标签翻转的后门攻击。
这种聚合方法可以防御基于放大模型参数的模型替换攻击。

不足&局限性

牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部更新的明文，服务器不能检测参与者对全局模型的异常贡献，这种方法无法使用。

来源

【2019 arXiv】Attack-Resistant Federated Learning with Residual-based Reweighting

基于调整每个参数学习速率的聚合规则

对每个回合的每一维，根据客户端更新的符号信息，调整聚合时的学习速率。如果更新方向相同的模型数量超过某个阈值，则朝着最小化该维度上的损失的方向正常更新；反之，说明可能是攻击方在将参数向后门引导，则朝着最大化该维度上的损失的方向更新，具体操作为将该维的学习率变为原来的相反数。

步骤

服务器获取 n n n个用户的局部更新。
对于每一个维度 j j j，服务器对 n n n个模型的第 j j j个参数求符号函数，再对符号函数的运算结果求和，即求 ∑ k s g n ( Δ j k ) \sum_{k}{sgn(\Delta_j^k)} ∑ksgn(Δjk)
设置一个学习阈值的超参数 θ \theta θ，若 ∣ ∑ k s g n ( Δ j k ) ∣ ≥ θ |\sum_{k}{sgn(\Delta_j^k)}|\geq\theta ∣∑ksgn(Δjk)∣≥θ，则 η j = η \eta_j=\eta ηj=η，反之 η j = − η \eta_j=-\eta ηj=−η
选用一种聚合函数（如联邦平均）对局部更新进行聚合，唯一的区别是，每个参数的学习速率不是固定的相同的 η \eta η，而是前面求出的 η j \eta_j ηj

优点&效果

这种方法只调整学习速率，而与聚合函数无关，因此可以同其他的防御方法（如剪裁更新和添加噪声）结合起来，以增强防御效果。
这种方法可以防御针对数据投毒的后门攻击。
同单纯的基于中位数的聚合、基于调整每个客户端学习速率的聚合、基于差分隐私的聚合相比，这种方法降低后门攻击成功率的效果更好。

不足&局限性

牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部更新的明文，服务器不能检测参与者对全局模型的异常贡献，这种方法无法使用。

来源

【2021 AAAI】Defending Against Backdoors in Federated Learning with Robust Learning Rate

基于联邦遗忘的防御方法

概述

在联邦训练过程之后，从全局模型中彻底有效地删除指定客户端的贡献，从而完全消除恶意客户端的影响。

不足&局限性

需要已知恶意客户端是哪一个。
需要对客户端的算法进行修改。

基于再培训的联邦遗忘方法

将联邦学习过程中客户端的历史参数更新保存在服务器上，用于重建遗忘模型，并用一种校正方法对保存的更新值进行校正，快速构建遗忘模型。相当于用服务器的存储空间换取遗忘模型的构建时间。

步骤

在全局模型的训练过程中，服务器每隔 E c a l i E_{cali} Ecali轮保存客户端的更新以及相应轮次的索引，被记录的一轮更新为 U t j = { U 1 t j , U 2 t j … U k t j , } U^{t_j}={U_1^{t_j},U_2^{t_j}{\dots}U_k^{t_j},} Utj={U1tj,U2tj…Uktj,}
全局模型训练完成之后，需要继续进行 T T T轮训练。定义除了恶意客户端之外的其他客户端为校准客户端。在第 j j j轮培训中，服务器将上一轮校准中获得的校准全局模型 M t j M^{t_j} Mtj发送给校准客户端，令校准客户端对其运行 E c a l i E_{cali} Ecali轮本地训练。（第1轮服务器则将初始的模型发送给校准客户端。）
校准训练后，每个校准客户端 C k c C_{k_c} Ckc计算当前更新 U ^ k c t j \hat{U}_{k_c}^{t_j} U^kctj，并将其发送到服务器进行更新校准。
校准客户端 k c k_c kc用当前更新 U ^ k c t j \hat{U}{k_c}^{t_j} U^kctj校准服务器保存的对应客户端的更新 U k c t j U{k_c}^{t_j} Ukctj，保存的更新 U k c t j U_{k_c}^{t_j} Ukctj指示了要更改的大小，而当前更新 U ^ k c t j \hat{U}{k_c}^{t_j} U^kctj归一化后代表了需要更改的方向。结合这二者的信息，于是对 U k c t j U{k_c}^{t_j} Ukctj的校准可以表示为 ∣ U k c t j ∣ U ^ k c t j ∣ ∣ U ^ k c t j ∣ ∣ |U_{k_c}^{t_j}|\frac{\hat{U}{k_c}^{t_j}}{||\hat{U}{k_c}^{t_j}||} ∣Ukctj∣∣∣U^kctj∣∣U^kctj。
利用校准之后的更新进行加权平均聚合得到全局更新，其中每个局部模型更新的权重由其局部数据量决定，与标准的联邦学习聚合规则一致。再加上上一轮的全局模型得到当前轮校准后的全局模型。

优点&效果

这种方法是联邦学习中的第一个遗忘算法，能够消除客户端数据对全局模型的影响。
这种方法比重新从头开始训练模型的速度提高了4倍。
服务器端只需要增加额外的保存功能，而不用对现有的联邦学习体系结构或联邦客户端上的培训过程进行大的修改，因此这种防御机制很容易作为一个组件部署到现有的联邦学习系统中。
由于原理是删除指定客户端的贡献所以几乎可以适用于防御所有的攻击。

