分享人：宋凯 博士
整理者：林宜蓁
导读:
本文从广告主的角度，分享联邦学习实践的经验跟思考。
先介绍业务与技术选型背景：团队项目为用户增长及成本控制，方式为广告渠道投放，投放目标分为拉新、拉活两类。
- 拉新时，微视侧端内用户特征稀疏，而广告平台积累大量信息，但仅有有限性的oCPX标准化数据回传。
- 拉活时，微视侧具备用户行为序列等宝贵画像数据，与广告平台特征有互补性，但又无法直接粗暴的与广告平台共享数据。
所以，希望微视侧能与广告平台侧利用双方数据，实现收益共赢，但保证数据的安全不出域。在这种背景下我们团队选择了“联邦学习”，其为多方安全合作提供了一种解决方案。
文章围绕下面五点展开：
- 联邦学习
- 腾讯联邦学习平台 PowerFL
- 微视广告投放整体业务
- 广告投放联邦学习架构
- 建模实践和细节介绍
一、联邦学习
DATA
首先，简介联邦学习（Federated Learning，FL）的先导知识。
1. 联邦学习背景
机器学习模型都是 data-driven，但现实里数据皆为孤岛：公司与公司之间、甚至部门与部门之间无法共享数据；直接的共享会侵犯用户的隐私，也损伤公司的利益。2016年 Google 的文章以输入法 NLP 为背景，提出用安卓手机终端在本地更新模型，这篇文章一般被认为是联邦学习的开端。随即，我国微众银行、腾讯等公司也做了许多开创性的工作。
联邦学习的基本定义为：在进行机器学习的过程中，各参与方可借助其他方数据进行联合建模。各方无需直接触达他方数据资源，即数据不出本地的情况下，安全进行数据联合训练，建立共享的机器学习模型。
2. 联邦学习的两种架构
- 中心化联邦架构：早期发展包括 Google、微众银行，皆是此类架构。由可信赖的第三方（中央服务器）负责加密策略、模型分发、梯度聚合等。
- 去中心化联邦架构：有时双方合作，找不到可信赖的第三方，各方需参与对等计算。此架构需要更多的加解密和参数传输操作，比如：n方参与时，需进行2n(n-1)次传输。这里可以认为加解密算法实际上扮演了第三方的角色。
3. 联邦学习的三种分类
- 横向联邦学习：样本的联合，适用于特征重叠多，用户重叠少时的场景。比如：两个业务相似的公司，用户正交多但画像相似，可进行横向联邦学习，更像是一种数据变形的分布式机器学习。
- 纵向联邦学习：特征的联合，适用于用户重叠多，特征重叠少时的场景。比如：广告主与广告平台，希望结合两方的特征进行训练。
- 联邦迁移学习：参与者间的特征和样本重叠都很少时，可以考虑使用，但难度较高。
三种联邦学习交互的信息有异，受到的困扰也不同；比如：横向联邦学习时，各参与方数据异构，因此数据非独立同分布，也是联邦学习的研究热点。
目前纵向联邦学习已在我们业务中落地，也在探索联邦迁移学习、横向纵向的结合。
4. 联邦学习与分布式机器学习比较
精度上界：联邦学习不像优化其他具体的排序、召回模型，更像是在数据安全限制下，去推动整个建模。所以，理论上把共享数据下分布式机器学习（Distributed Machine Learning，DML）的结果作为上限。
联邦学习（FL）与分布式机器学习（DML）比较
虽然有人把联邦学习作为一种分布式机器学习的特殊情况，但是与一般的DML相比，联邦学习仍存在如下区别：
- 存在数据不共享的限制；
- 各server节点对worker节点控制弱；
- 通讯频率和成本较高。
二、腾讯联邦学习平台Angel PowerFL
DATA
从联邦学习发展开始，腾讯参与度就非常高。包括：制定发布《联邦学习白皮书2.0》、《腾讯安全联邦学习应用服务白皮书》等；基建方面，基于腾讯开源的智能学习平台Angel（https://github.com/Angel-ML/angel），构建PowerFL，目前内部开源；实践方面，在金融、广告、推荐场景，有多次尝试和落地。
1. 工程特色
腾讯联邦学习平台PowerFL除了易部署、兼容性好等机器学习平台基本要求，还有以下五个工程特色：
- 学习架构：使用去中心化联邦架构，不依赖第三方；
