Federated Learning (FL) has been widely accepted as the solution for privacy-preserving machine learning without collecting raw data. While new technologies proposed in the past few years do evolve the FL area, unfortunately, the evaluation results presented in these works fall short in integrity and are hardly comparable because of the inconsistent evaluation metrics and experimental settings. In this paper, we propose a holistic evaluation framework for FL called FedEval, and present a benchmarking study on seven state-of-the-art FL algorithms. Specifically, we first introduce the core evaluation taxonomy model, called FedEval-Core, which covers four essential evaluation aspects for FL: Privacy, Robustness, Effectiveness, and Efficiency, with various well-defined metrics and experimental settings. Based on the FedEval-Core, we further develop an FL evaluation platform with standardized evaluation settings and easy-to-use interfaces. We then provide an in-depth benchmarking study between the seven well-known FL algorithms, including FedSGD, FedAvg, FedProx, FedOpt, FedSTC, SecAgg, and HEAgg. We comprehensively analyze the advantages and disadvantages of these algorithms and further identify the suitable practical scenarios for different algorithms, which is rarely done by prior work. Lastly, we excavate a set of take-away insights and future research directions, which are very helpful for researchers in the FL area.

联邦学习一直是一个热门的研究主题，使不同组织的机器学习模型的协作培训在隐私限制下。随着研究人员试图支持更多具有不同隐私方法的机器学习模型，需要开发系统和基础设施，以便于开发各种联合学习算法。类似于Pytorch和Tensorflow等深度学习系统，可以增强深度学习的发展，联邦学习系统（FLSS）是等效的，并且面临各个方面的面临挑战，如有效性，效率和隐私。在本调查中，我们对联合学习系统进行了全面的审查。为实现流畅的流动和引导未来的研究，我们介绍了联合学习系统的定义并分析了系统组件。此外，我们根据六种不同方面提供联合学习系统的全面分类，包括数据分布，机器学习模型，隐私机制，通信架构，联合集市和联合的动机。分类可以帮助设计联合学习系统，如我们的案例研究所示。通过系统地总结现有联合学习系统，我们展示了设计因素，案例研究和未来的研究机会。

本文提出并表征了联合学习（OARF）的开放应用程序存储库，是联合机器学习系统的基准套件。以前可用的联合学习基准主要集中在合成数据集上，并使用有限数量的应用程序。 OARF模仿更现实的应用方案，具有公开的数据集，如图像，文本和结构数据中的不同数据孤岛。我们的表征表明，基准套件在数据大小，分布，特征分布和学习任务复杂性中多样化。与参考实施的广泛评估显示了联合学习系统的重要方面的未来研究机会。我们开发了参考实现，并评估了联合学习的重要方面，包括模型准确性，通信成本，吞吐量和收敛时间。通过这些评估，我们发现了一些有趣的发现，例如联合学习可以有效地提高端到端吞吐量。

联合学习（FL）和分裂学习（SL）是两种新兴的协作学习方法，可能会极大地促进物联网（IoT）中无处不在的智能。联合学习使机器学习（ML）模型在本地培训的模型使用私人数据汇总为全球模型。分裂学习使ML模型的不同部分可以在学习框架中对不同工人进行协作培训。联合学习和分裂学习，每个学习都有独特的优势和各自的局限性，可能会相互补充，在物联网中无处不在的智能。因此，联合学习和分裂学习的结合最近成为一个活跃的研究领域，引起了广泛的兴趣。在本文中，我们回顾了联合学习和拆分学习方面的最新发展，并介绍了有关最先进技术的调查，该技术用于将这两种学习方法组合在基于边缘计算的物联网环境中。我们还确定了一些开放问题，并讨论了该领域未来研究的可能方向，希望进一步引起研究界对这个新兴领域的兴趣。

联合学习（FL）作为边缘设备的有希望的技术，以协作学习共享预测模型，同时保持其训练数据，从而解耦了从需要存储云中的数据的机器学习的能力。然而，在规模和系统异质性方面，FL难以现实地实现。虽然有许多用于模拟FL算法的研究框架，但它们不支持在异构边缘设备上进行可扩展的流程。在本文中，我们呈现花 - 一种全面的FL框架，通过提供新的设施来执行大规模的FL实验并考虑丰富的异构流程来区分现有平台。我们的实验表明花卉可以仅使用一对高端GPU在客户尺寸下进行FL实验。然后，研究人员可以将实验无缝地迁移到真实设备中以检查设计空间的其他部分。我们认为花卉为社区提供了一个批判性的新工具，用于研究和发展。

