什么是联邦学习？
简单来说就是在一个多方的环境中，数据集是零散的（在各个不同的客户端中），那么怎样实现机器学习算法呢？
首先想到的就是将多个数据集合并合并起来，然后统一的使用传统的机器学习或者深度学习算法进行计算，但是如果有一方因为数据隐私问题不愿意提交自己的数据呢？
那么就出现了联邦学习，核心就是“数据不动模型动，数据可用不可见”
多个客户端不提交数据而是提交训练时的参数/梯度给中心服务器，中心服务器进行计算后再将参数/梯度返回多个客户端再学习的过程
整个过程数据的所有权依然在用户手中，这就是联邦学习
当然数据隐私方面，联邦学习还将结合同态加密、安全多方计算、查分隐私等隐私计算技术实现更安全的保障
（ps：这里只是简单的介绍，详细的内容请多查阅其他资料）
基本概念入门学习见：《Federated_Machine_Learning:Concept_and_Applications》精读
一、环境准备
实验基于机器学习库PyTorch, 所以需要一些基础的PyTorch使用
（ps：不会也没事，下面代码有详细的注释，因为我也刚刚入门 😃 ）
- anaconda、python3.7、PyTorch
pip install torch - GPU安装
CUDA、cuDNN
二、横向联邦图像分类
基本信息
数据集：CIFAR10
模型：ResNet-18
环境角色:
- 中心服务器
- 多个客户端
为了简化，这里服务器客户端都是在单机上模拟，后面使用FATE会在真实多台机器上实现
基本的流程：
- 服务器按配置生成初始化模型，客户端按照顺序将数据集横向不重叠切割
- 服务器将全局模型发送给客户端
- 客户端接收全局模型（来自服务器）通过本地多次迭代计算本地参数差值返回给服务器
- 服务器聚合各个客户端差值更新模型，再评估当前模型性能
- 如果性能未达标，则重复2过程，否则结束
2.1 配置文件
配置文件包含了整个项目的模型、数据集、epoch等核心训练参数
需要注意的是，一般来说配置文件需要在所有的客户端与服务端之间同步一致
创建一个配置文件:
项目文件夹下./utils/conf.json创建配置文件:
{
"model_name" : "resnet18",
"no_models" : 10,
"type" : "cifar",
"global_epochs" : 20,
"local_epochs" : 3,
"k" : 6,
"batch_size" : 32,
"lr" : 0.001,
"momentum" : 0.0001,
"lambda" : 0.1
}
- model_name：模型名称
- no_models：客户端总数量
- type：数据集信息
- global_epochs：全局迭代次数，即服务端与客户端的通信迭代次数
- local_epochs：本地模型训练迭代次数
- k：每一轮迭代时，服务端会从所有客户端中挑选k个客户端参与训练。
- batch_size：本地训练每一轮的样本数
- lr，momentum，lambda：本地训练的超参数设置
2.1 构建训练数据集
构建数据集代码如下:
datasets.py
import torchvision as tv
# 获取数据集
def get_dataset(dir, name):
if name == 'mnist':
# root: 数据路径
# train参数表示是否是训练集或者测试集
# download=true表示从互联网上下载数据集并把数据集放在root路径中
# transform：图像类型的转换
train_dataset = tv.datasets.MNIST(dir, train=True, download=True, transform=tv.transforms.ToTensor())
eval_dataset = tv.datasets.MNIST(dir, train=False, transform=tv.transforms.ToTensor())
elif name == 'cifar':
# 设置两个转换格式
# transforms.Compose 是将多个transform组合起来使用（由transform构成的列表）
transform_train = tv.transforms.Compose([
# transforms.RandomCrop： 切割中心点的位置随机选取
tv.transforms.RandomCrop(32, padding=4), tv.transforms.RandomHorizontalFlip(),
tv.transforms.ToTensor(),
# transforms.Normalize： 给定均值：(R,G,B) 方差：（R，G，B），将会把Tensor正则化
tv.transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010)),
])
transform_test = tv.transforms.Compose([
tv.transforms.ToTensor(),
tv.transforms.Normalize((0.4914, 0.4822, 0.4465), (0.2023, 0.1994, 0.2010)),
])
train_dataset = tv.datasets.CIFAR10(dir, train=True, download=True, transform=transform_train)
eval_dataset = tv.datasets.CIFAR10(dir, train=False, transform=transform_test)
return train_dataset, eval_dataset
2.2 服务端
服务端的主要功能是模型的聚合、评估，最终的模型也是在服务器上生成
首先创建一个服务类
所有的程序放在server.py
构造函数
定义其构造函数：
# 定义构造函数
def __init__(self, conf, eval_dataset):
# 导入配置文件
self.conf = conf
# 根据配置获取模型文件
self.global_model = models.get_model(self.conf["model_name"])
# 生成一个测试集合加载器
self.eval_loader = torch.utils.data.DataLoader(