不足&局限性

校准过程依赖于客户端的参与，并且要使用它们的历史数据集，而一个实际的问题是，客户端的边缘设备可能只有有限的存储空间，他们可能会在培训过程结束后随时删除数据。
需要客户端和服务器之间进行额外的通信，但是通信会耗费大量时间和精力。
一般的联邦学习在训练过程中需要随机选择参加每轮培训的客户端，此外，在每个客户端的本地训练过程中也存在很多随机性，所以训练过程是随机的。因此，用在原始数据集上重新训练，用新的更新校准历史更新可能在实际中并不可行。
需要已知恶意客户端是哪一个。
牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部更新的明文，服务器无法利用客户端的更新，这种方法无法使用。

来源

【2021 IEEE】FedEraser: Enabling Efficient Client-Level Data

基于知识蒸馏的联邦遗忘方法

首先从全局模型中减去目标客户端累积的历史更新来消除其贡献，然后用旧的全局模型作为教师模型来训练遗忘模型，通过知识蒸馏的方法来恢复模型的性能。

步骤

假设恶意客户端的所有轮的更新为0，即 Δ M t n = 0 {\Delta}M_t^n=0 ΔMtn=0，则全局模型更新的遗忘过程可以简化为 Δ M t ′ = Δ M t − 1 N Δ M t n {\Delta}M_t^{'}={\Delta}M_t-\frac{1}{N}{\Delta}M_t^n ΔMt′=ΔMt−N1ΔMtn
考虑到任何一轮全局模型的更新都会导致对随后所有轮的模型更新的影响，因此需要用 ϵ t \epsilon_t ϵt来表示第 t t t轮对全局模型的必要修正。可以得到最终的全局模型的遗忘模型为 M F ′ = M F − ∑ t 1 N Δ M t n + ∑ t ϵ t M_F^{'}=M_F-\sum_t\frac{1}{N}{\Delta}M_t^n+\sum_t\epsilon_t MF′=MF−∑tN1ΔMtn+∑tϵt
根据上述模型，从最终的全局模型 M F M_F MF中减去目标客户端 N N N的所有历史平均更新即可得到有偏差的遗忘模型 M F ∗ = M F − ∑ t 1 N Δ M t n M_F^{*}=M_F-\sum_t\frac{1}{N}{\Delta}M_t^n MF∗=MF−∑tN1ΔMtn。然后用知识蒸馏的方法弥补偏差 ∑ t ϵ t \sum_t\epsilon_t ∑tϵt
将原始的全局模型作为教师模型，将有偏差的遗忘模型作为学生模型。服务器可以使用任何未标记的数据在高温下通过知识蒸馏的方法训练遗忘模型，从而纠正由上一个过程引起的偏差。
知识蒸馏训练结束之后，将温度调回至1，得到最终的遗忘模型。

优点&效果

可以使得后门攻击的成功率降为0。遗忘模型的测试准确率与从头再训练的模型的测试准确率基本一致。
知识蒸馏训练完全在服务器进行，无需标记数据集，因此不需要客户端的时间和计算开销，也不会进行网络通信。
后门特征不会从教师模型转移到遗忘模型，因为在知识蒸馏的训练过程中没有后门模式的出现，这些特征就不会被激活。
知识蒸馏可以避免模型与数据拟合得过于紧密，并且可以在训练点周围更好地泛化，从而能提高模型的鲁棒性，进一步提高训练后模型的性能。
由于原理是删除指定客户端的贡献所以几乎可以适用于防御所有的攻击。

不足&局限性

需要已知恶意客户端是哪一个。
牺牲了一定的隐私，与安全聚合不兼容。在安全聚合协议中，服务器无法知道用户局部更新的明文，服务器无法利用客户端的更新，这种方法无法使用。

来源

【2022 arXiv】Federated Unlearning with Knowledge Distillation

基于全局模型性能的防御方法

概述

利用客户端的本地数据集测试全局模型，从而验证全局模型是否具有后门。

传统的基于性能的测试一般是利用服务器上的辅助数据集测试每个本地模型，并依据准确率、损失函数等性能剔除恶意模型。而由于联邦学习任务通常涉及大量客户端，因此对其进行全面测试几乎是不可能的。同时由于恶意模型在主任务和后门任务上都可以达到很高的准确性，因此服务器上有限的测试数据很难发现恶意异常。而由于客户端的本地数据集具有多样性，并且可以多个客户端并行测试，故可以考虑将聚合后的全局模型发送给客户端进行测试。

不足&局限性

需要对客户端的算法进行修改
这种方法需要恶意客户端数量至少小于 50 % 50% 50%。

基于反馈性能检测的防御机制

由于客户端的私有数据集提供了丰富多样的已标记的数据集，所以不仅可以将客户端的数据用于训练，还可以用于检测模型中毒。在服务器训练出全局模型之后，随机选择一组客户端，根据其本地数据验证全局模型，并通过反馈回路投票决定接受或拒绝该模型，如果确定为中毒模型，则将其放弃。并且经过实验评估，这种方法的正确性并不依赖于诚实客户端拥有后门数据。

步骤

获得用户局部更新，聚合得到当前待检测的全局模型。服务器获取 n n n个用户的更新，聚合后得到当前的全局模型 G r G^r Gr。
确定每一轮的拒绝阈值。由于期望每一轮的全局模型的精度都比上一轮的全局模型有所提高，因此根据最近几轮的全局模型在服务器的测试集上的预测结果确定这一轮的拒绝阈值，用于客户端判断全局模型是否可疑。
选择客户端。服务器随机选择 n n n个客户端，将当前的全局模型以及拒绝阈值发送给客户端。
客户端使用本地数据集进行验证。客户端验证全局模型，并根据拒绝阈值向服务器报告当前全局模型是否可疑。
确定仲裁阈值 q q q。 q q q使得是服务器拒绝当前全局模型需要的报告可疑的客户端的最少数量。既要保证不能因为恶意客户端的恶意误报而导致拒绝真正的模型（即 n M ＜ q n_M{＜}q nM＜q），也要保证能让诚实的客户端拒绝中毒模型（即 n M ≤ n − q n_M{\leq}n−q nM≤n−q），其中 n M n_M nM为恶意客户端的最大数量。当然考虑到诚实客户端也会有误判的情况，所以还要依据经验考虑到误判率 ρ \rho ρ。
服务器判断全局模型是否为中毒模型。如果有大于等于仲裁阈值 q q q的验证客户端认为该模型可疑，则服务器拒绝接受这一轮的全局更新，并令这一轮的全局模型为上一轮的全局模型 G r − 1 G^{r-1} Gr−1，继续进行下一轮的更新。