Federated learning has recently been applied to recommendation systems to protect user privacy. In federated learning settings, recommendation systems can train recommendation models only collecting the intermediate parameters instead of the real user data, which greatly enhances the user privacy. Beside, federated recommendation systems enable to collaborate with other data platforms to improve recommended model performance while meeting the regulation and privacy constraints. However, federated recommendation systems faces many new challenges such as privacy, security, heterogeneity and communication costs. While significant research has been conducted in these areas, gaps in the surveying literature still exist. In this survey, we-(1) summarize some common privacy mechanisms used in federated recommendation systems and discuss the advantages and limitations of each mechanism; (2) review some robust aggregation strategies and several novel attacks against security; (3) summarize some approaches to address heterogeneity and communication costs problems; (4)introduce some open source platforms that can be used to build federated recommendation systems; (5) present some prospective research directions in the future. This survey can guide researchers and practitioners understand the research progress in these areas.

In recent years, mobile devices are equipped with increasingly advanced sensing and computing capabilities. Coupled with advancements in Deep Learning (DL), this opens up countless possibilities for meaningful applications, e.g., for medical purposes and in vehicular networks. Traditional cloudbased Machine Learning (ML) approaches require the data to be centralized in a cloud server or data center. However, this results in critical issues related to unacceptable latency and communication inefficiency. To this end, Mobile Edge Computing (MEC) has been proposed to bring intelligence closer to the edge, where data is produced. However, conventional enabling technologies for ML at mobile edge networks still require personal data to be shared with external parties, e.g., edge servers. Recently, in light of increasingly stringent data privacy legislations and growing privacy concerns, the concept of Federated Learning (FL) has been introduced. In FL, end devices use their local data to train an ML model required by the server. The end devices then send the model updates rather than raw data to the server for aggregation. FL can serve as an enabling technology in mobile edge networks since it enables the collaborative training of an ML model and also enables DL for mobile edge network optimization. However, in a large-scale and complex mobile edge network, heterogeneous devices with varying constraints are involved. This raises challenges of communication costs, resource allocation, and privacy and security in the implementation of FL at scale. In this survey, we begin with an introduction to the background and fundamentals of FL. Then, we highlight the aforementioned challenges of FL implementation and review existing solutions. Furthermore, we present the applications of FL for mobile edge network optimization. Finally, we discuss the important challenges and future research directions in FL.

通常利用机器学习方法并有效地将智能电表读数从家庭级别分解为设备级消耗，可以帮助分析用户的电力消耗行为并启用实用智能能源和智能网格申请。最近的研究提出了许多基于联邦深度学习（FL）的新型NILM框架。但是，缺乏综合研究，探讨了不同基于FL的NILM应用程序方案中的实用性优化方案和隐私保护方案。在本文中，我们首次尝试通过开发分布式和隐私的尼尔姆（DP2-NILM）框架来进行基于FL的NILM，重点关注实用程序优化和隐私保护，并在实用的NILM场景上进行比较实验基于现实世界的智能电表数据集。具体而言，在实用程序优化方案（即FedAvg和FedProx）中检查了两种替代联合学习策略。此外，DP2-NILM提供了不同级别的隐私保证，即联合学习的当地差异隐私学习和联合的全球差异隐私学习。在三个现实世界数据集上进行了广泛的比较实验，以评估所提出的框架。

尽管现有联合学习平台（FL）平台已取得了显着的进展，以提供开发基础架构，但这些平台可能无法很好地应对各种异质性带来的挑战，包括参与者本地数据，资源，行为和学习目标中的异质性。为了填补这一空白，在本文中，我们提出了一个名为FederatedScope的新型FL平台，该平台采用事件驱动的架构为用户提供极大的灵活性，以独立描述不同参与者的行为。这样的设计使用户可以轻松地描述参与者具有各种本地培训过程，学习目标和后端，并通过同步或异步培训策略将其协调为FL课程。 FederatedScope为易于使用和灵活的平台提供了丰富类型的插入操作和组件，以有效地进行进一步开发，并且我们实施了几个重要组件，以更好地帮助用户进行隐私保护，攻击模拟和自动调整。我们已经在https://github.com/alibaba/federatedscope上发布了FederatedScope，以在各种情况下促进联邦学习的学术研究和工业部署。

