FL has emerged as a transformative paradigm for ITS, notably camera-based Road Condition Classification (RCC). However, by enabling collaboration, FL-based RCC exposes the system to adversarial participants launching Targeted Label-Flipping Attacks (TLFAs). Malicious clients (vehicles) can relabel their local training data (e.g., from an actual uneven road to a wrong smooth road), consequently compromising global model predictions and jeopardizing transportation safety. Existing countermeasures against such poisoning attacks fail to maintain resilient model performance near the necessary attack-free levels in various attack scenarios due to: 1) not tailoring poisoned local model detection to TLFAs, 2) not excluding malicious vehicular clients based on historical behavior, and 3) not remedying the already-corrupted global model after exclusion. To close this research gap, we propose FedTrident, which introduces: 1) neuron-wise analysis for local model misbehavior detection (notably including attack goal identification, critical feature extraction, and GMM-based model clustering and filtering); 2) adaptive client rating for client exclusion according to the local model detection results in each FL round; and 3) machine unlearning for corrupted global model remediation once malicious clients are excluded during FL. Extensive evaluation across diverse FL-RCC models, tasks, and configurations demonstrates that FedTrident can effectively thwart TLFAs, achieving performance comparable to that in attack-free scenarios and outperforming eight baseline countermeasures by 9.49% and 4.47% for the two most critical metrics. Moreover, FedTrident is resilient to various malicious client rates, data heterogeneity levels, complicated multi-task, and dynamic attacks.


翻译:联邦学习(FL)已成为智能交通系统(ITS)的一种变革性范式,尤其在基于摄像头的路面状态分类(RCC)中。然而,通过启用协作,基于FL的路面状态分类使系统面临对抗性参与者发起的定向标签翻转攻击(TLFA)。恶意客户端(车辆)可篡改其本地训练数据的标签(例如,将实际不平整路面错误标注为平整路面),从而破坏全局模型预测并危及交通安全。现有针对此类毒性攻击的防御方法在多种攻击场景下,无法将模型性能维持在接近无攻击水平所需的弹性状态,原因在于:1)未针对定向标签翻转攻击(TLFA)定制本地中毒模型检测,2)未基于历史行为排除恶意车辆客户端,3)在排除恶意客户端后未修复已受损的全局模型。为弥补这一研究空白,我们提出FedTrident,其引入以下机制:1)基于神经元分析的本地模型异常行为检测(尤其包括攻击目标识别、关键特征提取及基于高斯混合模型(GMM)的模型聚类与过滤);2)根据每轮联邦学习(FL)中的本地模型检测结果,采用自适应客户端评分机制进行客户端排除;3)在联邦学习过程中一旦排除恶意客户端,即采用机器遗忘技术对受损全局模型进行修复。跨多种FL-RCC模型、任务及配置的广泛评估表明,FedTrident能有效抵御定向标签翻转攻击(TLFA),在两项最关键指标上达到接近无攻击场景的性能,且相较于八种基线防御方法分别提升9.49%和4.47%。此外,FedTrident对各类恶意客户端比例、数据异质性水平、复杂多任务及动态攻击均具有弹性。

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