优点&效果

与安全聚合兼容，因为客户端的判断完全基于全局模型，而不是对单个更新。
可以防御基于放大模型参数的模型替换攻击。
这种防御方法对现有的联邦学习系统部署的修改最小。
可以防御自适应攻击。这种方法利用客户端的私有数据的多样性防御不可预测的攻击，使攻击者难以调整其策略以避免检测。

不足&局限性

无法防御基于植入触发器的后门攻击。
只能检测恶意模型但不能纠正或消除。

来源

【2020 arXiv】BaFFLe: Backdoor detection via Feedback-based Federated Learning

基于过滤投毒数据的防御方法

概述

客户端通过从训练数据中除去带有后门的投毒数据，从而训练出无后门的局部模型。

基于后门区域过滤的防御方法

服务器使用可解释（XAI）模型和分类器训练后门过滤器，并使用不同的XAI模型和不同的分类器组合训练多个过滤器，以保证每个过滤器的可用性和随机性。

其中之所以要使用可解释模型，是为了提取样本的重要特征，因为如果直接将触发器的大小设置为一个固定的值将有损训练出来的过滤器的通用性，因此可以通过提取并检测输入样本的重要特征来识别触发区域。

然后服务器将每个过滤器被随机发送到客户端，用于识别后门输入。对于被确定为后门的输入，客户端用模糊和标签翻转策略来清理数据上的后门触发区域，恢复数据的可用性。其中随机发送过滤器是为了防止攻击者故意对特定的过滤器进行攻击。

步骤

服务器端训练后门过滤器：

服务器需要收集现有攻击信息建立一个攻击库，里面有现有的恶意模型和相应的带有后门的数据样本。
对于攻击库中每一个恶意模型及相应的后门样本，服务器随机使用分类器模型初始化后门分类器，使用XAI模型初始化样本解释器（即触发检测器）。
样本解释器将恶意模型 G a G_a Ga、原始数据样本 x a x_a xa以及模型对数据样本的预测 y a y_a ya作为输入，同时输出显示数据样本重要特征的热图 S t = I ( G a , x a , y a ) S_t=I(G_a,x_a,y_a) St=I(Ga,xa,ya)。
服务器设置一个阈值 α \alpha α来选择最重要的特征。遍历重要特征热图 S t S_t St，若 S t [ l ] > α S_t[l]>\alpha St[l]>α，则最重要特征大小 x t = x t + 1 x_t=x_t+1 xt=xt+1。如果样本是后门样本，标记 y t = 1 y_t=1 yt=1，否则为0。
将若干组 { x t , y t } {x_t,y_t} {xt,yt}作为训练数据来训练分类器，将 x t x_t xt作为分类器的输入，分类器输出预测该样本是否带有后门。定义一个损失函数，鼓励分类器预测情况与真正情况的差距最小化，根据损失函数来动态调整阈值 α \alpha α。（注：这种方法仅选取了触发器的大小作为后门特性对后门进行鉴别，也可以加入触发器的位置、形状等其他特性。）
每一轮中，服务器向每个参与的客户端发送一个不同的后门过滤器，后门过滤器由一个样本解释器、一个分类器和阈值 α \alpha α组成。

客户端触发检测、触发清理和标签翻转：

触发检测。当客户端接受输入数据 a a a时，用客户端的本地模型 L L L输出其分类结果 y y y。然后得到显示数据样本重要特征的热图 S = I ( L , a , y ) S=I(L,a,y) S=I(L,a,y)，并根据阈值 α \alpha α得到最重要特征的大小 s s s。后门分类器利用最重要特征大小 s s s判断样本是否为后门样本。若数据 a a a是后门，则对数据 a a a进行后门的两步操作。
触发清理。若数据 a a a是后门，可以推断后门触发区域贡献了 a a a最重要的特征，于是将原始图像中与最重要的特征相对应的部分提取出来作为 S ′ S^{'} S′。对于 S ′ S^{'} S′区域的每一个像素，触发器清理器会通过对它周围的像素值取平均对其进行代替，从而模糊掉可疑触发区域。
标签翻转。将模糊后的数据再次输入到局部模型 L L L中，将模型输出的最大概率类别作为输入数据的预测类别，而如果预测类别与原始预测结果相同，则模型选择第二个最可能的类别作为预测结果。

优点&效果

能够准确地识别带有触发器的后门数据，并能通过模糊的策略清理触发区域，从而能重用去了触发区域的数据，提高了数据利用率。
能够防御基于植入触发器的分布式协同后门攻击。
与安全聚合协议兼容。

不足&局限性

对攻击者的能力有过多的假设，假设攻击者能力是黑盒攻击，仅能对训练数据进行投毒，而无法控制客户端的行为。
需要后门模型和后门数据样本等先验知识训练过滤器和得到经验阈值。
仅对基于像素模式的后门触发器有用。

来源

【2021 IEEE】Mitigating the Backdoor Attack by Federated Filters for Industrial IoT Applications

基于增强模型稳定性的防御方法

根据信息论，通过增加训练阶段参数的不确定性，可以提高模型的稳定性和泛化程度。因此可以通过丢弃部分优化信息来提高模型的泛化程度。而模型的泛化能力越强，抵御对抗样本带来的后门攻击的能力就越强。

基于dropout的防御方法

dropout是指在随机梯度下降（SGD）优化过程中，随机将梯度在某个分量上的权重设置为0，从而提高了模型的泛化能力和稳定性。而模型泛化能力越强，抵御对抗样本带来的后门攻击的能力就越强。

步骤

分别研究dropout比例与模型准确率（clean ACC）和后门攻击准确率（backdoor ACC）的关系。1. 实验表明，clean ACC和backdoor ACC均随着dropout的增加而下降，且超过一个阈值后会急剧下降。但是，这两者的阈值是不同的。2. 换言之，clean ACC和backdoor ACC的关系即为，clean ACC增大的同时，backdoor ACC也增大，但是存在一个转换点，这是一个clean ACC很高，而backdoor ACC很低的点。从而可以基于此设计防御机制。
定义评价学习模型稳定性的泛化误差的上界 ϵ \epsilon ϵ。1. 首先在良性数据集的基础上，通过在一部分样本中添加特定的后门触发器来构造包含后门样本和原始良性样本的后门数据集。2. 然后复制一个完全相同的后门数据集，并去除其中带有触发器的样本来构建一个新的良性数据集。3. 接着在后门数据集和良性数据集上分别用完全相同的网络结构训练后门模型和良性模型。4. 最后对于后门数据集中的每一个数据，分别通过后门模型和良性模型计算其损失值。将这两个损失值之间的误差的绝对值定义为模型的泛化误差。将所有泛化误差中的最大值定义为泛化误差的上界 ϵ \epsilon ϵ。
研究dropout比例与泛化误差上界的关系。1. 随着dropout的增加，泛化误差上界逐渐减小，即抵御敌对样本带来的后门攻击的能力逐渐增强。（但同时根据上一个实验的结果，随着dropout的增加，clean ACC也会下降。）2. 且泛化误差的上界在变化时也会出现一个转换点，在这个转换点之后，泛化误差上界急剧下降，即学习模型的稳定性迅速增强。3. 此外，对于不同的攻击比例，泛化误差上界的变化也非常相似。
基于过渡点设置最优的dropout参数。可以通过泛化误差上界发生急剧下降变化的点，来找到clean ACC很高，而backdoor ACC很低的过渡点，这个过渡点对应的dropout参数即为最优的dropout参数。

优点&效果

对于不同的攻击比例，泛化误差上界的变化非常相似，即过渡点非常相似，因此这种防御机制可以防御包含不同攻击者比例的后门攻击。
后门攻击成功率几乎为0。
在训练数据被后门投毒的情况下，这种基于稳定性的防御机制也能提高主任务的性能。

不足&局限性

实验设置的参与者数量较少，且参与者的数据是IID的，在有大量用户且数据为非IID分布的联邦学习场景中效果有所下降。

来源

【2021 IEEE】Stability-Based Analysis and Defense against Backdoor Attacks on Edge Computing Services

后门攻击的攻击手段横向对比

攻击手段概述

下表是将攻击手段用到的4种思想进行了简要对比，包括基于标签翻转的后门攻击、基于植入触发器的后门攻击、基于修改训练过程的后门攻击和基于修改训练后模型的后门攻击。
攻击思想攻击对象攻击者模型原理是否可以自适应攻击主要局限性基于标签翻转训练数据黑盒模型对特定类别的标签进行修改，然后训练否只对数据进行投毒，攻击性较弱基于植入触发器训练数据黑盒模型用触发器对样本进行覆盖，然后训练否只对数据进行投毒，攻击性较弱基于修改训练过程局部模型白盒模型修改训练过程中的模型参数或损失函数是需要对防御方的防御方法有一定了解基于修改训练后模型局部模型白盒模型训练后直接修改模型参数是需要对防御方的防御方法有一定了解
如上表所示，本文将针对训练数据的投毒攻击又分为了基于标签翻转的后门攻击和基于植入触发器的后门攻击。针对这一点本文的分类标准是，如果攻击者并未对输入的数据进行修改，而仅对数据的标签进行了修改，则将其归类为基于标签翻转的后门攻击；而如果攻击者同时对输入的数据和标签进行修改，相当于构造对抗样本，则将其归类为基于植入触发器的后门攻击。

如上表所示，本文将针对局部模型的投毒攻击又分为了基于修改训练过程的后门攻击和基于修改训练后模型的后门攻击。针对这一点本文的分类标准是，如果攻击发生在模型的训练过程中，则将其归为基于修改训练过程的后门攻击；如果攻击主要发生在模型正常训练结束之后，则将其归为基于修改训练后模型的后门攻击。

本大节的剩余部分将对每一类思想进行介绍，以及依据近年的文献介绍更加具体的实现方法。

基于标签翻转的后门攻击

概述

攻击者对局部模型训练数据中的某一类数据的标签进行修改，用中毒的数据和干净的数据共同构成训练集，在模型训练过程中实现攻击，从而在目标输入上生成特定的错误输出。（无目标的攻击中也有标签翻转攻击，但其是将任意类的标签进行翻转。而在后门攻击中，标签翻转是仅对某一类标签进行翻转，仅在目标类上降低模型精度。）

不足&局限性

单纯的基于标签翻转的攻击会由于联邦学习的客户端有很多，导致聚合时稀释了后门模型的大部分贡献，全局模型很快就会忘记后门。
由于只对数据进行投毒，与针对模型投毒的手段相比，攻击性较弱。

朴素的基于标签翻转的后门攻击

概述

攻击者将数据集中某一类的所有数据的标签都由

     c
    
    
     
      s
     
     
      r
     
     
      c
     
    
   
  
  
   c_{src}
  
 
csrc改为

 
  
   
    
     c
    
    
     
      t
     
     
      a
     
     
      r
     
     
      g
     
     
      e
     
     
      t
     
    
   
  
  
   c_{target}
  
 
ctarget，将后门数据和良性数据集一起训练出一个恶意模型。如果后门数据再次出现，那么训练好的全局模型将会对它们进行错误分类。

步骤

将数据集中某一类的所有数据的标签都由 c s r c c_{src} csrc改为 c t a r g e t c_{target} ctarget，构造后门数据对 { x t a r g e t , y t a r g e t } {x_{target},y_{target}} {xtarget,ytarget}，将后门数据和良性数据共同构成训练集。
用后门数据训练恶意模型。

但往往为了增强攻击效果，一般会将标签翻转攻击与针对模型的攻击混合使用，比如可以用下面的两个步骤替代上述步骤2。

训练恶意模型参数使得损失函数 L a t t a c k e r = α L c l a s s + ( 1 − α ) L a n o L_{attacker}={\alpha}L_{class}+(1-\alpha)L_{ano} Lattacker=αLclass+(1−α)Lano的值达到最小，使得同时对主任务和后门任务实现高精度而且还具有较高的隐蔽性。
攻击者还可以改变局部模型的学习速率和训练批次的个数，以最大限度地对后门数据进行过拟合。

优点&效果

朴素的基于标签翻转的后门攻击通用性较强，不要求攻击者知道客户端的全局数据分布、DNN模型的结构、损失函数等知识。
攻击方式简单，仅需要对数据标签进行改变，而不需要修改客户端的联邦学习软件等。
在仅有一个客户端进行一次攻击的情况下，这种方法无法成功植入后门。而当攻击者控制多个参与者时，后门攻击成功率较高。

不足&局限性

由于联邦学习的客户端有很多，所以聚合时抵消了后门模型的大部分贡献，全局模型很快就会忘记后门。由于中毒非常缓慢，所以需要有多个攻击者，攻击者需要经常被选择。

来源

【2020 AISTATS】How To Backdoor Federated Learning

【2020 ESORICS】Data Poisoning Attacks Against Federated Learning Systems

基于边界情况的后门攻击（黑盒攻击）

边界样本位于输入数据分布的尾部，它们以低概率出现，并且不太可能是训练或测试数据的一部分，于是可以考虑对边界样本数据进行投毒，从而植入后门。

由于投毒的对象是出现可能性较小的类别，所以边界情况的后门不会对经常出现的类别或比例较大用户产生影响，而是会导致占比较小类别的分类错误。

步骤

构造边界样本数据集。1. 边界数据集指的是 D e d g e = { ( x i , y i ) } D_{edge}={(x_i,y_i)} Dedge={(xi,yi)}，其中 P ( x i ) ≤ p P(x_i){\leq}p P(xi)≤p， y i y_i yi是攻击者选择的目标标签。2. 为了构造边界数据集，首先需要知道数据出现的概率是多少。3. 通过向DNN提供良性样本，收集倒数第二层的输出向量。4. 根据倒数第二层的输出向量拟合一个聚类数等于标签类数高斯混合模型，对手可以利用该模型测量任何给定样本的概率。5. 然后可以依据概率值是否小于 p p p对数据进行过滤，从而得到 D e d g e D_{edge} Dedge。
攻击者不改变局部训练的流程，仅将恶意客户端的训练集变为 D ′ = D ∪ D e d g e D^{'}=D\mathop{\cup}D_{edge} D′=D∪Dedge，目标是最大限度提高局部模型在数据集 D ∪ D e d g e D\mathop{\cup}D_{edge} D∪Dedge上的准确率。

优点&效果

可以攻击基于剪裁和添加噪声的防御方法，且持续时间长。
可以攻击基于剪裁和添加噪声的防御方法，且持续时间长。
可以攻击基于欧氏距离相似性的防御方法以及其他鲁棒性聚合算法，且持续时间长。

不足&局限性

只能对小概率出现的类别进行后门攻击。

来源

【2020 NeurIPS】Attack of the Tails: Yes, You Really Can Backdoor Federated

基于植入触发器的后门攻击

概述

攻击者用触发器对样本进行覆盖，然后进行训练。那么训练好的全局模型将会把具有相同触发器的样本错误分类为攻击者想要的类。

当触发器不存在时，模型的行为是正确的，因此后门是隐蔽的，很难被发现。

不足&局限性

由于只对数据进行投毒，与针对模型投毒的手段相比，攻击性较弱。

关于植入触发器的后门攻击的分类

单触发器后门攻击与协同触发器后门攻击

单触发器后门攻击是只生成一个触发器，发送给攻击者控制的所有恶意客户端。

协同触发器后门攻击是每个恶意客户端的局部触发器都不相同，全局触发器由各独立的局部触发器组成。

随机触发器与模型依赖触发器

随机触发器是独立于学习模型产生的。由于随机触发器与模型训练过程没有关联，所以它在触发后门模型后门的能力较弱。

模型依赖触发器是基于攻击者的局部模型生成的触发器，能最大限度地激活学习模型中的某些神经元，全局模型在聚合后更有可能记住模型依赖触发器。

分布式后门攻击（DBA）与集中式后门攻击（CBA）

分布式后门攻击是指有多个恶意客户端，本地触发器被注入到多个恶意客户端的本地训练数据集中，所有恶意客户端都有相同的后门任务。

集中式后门攻击是指全局触发器被注入到一个客户端的本地训练数据集。

基于植入触发器的分布式协同后门攻击

分布式后门攻击把全局trigger的模式分解为独立的局部trigger，并且相应地嵌入到不同的恶意攻击方的训练集中。虽然在DBA中没有任一攻击方使用全局trigger进行投毒，但其效果比集中式攻击更好。

