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블록체인 기반의 연합학습 구현
An Implementation of Federated Learning based on Blockchain 원문보기

The journal of Bigdata = 한국빅데이터학회지, v.5 no.1, 2020년, pp.89 - 96  

박준범 (한국항공대학교 컴퓨터 공학과) ,  박종서 (한국항공대학교 컴퓨터 공학과)

초록
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인공신경망(artficial neural networks)를 활용한 딥러닝은 최근 이미지인식, 빅데이터데이터분석 등 다양한 분야에서 연구되고 개발이 진행되고 있다. 하지만 데이터 프라이버시 침해 이슈와 학습을 많이 할수록 소모 비용과 시간이 증가하는 문제점이 있어서 이를 해결하기 위해 연합학습(Federated Learning)이 연구되었다. 연합학습에서는 프라이버시 문제를 완화하면서, 분산 처리 시스템의 이점을 가져오는 학습기법을 제시하였다. 하지만 여전히 연합학습에서도 프라이버시 및 보안 문제가 존재한다. 그래서 우리는 연합학습의 서버에 해당하는 부분을 블록체인으로 대체하여 연합학습의 문제점인 프라이버시 문제와 보안 문제를 해결하였다. 또한 사용자가 제출하는 데이터에 대한 보상을 지급하여서 동기를 부여하고, 기존 성능은 유지하면서도 더 적은 비용의 유지비를 필요로 하는 시스템을 연구하였다. 본 논문에서는 우리가 개발한 시스템의의 타당성을 보이기 위해 실험결과를 제시하면서 기존 연합학습과 연구한 블록체인 기반의 연합학습 결과를 비교한다. 또한 향후 연구로 보안문제에 대한 해법과 와 적용 가능한 비즈니스 분야를 제시를 보여주면서 논문을 마무리 하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Deep learning using an artificial neural network has been recently researched and developed in various fields such as image recognition, big data and data analysis. However, federated learning has emerged to solve issues of data privacy invasion and problems that increase the cost and time required ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 딥러닝의 문제점을 해결하고자 등장한 연합 학습에서도 문제점이 발생하였는데, 이를 해결하고자 블록체인 기반의 연합학습 연구를 제안하였다. 연합학습의 프라이버시 문제와 동기부재 문제점을 해결하기 위해서 서버역할에 해당하는 부분을 블록체인으로 대체하여 시스템을 구축하였다.

가설 설정

  • <그림 9>는 연합학습과 블록체인 기반의 연합학습의 학습 라운드 수를 많이 할수록 드는 비용에 대한 그림이다. 이 실험에서는 우선 가정으로 연합학습에 드는 서버의 비용 과 운용비용을 500만원으로 책정하였고, 이 서버는 약 100명의 데이터를 처리 가능하다고 가정하였다. 그리고 블록체인 기반의 연합학습에서는 학습한 이후에 값을 제출하는 트랜잭션 비용을 10원, 스마트 컨트랙트 연산 비용은 10원으로 책정하였다.
  • 그래서 한번 모델을 학습시키는 경우는 연합학습에 비해서 더 적은 비용으로 학습이 가능하다. 하지만 한번 서버를 구축해 놓았을 때 1개의 모델만 학습시키지는 않기 때문에 실험에서는 이어서 2개의 모델, 3개의 모델을 학습시키는 것으로 가정하였다. 그럴 경우 3개의 모델을 학습시킬 때는 85%의 정확도를 얻기위해 오히려 연합학습의 비용이 더 적게드는 것을 확인하였다.
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참고문헌 (15)

  1. Yann LeCun, Yoshua Bengio & Geoffrey Hinton, "Deep Learning", nature, 27 May 2015. 

  2. Jakub Konecny, H. Brendan McMahan, Felix X. Yu, Peter Richtarik, Ananda Theertha Suresh, Dave Bacon, "Federated Learning: Strategies for Improving Communication Efficiency", arXiv:161 0.05492v2 [cs.LG] 30 Oct 2017. 

  3. Satoshi Nakamoto, "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System", Oct. 2008. 

  4. Vitalik Buterin, "A next-generation smart contract and decentralized application platform", cryptorating.eu,2014. 

  5. W.Gavin, "Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger," Ethereum Project Yellow Paper, vol. 151, 2014. 

  6. D Hankerson, A Menezes, Elliptic curve cryptography, Boston, Springer, 2011. 

  7. H.Bredan McMahan, "Communication-Efficient Learning of Deep Networks from Decentralized Data", AISTATS 2017. 

  8. H.Bredan McMahan, "Communication-Efficient Learning of Deep Networks from Decentralized Data", AISTATS 2017. 

  9. Lightweight Java library for integration with Ethereum clients Available : https://web3j.io/ 

  10. E. Gawehn, J. A. Hiss, and G. Schneider, "Deep learning in drug discovery," Molecular informatics, vol. 35, no. 1, pp. 3-14, 2016. 

  11. A. B. Kurtulmus and K. Daniel, "Trustless machine learning contracts; evaluating and exchanging machine learning models on the ethereum blockchain," arXiv preprint arXiv:1802.10185, 2018. 

  12. J.-S. Weng, J. Weng, M. Li, Y. Zhang, and W. Luo, "Deepchain: Auditable and privacy-preserving deep learning with blockchainbased incentive," Cryptology ePrint Archive, Report 2018/679, 2018, https://eprint.iacr.org/2018/679. 

  13. A. Bansal, T. Chen, and S. Zhong, "Privacy preserving backpropagation neural network learning over arbitrarily partitioned data," Neural Computing Applications, vol. 20, no. 1, pp. 143-150, 2011. 

  14. A. Kosba, A. Miller, E. Shi, Z. Wen, and C. Papamanthou, "Hawk: The blockchain model of cryptography and privacy-preserving smart contracts," in Security and Privacy (SP), 2016 IEEE Symposium on. IEEE, 2016, pp. 839-858. 

  15. Hyesung Kim, Jihong Park, Mehdi Bennis "On-Device Federated Learning via Blockchain and its Latency Analysis", IEE Communications letters 2019. 

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