भाग 10: एन्क्रिप्टेड ग्रैडिएंट एग्रीगेशन के साथ फेडरेटेड लर्निंग

पिछले कुछ खंडों में, हम कई सरल कार्यक्रमों का निर्माण करके एन्क्रिप्टेड संगणना के बारे में सीख रहे हैं। इस भाग में, हम Federated Learning Demo of Part 4 पर लौटने वाले हैं, जहां हमारे पास "विश्वसनीय एग्रीगेटर" था, जो कई श्रमिकों से मॉडल अपडेट के औसत के लिए जिम्मेदार था।

अब हम इस विश्वसनीय एग्रीगेटर को हटाने के लिए एन्क्रिप्टेड कम्प्यूटेशन के लिए अपने नए उपकरणों का उपयोग करेंगे क्योंकि यह आदर्श से कम है क्योंकि यह मानता है कि हम किसी को इस विश्वसनीय जानकारी तक पहुंच के लिए पर्याप्त भरोसेमंद पा सकते हैं। ऐसी स्थिति हर बार नहीं होती है।

इस प्रकार, इस नोटबुक में, हम दिखाएंगे कि कैसे SMPC का उपयोग सुरक्षित एकत्रीकरण करने के लिए किया जा सकता है जैसे कि हमें "विश्वसनीय एग्रीगेटर" की आवश्यकता नहीं है।

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धारा 1: सामान्य फेडरेटेड लर्निंग

सबसे पहले, यहां कुछ कोड हैं जो बोस्टन हाउसिंग डेटासेट पर क्लासिक फ़ेडरेटेड लर्निंग करता है। कोड का यह खंड कई खंडों में विभाजित है।

स्थापना


In [ ]:
import pickle

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import TensorDataset, DataLoader

class Parser:
    """Parameters for training"""
    def __init__(self):
        self.epochs = 10
        self.lr = 0.001
        self.test_batch_size = 8
        self.batch_size = 8
        self.log_interval = 10
        self.seed = 1
    
args = Parser()

torch.manual_seed(args.seed)
kwargs = {}

डेटासेट लोड हो रहा है


In [ ]:
with open('../data/BostonHousing/boston_housing.pickle','rb') as f:
    ((X, y), (X_test, y_test)) = pickle.load(f)

X = torch.from_numpy(X).float()
y = torch.from_numpy(y).float()
X_test = torch.from_numpy(X_test).float()
y_test = torch.from_numpy(y_test).float()
# preprocessing
mean = X.mean(0, keepdim=True)
dev = X.std(0, keepdim=True)
mean[:, 3] = 0. # the feature at column 3 is binary,
dev[:, 3] = 1.  # so we don't standardize it
X = (X - mean) / dev
X_test = (X_test - mean) / dev
train = TensorDataset(X, y)
test = TensorDataset(X_test, y_test)
train_loader = DataLoader(train, batch_size=args.batch_size, shuffle=True, **kwargs)
test_loader = DataLoader(test, batch_size=args.test_batch_size, shuffle=True, **kwargs)

Neural नेटवर्क संरचना


In [ ]:
class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(13, 32)
        self.fc2 = nn.Linear(32, 24)
        self.fc3 = nn.Linear(24, 1)

    def forward(self, x):
        x = x.view(-1, 13)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

model = Net()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=args.lr)

हुकिंग PyTorch


In [ ]:
import syft as sy

hook = sy.TorchHook(torch)
bob = sy.VirtualWorker(hook, id="bob")
alice = sy.VirtualWorker(hook, id="alice")
james = sy.VirtualWorker(hook, id="james")

compute_nodes = [bob, alice]

श्रमिकों को डेटा भेजें
आमतौर पर उनके पास पहले से ही होता है, यह केवल डेमो उद्देश्यों के लिए है जो हम इसे मैन्युअल रूप से भेजते हैं


In [ ]:
train_distributed_dataset = []

for batch_idx, (data,target) in enumerate(train_loader):
    data = data.send(compute_nodes[batch_idx % len(compute_nodes)])
    target = target.send(compute_nodes[batch_idx % len(compute_nodes)])
    train_distributed_dataset.append((data, target))

प्रशिक्षण फॅन्क्शॅन


In [ ]:
def train(epoch):
    model.train()
    for batch_idx, (data,target) in enumerate(train_distributed_dataset):
        worker = data.location
        model.send(worker)

        optimizer.zero_grad()
        # update the model
        pred = model(data)
        loss = F.mse_loss(pred.view(-1), target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        model.get()
            
        if batch_idx % args.log_interval == 0:
            loss = loss.get()
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, batch_idx * data.shape[0], len(train_loader),
                       100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))

परीक्षण फॅन्क्शॅन


In [ ]:
def test():
    model.eval()
    test_loss = 0
    for data, target in test_loader:
        output = model(data)
        test_loss += F.mse_loss(output.view(-1), target, reduction='sum').item() # sum up batch loss
        pred = output.data.max(1, keepdim=True)[1] # get the index of the max log-probability
        
    test_loss /= len(test_loader.dataset)
    print('\nTest set: Average loss: {:.4f}\n'.format(test_loss))

मॉडल का प्रशिक्षण


In [ ]:
import time

In [ ]:
t = time.time()

for epoch in range(1, args.epochs + 1):
    train(epoch)

    
total_time = time.time() - t
print('Total', round(total_time, 2), 's')

गणना प्रदर्शन


In [ ]:
test()