传统的深度学习方法（DL）需要在中央服务器上收集和处理的培训数据，这些中央服务器通常在保健等隐私敏感域中挑战。为此，提出了一种新的学习范式，称为联合学习（FL），在解决隐私和数据所有权问题的同时将DL的潜力带到了这些域。 FL使远程客户端能够在保持数据本地时学习共享ML模型。然而，传统的FL系统面临多种挑战，例如可扩展性，复杂的基础设施管理，并且由于空闲客户端而被浪费的计算和产生的成本。 FL系统的这些挑战与无服务器计算和功能 - AS-Service（FAAS）平台旨在解决的核心问题密切对齐。这些包括快速可扩展性，无基础设施管理，自动缩放为空闲客户端，以及每次使用付费计费模型。为此，我们为无服务器FL展示了一个新颖的系统和框架，称为不发烟。我们的系统支持多个商业和自主主机的FAAS提供商，可以在机构数据中心和边缘设备上部署在云端，内部部署。据我们所知，我们是第一个能够在一大面料的异构FAAS提供商中启用FL，同时提供安全性和差异隐私等重要功能。我们展示了全面的实验，即使用我们的系统可以成功地培训多达200个客户功能的不同任务，更容易实现。此外，我们通过将其与传统的FL系统进行比较来证明我们的方法的实际可行性，并表明它可以更便宜，更资源效率更便宜。

Differentially private federated learning (DP-FL) has received increasing attention to mitigate the privacy risk in federated learning. Although different schemes for DP-FL have been proposed, there is still a utility gap. Employing central Differential Privacy in FL (CDP-FL) can provide a good balance between the privacy and model utility, but requires a trusted server. Using Local Differential Privacy for FL (LDP-FL) does not require a trusted server, but suffers from lousy privacy-utility trade-off. Recently proposed shuffle DP based FL has the potential to bridge the gap between CDP-FL and LDP-FL without a trusted server; however, there is still a utility gap when the number of model parameters is large. In this work, we propose OLIVE, a system that combines the merits from CDP-FL and LDP-FL by leveraging Trusted Execution Environment (TEE). Our main technical contributions are the analysis and countermeasures against the vulnerability of TEE in OLIVE. Firstly, we theoretically analyze the memory access pattern leakage of OLIVE and find that there is a risk for sparsified gradients, which is common in FL. Secondly, we design an inference attack to understand how the memory access pattern could be linked to the training data. Thirdly, we propose oblivious yet efficient algorithms to prevent the memory access pattern leakage in OLIVE. Our experiments on real-world data demonstrate that OLIVE is efficient even when training a model with hundreds of thousands of parameters and effective against side-channel attacks on TEE.

随着物联网，AI和ML/DL算法的出现，数据驱动的医疗应用已成为一种有前途的工具，用于从医学数据设计可靠且可扩展的诊断和预后模型。近年来，这引起了从学术界到工业的广泛关注。这无疑改善了医疗保健提供的质量。但是，由于这些基于AI的医疗应用程序在满足严格的安全性，隐私和服务标准（例如低延迟）方面的困难，因此仍然采用较差。此外，医疗数据通常是分散的和私人的，这使得在人群之间产生强大的结果具有挑战性。联邦学习（FL）的最新发展使得以分布式方式训练复杂的机器学习模型成为可能。因此，FL已成为一个积极的研究领域，尤其是以分散的方式处理网络边缘的医疗数据，以保护隐私和安全问题。为此，本次调查论文重点介绍了数据共享是重大负担的医疗应用中FL技术的当前和未来。它还审查并讨论了当前的研究趋势及其设计可靠和可扩展模型的结果。我们概述了FL将军的统计问题，设备挑战，安全性，隐私问题及其在医疗领域的潜力。此外，我们的研究还集中在医疗应用上，我们重点介绍了全球癌症的负担以及有效利用FL来开发计算机辅助诊断工具来解决这些诊断工具。我们希望这篇评论是一个检查站，以彻底的方式阐明现有的最新最新作品，并为该领域提供开放的问题和未来的研究指示。

