論文の概要: The Capacity of Information-Theoretic Secure Aggregation in Federated Learning

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.07277v1
• Date: Fri, 05 Jun 2026 13:53:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-06-08 14:33:29.761323
• Title: The Capacity of Information-Theoretic Secure Aggregation in Federated Learning
• Title（参考訳）: フェデレートラーニングにおける情報理論セキュアアグリゲーションの能力
• Authors: Lanxin Yi, Jinbao Zhu, Kai Wan, Xiaohu Tang,
• Abstract要約: 我々は,$T$を解決した情報理論セキュアアグリゲーション問題を,$N$ユーザを用いて検討した。 従来の作業とは異なり、ユーザ間通信によるキー配布をモデル化する。 最適性能はペアワイズ共有キーのみを用いて達成可能であることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 38.64656884737012
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Secure aggregation allows a server to aggregate users' local updates while preserving update privacy. Existing information-theoretic problems typically assume that correlated random keys are provided by a trusted third party (TTP) or generated via prescribed groupwise structures, while the communication cost for establishing such correlated keys is often ignored. Consequently, the fundamental limits under general key-distribution mechanisms remain unknown. In this paper, we study the $T$-colluding information-theoretic secure aggregation problem with $N$ users under a general two-phase framework consisting of a key distribution phase and an update aggregation phase. Unlike prior work, we model key distribution through user-to-user communication and allow arbitrary user-generated key-distribution mechanisms, eliminating TTP or prescribed structures. This enables a joint characterization of three resources: randomness for security, key-distribution communication, and aggregation communication. We completely characterize the capacity region among these three resources by constructing a novel secure aggregation scheme together with a matching information-theoretic converse. In particular, we develop an explicit deterministic capacity-achieving construction over any finite field of size at least $N$, whereas most existing schemes either rely on TTP or employ randomized or existential constructions over sufficiently large finite fields. We further show that the optimal performance can be achieved using only pairwise shared keys, enabling implementation via Diffie--Hellman key exchange. Compared with Google's seminal secure aggregation scheme, the proposed scheme requires fewer random masking keys while preserving the same aggregation communication overhead.
• Abstract（参考訳）: セキュアアグリゲーションは、アップデートのプライバシを保持しながら、サーバがユーザのローカルアップデートを集約することを可能にする。 既存の情報理論上の問題は通常、相関鍵が信頼できる第三者(TTP)によって提供されるか、所定のグループ構造によって生成されると仮定するが、そのような相関鍵を確立するための通信コストは無視されることが多い。 その結果、一般的な鍵分配機構の基本的限界はいまだ不明である。 本稿では,キー配信フェーズと更新アグリゲーションフェーズから構成される一般的な2段階のフレームワークの下で,$T$のセキュリティアグリゲーション問題を$N$ユーザで検討する。 従来の作業とは異なり、ユーザ間通信によるキー配布をモデル化し、任意のユーザ生成キー配信機構を許容し、TTPや所定の構造を排除します。 これにより、セキュリティのためのランダム性、鍵分配通信、集約通信の3つのリソースを共同で特徴づけることができる。 これら3つのリソースのうちのキャパシティ領域を,一致する情報理論の逆と合わせて,新しいセキュアなアグリゲーションスキームを構築することで,完全に特徴付ける。 特に、少なくとも$N$の有限体上の明示的な決定論的キャパシティ構築を開発するが、既存のスキームの多くはTPPに依存するか、あるいは十分に大きな有限体上のランダム化または存在的構成を用いる。 さらに、Diffie-Hellmanキー交換による実装を実現するために、ペアで共有されたキーのみを用いて最適な性能を実現することができることを示す。 Googleのセミナルなセキュアなアグリゲーション方式と比較して、提案方式では同じアグリゲーション通信オーバーヘッドを維持しながらランダムなマスキングキーを少なくする必要がある。

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