- 加密算法：实现并改进了各种常见的同态加密、对称和非对称加密算法；
- 分布式计算：基于 Spark on Angel 的分布式机器学习框架；
- 跨网络通信：利用 Pulsar 对跨网通信优化，增强稳定性，提供多方跨网络传输接口；
- 可信赖执行环境：TEE（SGX等）的探索和支持。
2. 算法优化
另外，针对算法侧也做了许多优化：
- 密文运算重写：基于 C GMP 重写密文运算库；
- 数据求交优化：分别就双方和多方优化，特别是多方侧进行了理论上的改造（改进的 FNP 协议）；
- GPU支持：密文运算部分可用GPU并行；
- 模型扩展支持：支持模型灵活扩展，可使用Tensorflow、Pytorch开发DNN模型嵌入。
值得提到的是，除了基于同态加密方案，PowerFL还支持秘密分享和差分隐私（噪声扰动）等联邦神经网络隐私保护方案。
三、微视广告投放整体业务
DATA
我们团队的一个整体目的是迭代优化智能投放系统，我们从以下三点进行了发力：
1. 增长获客渠道
包含外渠采买、内软导流、自增长；其中，外渠采买实现形式上又可细分为 Marketing API 批量创建广告、RTA 人群定向、sDPA/mDPA 商品库、RTB 实时竞价等。
2. 增长素材形式
为了承接 Marketing API、RTA，持续优化广告创意；为了承接 RTB、sDPA/mDPA，优化原生广告内容；为了与自增长中的分享/收徒呼应，优化了补贴、红包、优惠券等策略或模型。
3. 增长技术
无论 RTA、RTB，核心都是优化用户与素材的精准匹配。我们针对素材、用户、两者的交互持续探索：
- 素材方面：包含制作、挖掘、理解、质量控制，比如：易出现负反馈内容的甄选、清晰度的识别与增强、素材的自动上下线与出价。#
- 用户方面：画像侧持续建设用户画像，如人群扩展（lookalike）、用户标签；运营侧借助 uplift、LTV 模型推进；体验侧追求拉承一体。
- 流量方面：广告投放决策核心即针对流量和成本的管理，于此发展一系列的策略；目前已尝试使用强化学习，来解决流量与成本的两难。
四、广告投放联邦学习架构
DATA
以下介绍联邦学习在微视广告投放框架中的角色：对 RTA 人群包的圈选。
1. 广告系统概览
首先，下图即为一个简单普适的广告系统：来自用户设备ID的广告请求，到达广告系统；通过广告召回、广告定向过滤 RTA、广告粗排、广告细排、广告下发，最后达成广告曝光。
2. RTA广告投放架构
然后，我们把其中 RTA 侧的框架放大。RTA 的目的为前置判断用户价值，执行人群定向、辅助分质出价。
- RTA 广告请求发起，用户设备ID到达实验平台；
- 通过渠道的分配策略与 ID Mapping 识别，把历史用户使用拉活策略承接、非历史用户使用拉新策略承接；
- 联邦学习决定的即是 RTA-DMP 侧，以人群包的方式导入DMP，进行人群定向与分层。
3. 联邦学习粗粒度框架
这里，我们介绍下联邦学习粗粒度框架：
- 微视侧提供用户ID、画像、Label，广告平台侧提供用户ID、画像；
- 安全样本对齐（Private Set Intersection，PSI）得到用户交集，开始联邦学习协作训练；
- 模型评估后，双方合作抽取全量用户特征导出，并对全量用户打分；
- 最后将结果返回 RTA-DMP。
第五部分我们将详细拆解。
五、建模实践和细节介绍
DATA
1. 先导工作
相比于拉活，拉新更迫切使用联邦学习，因为端内特征更加稀疏，许多用户仅有用户设备ID；所以，优先切入拉新，先导工作包含：
1.1 拟合目标：四任务模型
- 主任务：主启次留率，即T日拉新，T 1日主动打开微视APP留存的用户占比。
- 副任务：主启次留成本、有效新增成本、有效新增占比；其中，用户新增有效性已模型化，根据停留时间等行为，给出概率打分。
1.2 微视单侧数据探索与特征工程
- 样本与采样：样本量摸底，确定采样策略。
- 特征与模型：ID 类特征、行为序列特征；使用 DNN 模型。