Federated learning (FL) has been proposed as a privacy-preserving approach in distributed machine learning. A federated learning architecture consists of a central server and a number of clients that have access to private, potentially sensitive data. Clients are able to keep their data in their local machines and only share their locally trained model's parameters with a central server that manages the collaborative learning process. FL has delivered promising results in real-life scenarios, such as healthcare, energy, and finance. However, when the number of participating clients is large, the overhead of managing the clients slows down the learning. Thus, client selection has been introduced as a strategy to limit the number of communicating parties at every step of the process. Since the early na\"{i}ve random selection of clients, several client selection methods have been proposed in the literature. Unfortunately, given that this is an emergent field, there is a lack of a taxonomy of client selection methods, making it hard to compare approaches. In this paper, we propose a taxonomy of client selection in Federated Learning that enables us to shed light on current progress in the field and identify potential areas of future research in this promising area of machine learning.

通信技术和互联网的最新进展与人工智能（AI）启用了智能医疗保健。传统上，由于现代医疗保健网络的高性性和日益增长的数据隐私问题，AI技术需要集中式数据收集和处理，这可能在现实的医疗环境中可能是不可行的。作为一个新兴的分布式协作AI范例，通过协调多个客户（例如，医院）来执行AI培训而不共享原始数据，对智能医疗保健特别有吸引力。因此，我们对智能医疗保健的使用提供了全面的调查。首先，我们在智能医疗保健中展示了近期进程，动机和使用FL的要求。然后讨论了近期智能医疗保健的FL设计，从资源感知FL，安全和隐私感知到激励FL和个性化FL。随后，我们对关键医疗领域的FL新兴应用提供了最先进的综述，包括健康数据管理，远程健康监测，医学成像和Covid-19检测。分析了几个最近基于智能医疗保健项目，并突出了从调查中学到的关键经验教训。最后，我们讨论了智能医疗保健未来研究的有趣研究挑战和可能的指示。

In terms of artificial intelligence, there are several security and privacy deficiencies in the traditional centralized training methods of machine learning models by a server. To address this limitation, federated learning (FL) has been proposed and is known for breaking down ``data silos" and protecting the privacy of users. However, FL has not yet gained popularity in the industry, mainly due to its security, privacy, and high cost of communication. For the purpose of advancing the research in this field, building a robust FL system, and realizing the wide application of FL, this paper sorts out the possible attacks and corresponding defenses of the current FL system systematically. Firstly, this paper briefly introduces the basic workflow of FL and related knowledge of attacks and defenses. It reviews a great deal of research about privacy theft and malicious attacks that have been studied in recent years. Most importantly, in view of the current three classification criteria, namely the three stages of machine learning, the three different roles in federated learning, and the CIA (Confidentiality, Integrity, and Availability) guidelines on privacy protection, we divide attack approaches into two categories according to the training stage and the prediction stage in machine learning. Furthermore, we also identify the CIA property violated for each attack method and potential attack role. Various defense mechanisms are then analyzed separately from the level of privacy and security. Finally, we summarize the possible challenges in the application of FL from the aspect of attacks and defenses and discuss the future development direction of FL systems. In this way, the designed FL system has the ability to resist different attacks and is more secure and stable.

对网络攻击的现代防御越来越依赖于主动的方法，例如，基于过去的事件来预测对手的下一个行动。建立准确的预测模型需要许多组织的知识； las，这需要披露敏感信息，例如网络结构，安全姿势和政策，这些信息通常是不受欢迎的或完全不可能的。在本文中，我们探讨了使用联合学习（FL）预测未来安全事件的可行性。为此，我们介绍了Cerberus，这是一个系统，可以为参与组织的复发神经网络（RNN）模型进行协作培训。直觉是，FL可能会在非私有方法之间提供中间地面，在非私有方法中，训练数据在中央服务器上合并，而仅训练本地模型的较低性替代方案。我们将Cerberus实例化在从一家大型安全公司的入侵预防产品中获得的数据集上，并评估其有关实用程序，鲁棒性和隐私性，以及参与者如何从系统中贡献和受益。总体而言，我们的工作阐明了将FL执行此任务的积极方面和挑战，并为部署联合方法以进行预测安全铺平了道路。

