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Decentralized Federated Learning: Fundamentals, State of the Art, Frameworks, Trends, and Challenges
In recent years, Federated Learning (FL) has gained relevance in training collaborative models without sharing sensitive data. Since its birth, Centralized FL (CFL) has been the most common approach in the literature, wh...
Survey Lens • Phase 1 of 7
Centralized FL
Clients train locally, then depend on a central aggregation server.
Key Application Domains
Centralized FL
Remove central server
Decentralized learning
Topology taxonomy
Design dimensions
Open challenges
DFL foundation
Establece la capa diagnóstica de la tesis: DFL puede reducir la dependencia de una entidad central de agregación, pero la descentralización redistribuye responsabilidades de coordinación, comunicación, confianza, robustez y evaluación del rendimiento entre los participantes.
3
arquitecturas de federación
CFL, DFL y SDFL caracterizados y comparados en cuellos de botella, confianza y flexibilidad de topología
5
topologías de red
Completamente conectada, anillo, aleatoria, estrella y clúster, evaluadas en convergencia, robustez y sobrecarga de comunicación
5
escenarios de aplicación
Sanidad, industria, servicios móviles, UAVs militares e IoV mapeados a los fundamentos DFL
6
retos abiertos
Sobrecarga de comunicación, datos non-IID, confianza y ataques, fallos de nodos, heterogeneidad y escalabilidad
Contribuciones científicas clave
- Taxonomía unificada: Organiza arquitecturas, topologías, mecanismos de comunicación y supuestos de coordinación en DFL.
- Análisis de dimensiones de diseño: Revisa seguridad, privacidad, mecanismos de optimización, KPIs y compromisos de recursos.
- Comparativa de marcos de trabajo: Compara marcos de trabajo disponibles y escenarios de aplicación para identificar tendencias, lecciones aprendidas y retos abiertos.
Conclusiones principales
- DFL reduce la dependencia de una entidad central de agregación, pero también redistribuye responsabilidades de coordinación, comunicación, confianza y evaluación.
- La adopción práctica de DFL requiere mecanismos diseñados específicamente para entornos descentralizados y heterogéneos.
- La revisión proporciona la base diagnóstica para el trabajo técnico posterior sobre fiabilidad adversarial y heterogeneidad multimodal.
Comparativa de arquitecturas
| Aspecto | FL centralizado (CFL) | FL descentralizado (DFL) |
|---|---|---|
| Cuello de botella | Servidor central (alto) | P2P distribuido |
| Punto de fallo | Punto único de fallo | Sin dependencia de agregador central |
| Topologías | Estrella fija / hub | Flexibles (anillo, clúster) |
Fases metodológicas
Mapear
Fundamentos, topologías y marcos de trabajo de DFL
Diagnosticar
Límites, KPIs y brechas de seguridad y privacidad
Priorizar
Robustez, heterogeneidad y eficiencia de las comunicaciones
Resumen
In recent years, Federated Learning (FL) has gained relevance in training collaborative models without sharing sensitive data. Since its birth, Centralized FL (CFL) has been the most common approach in the literature, where a central entity creates a global model. However, a centralized approach leads to increased latency due to bottlenecks, heightened vulnerability to system failures, and trustworthiness concerns affecting the entity responsible for the global model creation. Decentralized Federated Learning (DFL) emerged to address these concerns by promoting decentralized model aggregation and minimizing reliance on centralized architectures. However, despite the work done in DFL, the literature has not (i) studied the main aspects differentiating DFL and CFL; (ii) analyzed DFL frameworks to create and evaluate new solutions; and (iii) reviewed application scenarios using DFL. Thus, this article identifies and analyzes the main fundamentals of DFL in terms of federation architectures, topologies, communication mechanisms, security approaches, and key performance indicators. Additionally, the paper at hand explores existing mechanisms to optimize critical DFL fundamentals. Then, the most relevant features of the current DFL frameworks are reviewed and compared. After that, it analyzes the most used DFL application scenarios, identifying solutions based on the fundamentals and frameworks previously defined. Finally, the evolution of existing DFL solutions is studied to provide a list of trends, lessons learned, and open challenges.
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