- 制定与线上表现一致的离线指标：经探索，Group-AUC 是良好的离线指标，Group 即为用户分层。Group-AUC 与线上表现正相关，且较 AUC 更敏感。
2. 模型训练
做完准备工作，微视侧开始与广告平台侧进行联合联邦学习建模。
2.1 联邦模型训练迭代流程
（1）数据对齐：确定用于协作训练的公共样本集合{id}，有以下两种方式
- 明文：速度快，十亿与亿级别求交，仅需几分钟~十几分钟，但此种方法不安全，因两方只想确认公共集合部分，并不想泄露自己的补集；可使用信赖环境（TEE），在明文下保证安全。
- 密文：速度慢，较明文花费10倍以上时间，因涉及大量的加解密操作和碰撞；我们目前选用此策略，借助 自研PowerFL 平台实现。
（2）多方特征工程
- 纵向联邦学习：两侧特征独立，分而治之即可，比如：特征的标准化、补全。
- 横向联邦学习：部分统计量的获取，需要获得整个特征的全量分布，依然要使用联邦学习的通讯来解决数据同步。
（3）协同训练
- 确定计算环境、存储资源。
- 通讯信息（何种物理量承载，如梯度、embedding）。
（4）离线评估
（5）在线评估
2.2 基于 DNN 的联邦模型（FL-DNN）
微视侧与广告平台AMS侧共同训练多任务 DNN 模型，多任务结构从样本策略、修改损失函数等简单实现方式，演进到 MMoE ；工程上基于 Horovod 并行。
2.3 FL-DNN 模型参数的迭代过程
（1）初始化：A（host，AMS侧）、B（guest，微视侧）分别初始化各自网络（记为和）的参数、，交互层参数，记学习率为，记噪声为、、；
（2）前向传播：（表示同态加密）
- A侧计算：计算；加密得到（即为A侧输出的 embedding），将其发给B。
- B侧计算：同样进行 embedding 计算生成，为符号对称，记；接收，并计算，然后计算并发送给A。
- A侧接收,解密得到；计算并发送给B
- B侧接收,减去，得到。在交互网络下传播，得到，计算损失函数。
（3）反向传播
- B侧计算：损失函数对参数、求导，得到梯度、；计算，并发送给A。
- A侧接收并解密；计算,加密，将次两个量发送给B。
- B侧接收和；计算损失函数相对的梯度，并将发送给A。
- A侧接收并解密。
（4）梯度更新：A、B、I分别对梯度更新，完成一轮迭代：
此结构与召回、粗排常用的双塔看似相似，但实际上设计原则并不同。双塔结构常被诟病 embedding 交互时机过晚，所以有了许多改进版，比如 MVKE模型（腾讯），把 embedding 的交互时机提早。纵向联邦学习中，A侧的可以在第一层，甚至没有变化（即仅做特征加密）就交给B侧，如此原则上没有交互时机问题。
2.4 FL-DNN 模型参数迭代特殊情况：单侧特征
B（guest侧）在没有或特征太弱下，只能提供用户设备ID、label，上述参数迭代过程退化为没有的情况，读者可尝试写下参数更新过程。
实际中，因为数据量、特征覆盖度、求交损耗等问题，为保证 DNN 训练充分，以下两种情况叠加：
- B侧无特征：<id,label> <id, features>；
- B侧有特征：<id,label,features> <id, features>。
3. 在线服务
各参与方只能得到与自己相关的模型参数，预测时需要各方协作完成：
（1）发送请求：用户设备ID，分别触达A、B；
（2）embedding 计算
- A侧计算，加密；
- B侧计算；
（3）label 计算
- A侧将发给B侧；
- B侧计算label；
- B侧解密得到y。
4. 效果展示
在与腾讯广点通AMS的合作中，相对微视单独训练，联邦学习使得 Group-AUC 0.025；主目标与3个次目标都呈正相关且有提升。主要目标主启次留率（覆盖率折算后）提升 4.7PP。初版上线后各项指标均有显著提升，已发布全量。在迭代的第二版也取得了GAUC的显著提升，正在小流量实验。
下图则展示了主启次留成本的有效降低（橙色）：
5. 迭代中
5.1 拉新模型
