Apprentissage Fédéré Robuste et Sécurisé // Robust and Secure Federated Learning

L’Apprentissage Fédéré (FL) permet à plusieurs clients d’entraîner ensemble un modèle global sans partager leurs données brutes. Bien que cette approche décentralisée soit particulièrement adaptée aux domaines sensibles à la vie privée, comme la santé ou la finance, elle n’est pas intrinsèquement sécurisée : les mises à jour de modèle peuvent révéler des informations privées, et des clients malveillants (Byzantins) peuvent corrompre l’apprentissage.

Pour faire face à ces défis, deux grandes stratégies sont employées : l’Agrégation Sécurisée, qui préserve la confidentialité en masquant les mises à jour individuelles, et l’Agrégation Robuste, qui filtre les contributions malveillantes. Cependant, ces objectifs peuvent entrer en conflit : les mécanismes de confidentialité peuvent masquer les signes de comportements malveillants, tandis que la robustesse peut nécessiter un accès à des informations sensibles.

De plus, la majorité des travaux se concentrent sur les attaques au niveau des modèles, négligeant les menaces au niveau du protocole, comme les délais de message ou les mises à jour perdues — des comportements fréquents dans des réseaux réels et asynchrones.

Cette thèse vise à explorer le compromis entre confidentialité et robustesse en FL, à identifier des modèles de sécurité réalistes, et à concevoir des protocoles pratiques, sûrs et robustes. L’approche combinera une analyse théorique des garanties possibles et une implémentation de prototypes s’appuyant sur des outils comme le calcul multipartite sécurisé, des primitives cryptographiques et la confidentialité différentielle.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Federated Learning (FL) allows multiple clients to collaboratively train a global model without sharing their raw data. While this decentralized setup is appealing for privacy-sensitive domains like healthcare and finance, it is not inherently secure: model updates can leak private information, and malicious clients can corrupt training.

To tackle these challenges, two main strategies are used: Secure Aggregation, which protects privacy by hiding individual updates, and Robust Aggregation, which filters out malicious updates. However, these goals can conflict—privacy mechanisms may obscure signs of malicious behavior, and robustness methods may violate privacy.

Moreover, most research focuses on model-level attacks, neglecting protocol-level threats like message delays or dropped updates, which are common in real-world, asynchronous networks.

This thesis aims to explore the privacy–robustness trade-off in FL, identify feasible security models, and design practical, secure, and robust protocols. Both theoretical analysis and prototype implementation will be conducted, leveraging tools like Secure Multi-Party Computation, cryptographic techniques, and differential privacy.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Ingénierie Logiciels et Systèmes (LIST)
Service : LICIA (DILS)
Laboratoire : Lab.systèmes d’information de confiance, intelligents et auto-organisants
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication (STIC)
Directeur de thèse : TUCCI-PIERGIOVANNI Sara
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DILS//LICIA

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Ingénierie Logiciels et Systèmes (LIST)
Service : LICIA (DILS)

Informatique, mathématiques