Artículo de revista2023

IEEE Communications Surveys & Tutorials

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,...

SurveysData modelsSecurityFederated learningTutorialsServersOptimizationDecentralized federated learningcommunication mechanismssecurity and privacykey performance indicatorsframeworksapplication scenarios
Scientific overview

Decentralized Federated Learning foundation

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Decentralized Federated Learning concept loopVisualizes the shift from centralized aggregator-based architectures to node-to-node learning topologies, taxonomy, and design guidelines.Federation architectureNetwork topologyCommunication mechanismsSecurity & privacyKPIsOptimizationCommunication overheadNon-IID dataTrust & attacksNode failuresHeterogeneityScalabilityDesign DimensionsSN1N2N3N4N5N6PFully connectedStarRingRandomClusteredDFLFOUNDATION

Survey lens / Phase 1 of 7

Centralized FL

Clients train locally, then depend on a central aggregation server.

Key Application Domains

HealthcareIndustry 4.0Mobile servicesMilitaryVehicles
  1. 01

    Centralized FL

  2. 02

    Remove central server

  3. 03

    Decentralized learning

  4. 04

    Topology taxonomy

  5. 05

    Design dimensions

  6. 06

    Open challenges

  7. 07

    DFL foundation

Resumen científicoRQ1

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.

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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

  1. 01Taxonomía unificada:Organiza arquitecturas, topologías, mecanismos de comunicación y supuestos de coordinación en DFL.
  2. 02Análisis de dimensiones de diseño:Revisa seguridad, privacidad, mecanismos de optimización, KPIs y compromisos de recursos.
  3. 03Comparativa de marcos de trabajo:Compara marcos de trabajo disponibles y escenarios de aplicación para identificar tendencias, lecciones aprendidas y retos abiertos.

Conclusiones principales

  1. 01DFL reduce la dependencia de una entidad central de agregación, pero también redistribuye responsabilidades de coordinación, comunicación, confianza y evaluación.
  2. 02La adopción práctica de DFL requiere mecanismos diseñados específicamente para entornos descentralizados y heterogéneos.
  3. 03La revisión proporciona la base diagnóstica para el trabajo técnico posterior sobre fiabilidad adversarial y heterogeneidad multimodal.

Comparativa de arquitecturas

Cuello de botella

FL centralizado (CFL)

Servidor central (alto)

FL descentralizado (DFL)

Entre nodos

Punto de fallo

FL centralizado (CFL)

Punto único de fallo

FL descentralizado (DFL)

Sin dependencia de agregador central

Topologías

FL centralizado (CFL)

Estrella fija / hub

FL descentralizado (DFL)

Flexibles (anillo, clúster)

Fases metodológicas

01

Mapear

Fundamentos, topologías y marcos de trabajo de DFL

02

Diagnosticar

Límites, KPIs y brechas de seguridad y privacidad

03

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.

Autores

Enrique Tomás Martínez BeltránMario Quiles PérezPedro Miguel Sánchez SánchezSergio López BernalGérôme BovetManuel Gil PérezGregorio Martínez PérezAlberto Huertas Celdrán

Palabras clave

SurveysData modelsSecurityFederated learningTutorialsServersOptimizationDecentralized federated learningcommunication mechanismssecurity and privacykey performance indicatorsframeworksapplication scenarios

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