信息网络安全 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9): 1391-1407.doi: 10.3969/j.issn.1671-1122.2026.09.006
收稿日期:2026-06-15
出版日期:2026-09-10
发布日期:2026-09-30
通讯作者:
朱晓强
E-mail:xqzhu@bjtu.edu.cn
作者简介:朱晓强(1992—),男,黑龙江,助理教授,博士,主要研究方向为物联网、机器学习、隐私保护|林彦孜(2005—),女,广西,本科,主要研究方向为区块链|张皓文(1998—),男,山西,硕士研究生,主要研究方向为区块链及安全技术|姚英英(1994—),女,山东,副教授,博士,主要研究方向为密码学及应用、数据安全与隐私保护
基金资助:
Zhu Xiaoqiang1(
), Lin Yanzi2, Zhang Haowen2, Yao Yingying1
Received:2026-06-15
Online:2026-09-10
Published:2026-09-30
Contact:
Zhu Xiaoqiang
E-mail:xqzhu@bjtu.edu.cn
摘要:
近年来,区块链联邦学习中的鲁棒聚合安全问题成为研究热点。现有方法多依赖单一参数空间检测、可信数据先验或固定筛选策略,在面对协同投毒、后门注入等隐蔽攻击时,检测维度与适应性仍有限。为此,文章提出一种基于多维特征与动态防御(MFDD)的区块链联邦学习鲁棒聚合方法。该方法结合客户端更新相似性和探测数据集,从预测偏差、任务损失、参数偏移及方向一致性4个方面评估客户端异常程度,以识别协同攻击。针对协同反向更新中的方向异常,构建基于鲁棒中心的方向风险条件信任机制,利用坐标中位数形成鲁棒参考中心,并结合中位数绝对偏差(MAD)进行无监督判别,在形成有效方向风险证据时排除异常客户端、重新归一化其余客户端聚合权重。然后,通过自适应融合与动态防御完成客户端筛选与加权聚合,将核心检测与聚合信息记录于区块链账本,实现可信存证与可追溯审计。实验结果表明,在MNIST独立同分布、35%协同反向更新场景下,MFDD准确率达到0.9704±0.0025,显著高于移除方向风险条件机制的消融方法0.1763。基于Hyperledger Fabric 2.5.14的链上审计实验实现318项链上链下一致性匹配,并通过重复提交、覆盖及核心字段篡改验证,证实了该方法的鲁棒聚合与可信审计能力。
中图分类号:
朱晓强, 林彦孜, 张皓文, 姚英英. 基于多维特征与动态防御的区块链联邦学习鲁棒聚合方法[J]. 信息网络安全, 2026, 26(9): 1391-1407.
Zhu Xiaoqiang, Lin Yanzi, Zhang Haowen, Yao Yingying. A robust aggregation method for blockchain federated learning based on multi-dimensional features and dynamic defense[J]. Netinfo Security, 2026, 26(9): 1391-1407.
表1
代表性鲁棒联邦学习方法的检测机制对比
| 方法 | 主要检测依据 | 使用 可信 数据 | 客户端 群体关系 建模 | 独立方向异常门控 | 聚合方式 |
|---|---|---|---|---|---|
| FoolsGold | 客户端更新 相似性 | 否 | 是 | 否 | 基于相似性降低权重 |
| FLTrust | 客户端与服务器参考更新的方向关系 | 是 | 否 | 否 | 信任评分与范数归一化 |
| FLDetector | 跨轮次更新 预测偏差 | 否 | 否 | 否 | 异常客户端检测 |
| FLAME | 模型更新聚类、裁剪及噪声 | 否 | 是 | 否 | 聚类筛选与裁剪 |
| Multi-Krum | 客户端更新间的欧氏距离 | 否 | 是 | 否 | 选择距离较小的多个更新聚合 |
| MFDD (本文方法) | 群体一致性、多维行为、 鲁棒中心方向 风险 | 是 | 是 | 是 | 连续信任与条件筛选 |
表2
数学符号及定义
| 符号 | 定义 |
|---|---|
| 第t轮迭代的全局模型参数 | |
| 在第t轮训练结束后客户端 | |
| 用于客户端行为审计的固定探测数据集 | |
| 客户端i,j更新的余弦相似度 | |
| 刻画客户端i更新群体一致性的相似性分量;参与融合前进行归一化,归一化后仍沿用该符号 | |
| 客户端i多维行为异常评分,取值越大表示异常程度越高 | |
| 经Min-Max归一化后的行为异常评分 | |
| 由归一化行为异常评分反向转换并归一化得到的行为信任分量,取值越大表示行为可信度越高 | |
| 归一化行为异常评分 | |
| 相似性分量与行为信任分量融合的自适应调节因子 | |
| 客户端i的连续信任权重 | |
| 避免除零及数值不稳定的小正数 | |
| 第t轮客户端更新的坐标中位数鲁棒中心 | |
| 客户端i更新与鲁棒中心之间的余弦方向相似度 | |
| 客户端i的方向风险评分 | |
| 当前轮次所有客户端方向风险评分的中位数 | |
| 当前轮次方向风险评分的中位数绝对偏差 | |
| 第t轮基于MAD确定的方向风险判别阈值 | |
| 第t轮被方向风险机制标记的客户端集合 | |
| 当前聚合路径下最终保留的客户端集合;方向风险条件成立时为排除 | |
| 客户端i条件筛选后的最终归一化聚合权重 | |
| 连续信任权重退化判别阈值,本文设置为 0.01 | |
| Multi-Krum及安全保留约束使用的拜占庭客户端数量上界 | |
| 升序排列后的相邻连续信任权重之间的第k个间隙 | |
| 最大权重间隙对应的候选分界位置 | |
| 基础MFDD间隙筛选路径最终确定的客户端筛除数量 |
表3
实验主要参数与攻击设置
| 项目 | 设置 |
|---|---|
| 客户端数量/个 | 20 |
| 通信轮数/轮 | 50 |
| 本地训练轮数/轮 | 2 |
| 学习率 | 0.01 |
| Batch size | 32 |
| 随机种子 | 42、123、2026 |
| 数据划分 | IID、Shard Non-IID |
| 探测数据集 | 训练集预留100个样本,每类10个,与客户端训练集及最终测试集不重叠 |
| MNIST模型 | Conv(1→16, 3?3) + ReLU + FC(16?26?26→128) + ReLU + FC(128→10) |
| CIFAR-10模型 | 3层卷积网络:32、64、128通道,每层ReLU与2?2最大池化;FC(2048→512) + ReLU + Dropout(0.5) + FC(512→10) |
| 恶意客户端选择 | 每次实验开始时随机无放回抽样,不同seed重新抽样,同一run内固定 |
| 图案后门 | 左上角2?2触发器,像素值置为1.0,目标类别7;恶意客户端每batch中80%的样本注入触发器 |
| 标签翻转 | all-to-one标签投毒,恶意客户端本地样本标签全部修改为目标类别7 |
| CIFAR-10后门通道 | 仅修改第1个图像通道 |
| 协同反向更新 | 对客户端本地更新 |
| ASR测试 | 使用与训练阶段相同规格的触发器,对测试样本全部注入触发器 |
| 主要攻击场景 | 协同反向更新、标签翻转、图案后门 |
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