步骤

首先需要确定触发因素，包括触发器大小、触发器之间的间隔、触发器放置的位置、对恶意模型参数进行放大的比例（即恶意模型为 X X X，而提交的本地模型为 γ ( X − G t ) + G t \gamma(X-G^t)+G^t γ(X−Gt)+Gt）、对数据投毒比例和投毒间隔。
对每一个恶意客户端，其目标为 arg ⁡ max ⁡ w i ∑ j ∈ S p o i P ( L t + 1 ( R ( x j i , ϕ i ∗ ) ) = τ ) + ∑ j ∈ S c l e a n P ( L t + 1 ( x j i ) = y j i ) \mathop{\arg\max}\limits_{w_i}\sum_{j\in{S_{poi}}}P(L_{t+1}(R(x_j^i,\phi_i^*))=\tau)+\sum_{j\in{S_{clean}}}P(L_{t+1}(x_j^i)=y_j^i) wiargmax∑j∈SpoiP(Lt+1(R(xji,ϕi∗))=τ)+∑j∈ScleanP(Lt+1(xji)=yji)，其中 R R R函数用于将干净的数据植入触发器从而将其转换成后门数据， ϕ i ∗ \phi_i^* ϕi∗是全局触发器在每个局部任务上的分解， τ \tau τ是目标标签。
使用交叉熵作为具体的损失函数，对模型参数进行训练。

优点&效果

与中心化后门攻击相比（即在所有恶意客户端都嵌入一个相同的全局触发器），分布式后门攻击更加隐蔽（比如在DBA中，攻击者模型更新和最终几何中值之间的欧几里德范数更小），攻击的成功率也更高，收敛速度也更快。

不足&局限性

触发器无法根据局部模型的变化进行自适应的调整。

来源

【2020 ICLR】DBA: Distributed Backdoor Attacks against Federated Learning

基于植入模型依赖触发器的分布式协同后门攻击

与随机触发器相比，模型依赖触发器是基于攻击者的局部模型生成的触发器，能最大限度地激活学习模型中的某些神经元，全局模型在聚合后更有可能记住模型依赖触发器。全局触发器由各种独立的局部触发器组成，并利用多个恶意客户端之间的协作来加强攻击效果。

步骤

首先经过实验确定触发器的结构，包括形状、大小和位置。
当模型接近收敛时，每个恶意用户端构建触发器掩模 M M M。 M M M是一个布尔值矩阵，与模型的输入具有相同的维数。对于输入数据，掩模 M M M将触发器区域初始化为随机值，其他部分初始化为0。触发器生成过程相当于寻找掩模的最优值赋值的过程。
将标签是目标标签的大量数据样本输入到模型中，在神经网络中选择一层，并记录所选层中每个神经元的激活数量，最终选择激活次数和到下一层的权重值总和最大的神经元。
对于选定的神经元，定义一个损失函数，为当前神经元的值与其目标值之间的均方误差，并使用梯度下降法使得损失函数最小化，其中目标值为所选层中神经元的最大值。
在最后一轮迭代之后，从掩模中提取触发器。
生成局部触发器后，恶意客户端对局部训练数据进行投毒。
恶意客户端使用有毒的数据集将接收到的全局模型从选定层重新训练到输出层，获得后门局部模型。
为了增强攻击能力，恶意客户端需要在向服务器提交本轮更新之前，放大恶意更新参数。其中放大因子的选择需要在主任务准确率与攻击成功率之间进行权衡。
上述过程投毒过程将重复多次，直到全局模型收敛。
最后，恶意客户端可以使用他们的本地触发器或由本地触发器组成的全局触发器来触发嵌入在全局模型中的后门。

优点&效果

这种方法在攻击成功率和触发器留存时间方面优于随机触发器的协同后门攻击、随机单触发器的后门攻击和模型依赖的单触发器的后门攻击。

来源

【2022 IEEE】Coordinated Backdoor Attacks against Federated Learning with Model-Dependent Triggers

基于修改训练过程的后门攻击

概述

攻击者修改训练算法，或修改训练过程中的模型参数，实现攻击，从而在目标输入上生成特定的错误输出。与仅对数据进行投毒的后门攻击相比，具有更强的隐蔽性。

不足&局限性

需要对防御方的防御方法有一定了解。

基于边界情况的PGD攻击

步骤

构造边界样本数据集。1. 边界数据集指的是 D e d g e = { ( x i , y i ) } D_{edge}={(x_i,y_i)} Dedge={(xi,yi)}，其中 P ( x i ) ≤ p P(x_i){\leq}p P(xi)≤p， y i y_i yi是攻击者选择的目标标签。2. 为了构造边界数据集，首先需要知道数据出现的概率是多少。3. 通过向DNN提供良性样本，收集倒数第二层的输出向量。4. 根据倒数第二层的输出向量拟合一个聚类数等于标签类数高斯混合模型，对手可以利用该模型测量任何给定样本的概率。5. 然后可以依据概率值是否小于 p p p对数据进行过滤，从而得到 D e d g e D_{edge} Dedge。
恶意客户端的训练集为 D ′ = D ∪ D e d g e D^{'}=D\mathop{\cup}D_{edge} D′=D∪Dedge，考虑到如果只是多次运行SGD算法，则得到的局部模型会发生较大偏移，因此可能会被基于剪裁的防御机制防御。所以使用PGD算法，周期性地将模型参数投影到以上一来轮全局模型为中心、半径为 δ \delta δ的球上。最终得到恶意模型 X X X。