eval_dataset,
# 设置单个批次大小32
batch_size=self.conf["batch_size"],
# 打乱数据集
shuffle=True
)
聚合函数
定义全局联邦平均FedAvg聚合函数：
FedAvg算法的公式如下：
表示第t轮更新的全局模型参数， 表示第i个客户端在第t+1轮本地更新后的模型
在模型聚合时，weight_accumulator就是weight_accumulator的计算会在后面详细介绍其实现
# 全局聚合模型
# weight_accumulator 存储了每一个客户端的上传参数变化值/差值
def model_aggregate(self, weight_accumulator):
# 遍历服务器的全局模型
for name, data in self.global_model.state_dict().items():
# 更新每一层乘上学习率
update_per_layer = weight_accumulator[name] * self.conf["lambda"]
# 累加和
if data.type() != update_per_layer.type():
# 因为update_per_layer的type是floatTensor，所以将起转换为模型的LongTensor（有一定的精度损失）
data.add_(update_per_layer.to(torch.int64))
else:
data.add_(update_per_layer)
评估函数
定义模型评估函数
评估函数主要是不断的评估当前模型的性能，判断是否可以提前终止迭代或者是出现了发散退化等现象
# 评估函数
def model_eval(self):
self.global_model.eval() # 开启模型评估模式（不修改参数）
total_loss = 0.0
correct = 0
dataset_size = 0
# 遍历评估数据集合
for batch_id, batch in enumerate(self.eval_loader):
data, target = batch
# 获取所有的样本总量大小
dataset_size += data.size()[0]
# 存储到gpu
if torch.cuda.is_available():
data = data.cuda()
target = target.cuda()
# 加载到模型中训练
output = self.global_model(data)
# 聚合所有的损失 cross_entropy交叉熵函数计算损失
total_loss += torch.nn.functional.cross_entropy(
output,
target,
reduction='sum'
).item()
# 获取最大的对数概率的索引值， 即在所有预测结果中选择可能性最大的作为最终的分类结果
pred = output.data.max(1)[1]
# 统计预测结果与真实标签target的匹配总个数
correct += pred.eq(target.data.view_as(pred)).cpu().sum().item()
acc = 100.0 * (float(correct) / float(dataset_size)) # 计算准确率
total_1 = total_loss / dataset_size # 计算损失值
return acc, total_1
2.3 客户端
客户端的主要功能是：
- 接受服务器下发的指令和全局模型
- 利用本地数据进行局部模型训练
此部分所有程序都在client.py中
构造函数
定义client类
# 构造函数
def __init__(self, conf, model, train_dataset, id = 1):
# 配置文件
self.conf = conf
# 客户端本地模型(一般由服务器传输)
self.local_model = model
# 客户端ID
self.client_id = id
# 客户端本地数据集
self.train_dataset = train_dataset
# 按ID对训练集合的拆分
all_range = list(range(len(self.train_dataset)))
data_len = int(len(self.train_dataset) / self.conf['no_models'])
indices = all_range[id * data_len: (id + 1) * data_len]
# 生成一个数据加载器
self.train_loader = torch.utils.data.DataLoader(
# 制定父集合
self.train_dataset,
# batch_size每个batch加载多少个样本(默认: 1)
batch_size=conf["batch_size"],
# 指定子集合
# sampler定义从数据集中提取样本的策略
sampler=torch.utils.data.sampler.SubsetRandomSampler(indices)
)
本案例中根据ID将数据集进行横向切分，每个客户端之间没有交集
本地训练
本地模型训练函数：采用交叉熵作为本地训练的损失函数，并使用梯度下降来求解参数
# 模型本地训练函数
def local_train(self, model):
# 整体的过程：拉取服务器的模型，通过部分本地数据集训练得到
for name, param in model.state_dict().items():
# 客户端首先用服务器端下发的全局模型覆盖本地模型
self.local_model.state_dict()[name].copy_(param.clone())
# 定义最优化函数器用于本地模型训练
optimizer = torch.optim.SGD(self.local_model.parameters(), lr=self.conf['lr'], momentum=self.conf['momentum'])
# 本地训练模型
self.local_model.train() # 设置开启模型训练（可以更改参数）
# 开始训练模型
for e in range(self.conf["local_epochs"]):