推进与其他渠道的联邦协作，但团队无力在每个投放平台都维护一个联邦模型。初步尝试将与AMS平台联合训练的模型，放到在其他平台拉新。但因数据异构（样本分布偏差）等原因，此模型不如 base 模型（微视单侧）好；另各投放平台存在利益冲突，都希望广告主重点投放自家流量，因此，我们在尝试横向与纵向的结合：微视与广告平台是纵向，广告平台之间是横向，期望从三方联邦协作切入，目前正在迭代联邦迁移思路。
5.2 拉活模型
与AMS平台合作，联邦模型打通后，我们想复用到拉活模型上。因用户拉活是多目标、多兴趣、异行为序列的情形，我们将重心放在时效性与模型的创新上，进行了基于 MMoE-Mind-transformer 模型的探索。
5.3 迭代困难
（1）效率和稳定性
- 提升数据对齐速度：为提升密文求交速度，以哈希分桶做到简单的并行而加速。
- 压缩训练时间：增量训练做 finetune；与全量训练得到相似结果，时间少一半。
（2）可解释性和 debug 困难：联邦的双方都看不到对方原始数据，甚至有时双方还会隐藏各自的神经网络结构。这样的确保证数据的安全；但从迭代角度看，问题定位更难。
（3）多方联邦建模的困难
- 与多个合作广告平台联合建模，彼此有利益冲突，与 Google FedAvg 场景不同。
- 与其他事业部联合建模，如微信、搜索具强而有力的特征，但对方没有动机。
- 存在技术/网络稳定性/沟通成本。
六、Q&A
DATA
Q1. TEE（可信赖执行环境）在联邦学习任务中是必备的吗？什么场景下会基于TEE完成任务？当前介绍的项目是基于TEE计算的吗？
A1. 当前并无使用 TEE 环境，若使用 TEE 就可直接明文操作，无需大量加密操作；因 TEE 环境下保证即使明文操作，数据也是安全且对对方不可见；目前无论数据求交、模型训练（梯度、embedding）都是密文操作。
Q2. 联邦学习的第一步数据对齐，需要做映射表维护吗？
A2：无需维护映射表，因数十亿用户量加上特征，映射表数据量达到数百G级别，其实是一种资源的浪费；实际操作样本对齐时是按顺序操作，广告平台侧给的ID，是按约定从上往下的顺序，即无需再维护kv的映射关系。
Q3. Serving（在线服务）时，需要拿对方（广告平台）的特征，这块延时如何？
A3. Serving 的延时还是通讯带来的，广告平台在自己的机器上训练广告平台侧的模型，微视侧在自己的机器上训练微视侧的模型，最终交互时也是交互 embedding。
Q4. 所有情况下，B侧（guest侧）提供 label 都是必须的吗？
A4. B侧（guest侧，微视侧），因数据不出域不会提供 label 给对方，见“FL-DNN 模型参数的迭代过程”章节公式可知，梯度是在 B 侧计算完成，对方无法得知 label。
Q5. 使用联邦学习后 Group-AUC 增加 0.025，未使用联邦学习前的 Group-AUC 是多少？
A5. 数值没有太直接指导意义，不同场景下的样本定义、拟合目标改变即改变；原先从 0.70 级别，提到 0.72-0.73 级别。
Q6. 腾讯前段时间发的 MKVE 论文全名是？
A6. 2021-tencent-Mixture of Virtual-Kernel Experts for Multi-Objective User Profile Modeling。
Q7. FL-DNN 建模中需要第三方，如何信任第三方？
A7. 其实按去中心化的架构无需第三方，可由一系列的加解密操作的算法来承担。
Q8. 如果双方都是 TEE 的执行环境，网络中交换的数据都是明文的吗？
A8. 对，明文即可。
Q9. 联邦框架和RTA结合，是离线产出人群包，还是在线实时预估？
A9. 经探索，拉新侧的实时重要度并不高，是把离线人群包导入DMP，再给RTA对接；拉活侧因为想抓住用户短时间内的兴趣变化，有实时性的要求，目前正在研究。
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