优点&效果

可以攻击基于剪裁和添加噪声的防御方法，且持续时间长。
可以攻击基于剪裁和添加噪声的防御方法，且持续时间长。
可以攻击基于欧氏距离相似性的防御方法以及其他鲁棒性聚合算法，且持续时间长。

不足&局限性

只能对小概率出现的类别进行后门攻击。

来源

【2020 NeurIPS】Attack of the Tails: Yes, You Really Can Backdoor Federated

基于将对防御的规避纳入损失函数的后门攻击

恶意攻击者为了达到隐蔽性，需要使中毒模型尽可能与良性模型难以区分。比如，可以使中毒模型与良性模型之间的距离（如欧几里德距离）小于服务器异常检测区分能力的阈值

    η
   
  
  
   \eta
  
 
η，攻击者可以通过将本地恶意模型与全局模型或基于良性数据训练的本地模型进行比较来估计此距离。


 
  
   
    
     L
    
    
     
      a
     
     
      t
     
     
      t
     
     
      a
     
     
      c
     
     
      k
     
     
      e
     
     
      r
     
    
   
   
    =
   
   
    α
   
   
    
     L
    
    
     
      c
     
     
      l
     
     
      a
     
     
      s
     
     
      s
     
    
   
   
    +
   
   
    (
   
   
    1
   
   
    −
   
   
    α
   
   
    )
   
   
    
     L
    
    
     
      a
     
     
      n
     
     
      o
     
    
   
  
  
   L_{attacker}={\alpha}L_{class}+(1-\alpha)L_{ano}
  
 
Lattacker=αLclass+(1−α)Lano

其中，

     L
    
    
     
      c
     
     
      l
     
     
      a
     
     
      s
     
     
      s
     
    
   
  
  
   L_{class}
  
 
Lclass为训练数据的经验损失项，

 
  
   
    
     L
    
    
     
      a
     
     
      n
     
     
      o
     
    
   
  
  
   L_{ano}
  
 
Lano为本地恶意模型与良性模型的偏差，超参数

 
  
   
    α
   
  
  
   \alpha
  
 
α控制攻击隐蔽性和攻击有效性之间的权衡。

这种方法并不是一种独立的方法，需要与其他方法结合使用。

基于修改训练后模型的后门攻击

概述

攻击者直接修改模型参数（比如，缩放操作），实现攻击，从而在目标输入上生成特定的错误输出。

直接修改模型参数对模型进行替换的攻击能力强于仅对数据进行投毒的后门攻击。

不足&局限性

对参数进行的操作需要在隐蔽性与后门攻击成功率之间权衡，如果对防御方的防御方法不够了解，仅对参数进行放大等操作则很可能被防御方检测出来。

基于放大模型参数的模型替换攻击

将后门模型

    X
   
  
  
   X
  
 
X的权重按比例增大

 
  
   
    γ
   
   
    =
   
   
    
     n
    
    
     η
    
   
  
  
   \gamma=\frac{n}{\eta}
  
 
γ=ηn，以确保后门模型能在经过联邦平均等聚合方法之后继续保持影响，甚至直接用

 
  
   
    X
   
  
  
   X
  
 
X将全局模型取代。

步骤

用当前的全局模型 G t G^t Gt初始化攻击模型 X X X，初始化损失函数 l = α L c l a s s + ( 1 − α ) L a n o l={\alpha}L_{class}+(1-\alpha)L_{ano} l=αLclass+(1−α)Lano
用投毒的数据替换一部分干净数据。
迭代训练出攻击模型 X X X。
放大模型参数，将 n η ( X − G t ) + G t \frac{n}{\eta}(X-G^t)+G^t ηn(X−Gt)+Gt作为局部模型发送给服务器。

优点&效果

这种方法是首个针对模型投毒的联邦学习后门攻击。
可以攻击基于异常检测的防御方法。在安全聚合协议中，服务器无法对客户端提交的模型进行异常检测。
可以攻击基于差分隐私的防御方法。如果攻击者可以控制多个客户端，那么可以将每个客户端的放缩因子变得比较小，从而使其不会超过被服务器剪裁的阈值。
如果放缩因子设置的比较大，攻击者只需在一轮中投毒，即可将后门嵌入全局模型。

不足&局限性

攻击者需要大致知道全局模型的状态，在模型接近收敛时进行替换。
攻击者需要对系统参数（如用户数量、数据集大小等）几乎完全了解。

来源

【2020 AISTATS】How To Backdoor Federated Learning

基于边界情况的模型替换攻击

步骤

构造边界样本数据集。1. 边界数据集指的是 D e d g e = { ( x i , y i ) } D_{edge}={(x_i,y_i)} Dedge={(xi,yi)}，其中 P ( x i ) ≤ p P(x_i){\leq}p P(xi)≤p， y i y_i yi是攻击者选择的目标标签。2. 为了构造边界数据集，首先需要知道数据出现的概率是多少。3. 通过向DNN提供良性样本，收集倒数第二层的输出向量。4. 根据倒数第二层的输出向量拟合一个聚类数等于标签类数高斯混合模型，对手可以利用该模型测量任何给定样本的概率。5. 然后可以依据概率值是否小于 p p p对数据进行过滤，从而得到 D e d g e D_{edge} Dedge。
恶意客户端的训练集为 D ′ = D ∪ D e d g e D^{'}=D\mathop{\cup}D_{edge} D′=D∪Dedge，考虑到如果只是多次运行SGD算法，则得到的局部模型会发生较大偏移，因此可能会被基于剪裁的防御机制防御。所以考虑使用PGD算法，周期性地将模型参数投影到以上一来轮全局模型为中心、半径为 δ \delta δ的球上。最终得到恶意模型 X X X。
放大模型参数，将 n η ( X − G t ) + G t \frac{n}{\eta}(X-G^t)+G^t ηn(X−Gt)+Gt作为局部模型发送给服务器。