for batch_id, batch in enumerate(self.train_loader):
data, target = batch
# 加载到gpu
if torch.cuda.is_available():
data = data.cuda()
target = target.cuda()
# 梯度
optimizer.zero_grad()
# 训练预测
output = self.local_model(data)
# 计算损失函数 cross_entropy交叉熵误差
loss = torch.nn.functional.cross_entropy(output, target)
# 反向传播
loss.backward()
# 更新参数
optimizer.step()
print("Epoch %d done" % e)
# 创建差值字典（结构与模型参数同规格），用于记录差值
diff = dict()
for name, data in self.local_model.state_dict().items():
# 计算训练后与训练前的差值
diff[name] = (data - model.state_dict()[name])
print("Client %d local train done" % self.client_id)
# 客户端返回差值
return diff
2.4 整合
所有程序代码在main.py中
import argparse
import json
import random
import datasets
from client import *
from server import *
if __name__ == '__main__':
# 设置命令行程序
parser = argparse.ArgumentParser(description='Federated Learning')
parser.add_argument('-c', '--conf', dest='conf')
# 获取所有的参数
args = parser.parse_args()
# 读取配置文件
with open(args.conf, 'r') as f:
conf = json.load(f)
# 获取数据集, 加载描述信息
train_datasets, eval_datasets = datasets.get_dataset("./data/", conf["type"])
# 开启服务器
server = Server(conf, eval_datasets)
# 客户端列表
clients = []
# 添加10个客户端到列表
for c in range(conf["no_models"]):
clients.append(Client(conf, server.global_model, train_datasets, c))
print("\n\n")
# 全局模型训练
for e in range(conf["global_epochs"]):
print("Global Epoch %d" % e)
# 每次训练都是从clients列表中随机采样k个进行本轮训练
candidates = random.sample(clients, conf["k"])
print("select clients is: ")
for c in candidates:
print(c.client_id)
# 权重累计
weight_accumulator = {}
# 初始化空模型参数weight_accumulator
for name, params in server.global_model.state_dict().items():
# 生成一个和参数矩阵大小相同的0矩阵
weight_accumulator[name] = torch.zeros_like(params)
# 遍历客户端，每个客户端本地训练模型
for c in candidates:
diff = c.local_train(server.global_model)
# 根据客户端的参数差值字典更新总体权重
for name, params in server.global_model.state_dict().items():
weight_accumulator[name].add_(diff[name])
# 模型参数聚合
server.model_aggregate(weight_accumulator)
# 模型评估
acc, loss = server.model_eval()
print("Epoch %d, acc: %f, loss: %f\n" % (e, acc, loss))
2.5 测试
按照以上配置，(本人)运行后的准确度以及损失为：
官方的对比：
联邦学习与中心化训练的效果对比
- 联邦训练配置：一共10台客户端设备（no_models=10），每一轮任意挑选其中的5台参与训练（k=5）， 每一次本地训练迭代次数为3次（local_epochs=3），全局迭代次数为20次（global_epochs=20）。
- 集中式训练配置：我们不需要单独编写集中式训练代码，只需要修改联邦学习配置既可使其等价于集中式训练。具体来说，我们将客户端设备no_models和每一轮挑选的参与训练设备数k都设为1即可。这样只有1台设备参与的联邦训练等价于集中式训练。其余参数配置信息与联邦学习训练一致。图中我们将局部迭代次数分别设置了1，2，3来进行比较。
联邦学习在模型推断上的效果对比
图中的单点训练只的是在某一个客户端下，利用本地的数据进行模型训练的结果。
- 我们看到单点训练的模型效果（蓝色条）明显要低于联邦训练 的效果（绿色条和红色条），这也说明了仅仅通过单个客户端的数据，不能够 很好的学习到数据的全局分布特性，模型的泛化能力较差。
- 此外，对于每一轮 参与联邦训练的客户端数目（k 值）不同，其性能也会有一定的差别，k 值越大，每一轮参与训练的客户端数目越多，其性能也会越好，但每一轮的完成时间也会相对较长。
学习资料来自于：
https://github.com/FederatedAI/Practicing-Federated-Learning/tree/main/chapter03_Python_image_classification
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