随着数据生成越来越多地在没有连接连接的设备上进行，因此与机器学习（ML）相关的流量将在无线网络中无处不在。许多研究表明，传统的无线协议高效或不可持续以支持ML，这创造了对新的无线通信方法的需求。在这项调查中，我们对最先进的无线方法进行了详尽的审查，这些方法是专门设计用于支持分布式数据集的ML服务的。当前，文献中有两个明确的主题，模拟的无线计算和针对ML优化的数字无线电资源管理。这项调查对这些方法进行了全面的介绍，回顾了最重要的作品，突出了开放问题并讨论了应用程序方案。

使用人工智能（AI）赋予无线网络中数据量的前所未有的数据量激增，为提供无处不在的数据驱动智能服务而开辟了新的视野。通过集中收集数据集和培训模型来实现传统的云彩中心学习（ML）基础的服务。然而，这种传统的训练技术包括两个挑战：（i）由于数据通信增加而导致的高通信和能源成本，（ii）通过允许不受信任的各方利用这些信息来威胁数据隐私。最近，鉴于这些限制，一种新兴的新兴技术，包括联合学习（FL），以使ML带到无线网络的边缘。通过以分布式方式培训全局模型，可以通过FL Server策划的全局模型来提取数据孤岛的好处。 FL利用分散的数据集和参与客户的计算资源，在不影响数据隐私的情况下开发广义ML模型。在本文中，我们介绍了对FL的基本面和能够实现技术的全面调查。此外，提出了一个广泛的研究，详细说明了无线网络中的流体的各种应用，并突出了他们的挑战和局限性。进一步探索了FL的疗效，其新兴的前瞻性超出了第五代（B5G）和第六代（6G）通信系统。本调查的目的是在关键的无线技术中概述了流动的技术，这些技术将作为建立对该主题的坚定了解的基础。最后，我们向未来的研究方向提供前进的道路。

本文介绍了FLSYS的设计，实施和评估，一种支持移动应用的深度学习模型的移动云联合学习（FL）系统。 Flsys是创建使用这些模型的FL模型和应用程序开放生态系统的关键组件。 FLSYS旨在使用在智能手机上收集的移动感应数据，平衡模型性能，在手机上使用资源消耗，容忍手机通信故障，并在云中实现可扩展性。在FLSYS中，可以通过不同的应用程序培训云中具有不同流量的不同DL模型，并通过不同的应用程序同时访问和访问。此外，Flsys为第三方应用程序开发人员提供了培训FL模型的共同API。 flsys是在Android和AWS云中实现的。我们在野生FL模型中与人类活动识别（HAR）共同设计了FLSYS。在五个月的时间内，在100+大学生手机的两个地区收集了掌握数据。我们实施了Har-Wild，一种针对移动设备定制的CNN模型，具有数据增强机制，以减轻非独立和相同分布的（非IID）数据的问题，这些数据影响野外的流动模型训练。情绪分析（SA）模型用于演示FLSYS如何有效地支持并发模型，并且它使用446个用户的DataSet具有46,000多个推文。我们对Android手机和仿真器进行了广泛的实验，表明Flsys实现了良好的模型实用性和实际系统性能。

我们展示了FedScale，这是一种多样化的挑战和现实的基准数据集，以便于可扩展，全面，可重复的联邦学习（FL）研究。 FedScale数据集是大规模的，包括不同的重要性范围，例如图像分类，对象检测，字预测和语音识别。对于每个数据集，我们使用逼真的数据拆分和评估度量提供统一的评估协议。为了满足在规模中繁殖现实流体的压力需求，我们还建立了一个有效的评估平台，以简化和标准化流程实验设置和模型评估的过程。我们的评估平台提供灵活的API来实现新的FL算法，并包括具有最小开发人员的新执行后端。最后，我们在这些数据集上执行深入的基准实验。我们的实验表明，在现实流动特征下，在系统的异质性感知协同优化和统计效率下提供了富有成效的机遇。 FedScale是具有允许许可的开放源，积极维护，我们欢迎来自社区的反馈和贡献。