优点&效果

可以攻击基于剪裁和添加噪声的防御方法，且持续时间长。
可以攻击基于剪裁和添加噪声的防御方法，且持续时间长。
可以攻击基于欧氏距离相似性的防御方法以及其他鲁棒性聚合算法，且持续时间长。

不足&局限性

只能对小概率出现的类别进行后门攻击。

来源

【2020 NeurIPS】Attack of the Tails: Yes, You Really Can Backdoor Federated

纵向联邦学习中的后门攻击

纵向联邦学习后门攻击问题定义

攻击方

攻击者情况

攻击者能够控制一个或多个被动方。

当攻击者为主动方时，由于主动方有数据的标签，所以可以直接修改投毒数据集的标签，从而很容易地进行后门攻击。

所以一般只考虑被动方是攻击者，主动方进行防御的情况。

攻击者能力

攻击者能够完全控制一个或多个参与者，这些参与者要么是联邦学习系统本身的恶意客户端，要么是训练过程被攻击者破坏的良性客户端转变成的恶意客户端，这些恶意客户端可以合谋。
攻击者可以访问其控制的各客户端的特征空间，可以控制其设备上的代码、本地训练数据集、超参数和本地模型。
攻击者可以任意操作发送到主动方的本地更新，如在将本地更新提交给主动方之前修改其参数。
但是，攻击者不能控制主动方，也无法访问标签，也不具备篡改其他良性客户端的训练过程和参数更新的能力。

攻击者攻击目标

隐蔽性：恶意攻击者需要确保全局模型参数不会与良性模型偏离太多，保持模型在主任务（干净数据）上的良好性能。
攻击成功：降低全局模型在目标任务上的性能，确保带有预定义触发器的输入都有很高的概率被预测为目标类别。

防御方

一般将主动方作为防御方。

主动方能力

良性客户端可以控制其本地训练数据和训练过程。
主动方无法访问其他本地客户端的训练数据或训练过程。

纵向联邦学习后门攻击的攻击方法

基于从中间梯度信息推理样本标签的攻击方法

当被动方不知道任何标签信息时，在某些情况下，可以从中间梯度

      ∂
     
     
      L
     
    
    
     
      ∂
     
     
      
       H
      
      
       i
      
     
    
   
  
  
   \frac{{\partial}L}{{\partial}H_i}
  
 
∂Hi∂L 获得样本的标签信息。

步骤

当损失函数是交叉熵函数，并使用了softmax函数时，由于交叉熵函数对某一神经元输出进行求导的结果，即中间梯度为 ∂ L ∂ H i = S i − y i \frac{{\partial}L}{{\partial}H_i}=S_i-y_i ∂Hi∂L=Si−yi，其中 S i S_i Si是softmax的函数值，位于0到1之间， y i y_i yi是0或1。因此，中间梯度 ∂ L ∂ H i \frac{{\partial}L}{{\partial}H_i} ∂Hi∂L中和其他分量符号相反的分量即为真正的标签。
要注入攻击，被动方只需将真正标签对应的分量+1，将目标标签对应的分量-1。

优点&效果

被动方可以在不知道标签的情况下执行后门任务。

不足&局限性

对主动方的训练模型和训练算法有过强的假设，这在实际中不一定能满足。

来源

【2020 ICML】Backdoor Attacks and Defenses in Feature-partitioned Collaborative Learning

基于梯度替换的攻击方法

假设攻击者至少知道一个样本的标签信息，且它与后门任务的目标标签具有相同的标签。攻击者用已知样本的梯度信息去替换要投毒样本的梯度信息，使之被分为攻击者指定的目标类别。

步骤

将攻击者已知的样本标签记为 D t a r g e t D_{target} Dtarget，当攻击者在收到的该样本的中间梯度时，将其记录为 g r e c g_{rec} grec。
之后当训练投毒样本时，将其中间梯度设置为 g r e c g_{rec} grec，然后乘上放大因子 γ \gamma γ，即用 γ g r e c {\gamma}g_{rec} γgrec去更新模型参数。

优点&效果

可以在不推理恢复未知数据标签的情况下进行后门攻击。

不足&局限性

需要攻击者至少知道一个样本的标签信息，且它与后门任务的目标标签具有相同的标签。

来源

【2020 ICML】Backdoor Attacks and Defenses in Feature-partitioned Collaborative Learning

纵向联邦学习后门攻击的防御方法

基于向主动方添加可训练层的防御方法

在主动方引入额外的防御训练层，比如可以在输出层之前加上一个具有32个节点的密集层。

优点&效果

可以减少标签信息的泄露，提高模型性能。

来源

【2020 ICML】Backdoor Attacks and Defenses in Feature-partitioned Collaborative Learning

基于差分隐私的防御方法

先剪裁恶意放大的梯度，然后再加入噪声。

优点&效果

在交换的消息中添加噪声的方法比剪裁的方法更加有效。

来源

【2020 ICML】Backdoor Attacks and Defenses in Feature-partitioned Collaborative Learning

基于梯度稀疏化的防御方法

将每次迭代中的下降率作为阈值，将阈值以内的小幅度的梯度直接剪裁为0。

优点&效果

梯度稀疏化可以在不影响主任务性能的情况下进一步增强防御的有效性。

来源

【2020 ICML】Backdoor Attacks and Defenses in Feature-partitioned Collaborative Learning

标签：机器学习人工智能安全

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