धारा 2: एन्क्रिप्टेड एकत्रीकरण जोड़ना

अब हम इस उदाहरण को एन्क्रिप्शन का उपयोग करते हुए समुच्चय को थोड़ा संशोधित करने जा रहे हैं। train() फ़ंक्शन में कोड का मुख्य टुकड़ा जो वास्तव में अलग है वह 1 या 2 लाइनों का है, जिसे हम इंगित करेंगे। फिलहाल, आइए अपने डेटा को फिर से संसाधित करें और बॉब और एलिस के लिए एक मॉडल को इनिशियलाइज़ करें।


In [ ]:
remote_dataset = (list(),list())

train_distributed_dataset = []

for batch_idx, (data,target) in enumerate(train_loader):
    data = data.send(compute_nodes[batch_idx % len(compute_nodes)])
    target = target.send(compute_nodes[batch_idx % len(compute_nodes)])
    remote_dataset[batch_idx % len(compute_nodes)].append((data, target))

def update(data, target, model, optimizer):
    model.send(data.location)
    optimizer.zero_grad()
    pred = model(data)
    loss = F.mse_loss(pred.view(-1), target)
    loss.backward()
    optimizer.step()
    return model

bobs_model = Net()
alices_model = Net()

bobs_optimizer = optim.SGD(bobs_model.parameters(), lr=args.lr)
alices_optimizer = optim.SGD(alices_model.parameters(), lr=args.lr)

models = [bobs_model, alices_model]
params = [list(bobs_model.parameters()), list(alices_model.parameters())]
optimizers = [bobs_optimizer, alices_optimizer]

हमारे प्रशिक्षण तर्क का निर्माण

केवल वास्तविक अंतर इस ट्रेन पद्धति के अंदर है। चलो इसे चरण-दर-चरण चलते हैं।

भाग ए: ट्रेन:


In [ ]:
# this is selecting which batch to train on
data_index = 0
# update remote models
# we could iterate this multiple times before proceeding, but we're only iterating once per worker here
for remote_index in range(len(compute_nodes)):
    data, target = remote_dataset[remote_index][data_index]
    models[remote_index] = update(data, target, models[remote_index], optimizers[remote_index])

भाग बी: एन्क्रिप्टेड एकत्रीकरण


In [ ]:
# create a list where we'll deposit our encrypted model average
new_params = list()

In [ ]:
# iterate through each parameter
for param_i in range(len(params[0])):

    # for each worker
    spdz_params = list()
    for remote_index in range(len(compute_nodes)):
        
        # select the identical parameter from each worker and copy it
        copy_of_parameter = params[remote_index][param_i].copy()
        
        # since SMPC can only work with integers (not floats), we need
        # to use Integers to store decimal information. In other words,
        # we need to use "Fixed Precision" encoding.
        fixed_precision_param = copy_of_parameter.fix_precision()
        
        # now we encrypt it on the remote machine. Note that 
        # fixed_precision_param is ALREADY a pointer. Thus, when
        # we call share, it actually encrypts the data that the
        # data is pointing TO. This returns a POINTER to the 
        # MPC secret shared object, which we need to fetch.
        encrypted_param = fixed_precision_param.share(bob, alice, crypto_provider=james)
        
        # now we fetch the pointer to the MPC shared value
        param = encrypted_param.get()
        
        # save the parameter so we can average it with the same parameter
        # from the other workers
        spdz_params.append(param)

    # average params from multiple workers, fetch them to the local machine
    # decrypt and decode (from fixed precision) back into a floating point number
    new_param = (spdz_params[0] + spdz_params[1]).get().float_precision()/2
    
    # save the new averaged parameter
    new_params.append(new_param)

भाग सी: सफाई


In [ ]:
with torch.no_grad():
    for model in params:
        for param in model:
            param *= 0

    for model in models:
        model.get()

    for remote_index in range(len(compute_nodes)):
        for param_index in range(len(params[remote_index])):
            params[remote_index][param_index].set_(new_params[param_index])

चलो इसे सब एक साथ रखो !!

और अब जब हम प्रत्येक चरण को जानते हैं, तो हम इसे एक साथ एक प्रशिक्षण लूप में डाल सकते हैं!


In [ ]:
def train(epoch):
    for data_index in range(len(remote_dataset[0])-1):
        # update remote models
        for remote_index in range(len(compute_nodes)):
            data, target = remote_dataset[remote_index][data_index]
            models[remote_index] = update(data, target, models[remote_index], optimizers[remote_index])

        # encrypted aggregation
        new_params = list()
        for param_i in range(len(params[0])):
            spdz_params = list()
            for remote_index in range(len(compute_nodes)):
                spdz_params.append(params[remote_index][param_i].copy().fix_precision().share(bob, alice, crypto_provider=james).get())

            new_param = (spdz_params[0] + spdz_params[1]).get().float_precision()/2
            new_params.append(new_param)

        # cleanup
        with torch.no_grad():
            for model in params:
                for param in model:
                    param *= 0

            for model in models:
                model.get()

            for remote_index in range(len(compute_nodes)):
                for param_index in range(len(params[remote_index])):
                    params[remote_index][param_index].set_(new_params[param_index])

In [ ]:
def test():
    models[0].eval()
    test_loss = 0
    for data, target in test_loader:
        output = models[0](data)
        test_loss += F.mse_loss(output.view(-1), target, reduction='sum').item() # sum up batch loss
        pred = output.data.max(1, keepdim=True)[1] # get the index of the max log-probability
        
    test_loss /= len(test_loader.dataset)
    print('Test set: Average loss: {:.4f}\n'.format(test_loss))

In [ ]:
t = time.time()

for epoch in range(args.epochs):
    print(f"Epoch {epoch + 1}")
    train(epoch)
    test()

    
total_time = time.time() - t
print('Total', round(total_time, 2), 's')

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In [ ]: