我们可以把它想象成一个 “老师”和“学生” 协作学习的过程。

全局服务器 = “老师”
本地客户端 = “学生”

整个模型更新的过程遵循一个核心原则：“数据不动，模型动”。原始数据永远留在本地客户端，只有模型的参数（即模型的“知识”）在服务器和客户端之间流动。

下面我们以最经典、最常用的 联邦平均算法（Federated Averaging, FedAvg） 为例，分步拆解这个更新过程。

1、总体流程概览

整个过程是一个循环迭代的过程，每一轮通信（Communication Round）都包含以下四个核心步骤，如下图所示：

2、第一步：服务器端-初始化与广播（老师布置作业）

初始化：中央服务器会随机初始化一个全局模型，我们称之为 W_global（全局模型）。这就像一个刚毕业的新老师，脑子里有一套基础但还不精准的知识体系。
选择与广播：
- 在每一轮训练开始时，服务器会从所有可用的客户端（比如上百万部手机）中，随机选择一小部分（例如1000部）。这么做主要是为了效率，不可能每次都让所有人参与，不然会增加通信开销。
- 服务器将当前的全局模型 W_global 发送给这些被选中的客户端。
- 这就好比老师（服务器）把今天的教案（全局模型）发给了班上的一部分同学（客户端）。

3、第二步：客户端 - 本地模型更新（学生自己做功课）

收到全局模型的每个客户端，会开始执行本地训练：

加载数据：客户端从自己的本地存储中加载私有的训练数据（比如你手机上的照片、输入法记录）。
本地训练：
- 客户端用收到的 W_global 作为初始模型，用自己的本地数据进行训练，执行多次（比如10次）梯度下降（SGD）迭代。
- 训练完成后，客户端手上的模型参数更新了，我们称之为 W_local（本地参数）。
- 这就好比每个同学（客户端）都按照老师发的教案（W_global）自学，并结合自己的练习题（本地数据），总结出了一套自己的解题心得（W_local）。注意，每个同学的练习题都不一样，所以他们的心得也各有侧重（这个就设计到现实生活中的数据异构性，每个客户端的数据不一样，训练的参数也会不一样，甚至最后可能无法收敛，这过程中也会出现坏学生为了应付了事随便写的参数，或者伪造参数，就会导致最后模型的性能降低。当然也会有坏客户为了破坏模型性能，会选择伪造参数，窃取参数，也就需要对参数进行加密等操作）。
- 全局模型 = 一本不断再版的 “通用教材”
- 本地客户端 = 使用这本教材的 “学生”（每个学生都有自己的私人练习题）
- 联邦学习的过程 = 共同编写和修订这本教材的过程
计算更新：
- 客户端计算出本地模型与初始全局模型的差异（即更新量）：ΔW = W_local - W_global。有些实现也会直接上传整个 W_local。
- 关键： 客户端绝不会上传它的原始数据，只上传模型的“更新量”或“新参数”。这完美保护了隐私。

4、全局模型

每一轮训练，服务器都会收集一批客户端的“学习心得”（模型更新），然后把这些心得中最有价值的部分融合起来，更新到这本“教材”里。所以，全局模型是所有参与客户端集体智慧的结晶。
最终的产品与目标：
- 联邦学习的最终目标，就是要训练出这个高质量的全局模型。我们所有的工作——本地计算、通信、聚合——都是为了让它变得更好、更智能、更通用。
- 训练完成后，这个全局模型可以被部署到新设备上直接使用，或者作为基础模型供进一步微调。它就是整个项目的产出物。

5、服务器端 - 聚合更新（老师批改作业，汇总答案）

收集更新：服务器等待所有被选中的客户端上传它们的模型更新 ΔW₁, ΔW₂, ..., ΔW_k（或它们的新参数 W_local₁, W_local₂, ...）。
加权平均：
- 服务器不会简单地把所有更新一平均了事。它会做一个加权平均。
- 权重取决于每个客户端本地数据的数量。数据量越大的客户端，它的“话语权”就越大。
- 计算公式：
  新的全局模型：
  - 其中 n₁, n₂, ..., n_k 是每个客户端本地数据的样本数量。
- 这就好比老师（服务器）收上所有同学的作业（模型更新），发现有的同学做的题多（数据量大），有的做的题少。老师更相信做题多的同学的经验，于是给他们的答案更高的权重，最后汇总所有答案的优点，形成了一份全新的、更完善的教案（W_global_new）。
- 全局模型=一本不断再版的 “通用教材”
- 本地客户端=使用这本教材的 “学生”（每个学生都有自己的私人练习题）
- 联邦学习的过程 = 共同编写和修订这本教材的过程

6、循环迭代

服务器用这个更新后的 W_global_new 替换掉旧的全局模型。然后，整个过程重复第一步：选择新的一批客户端，广播新的全局模型，开始下一轮的学习。

如此循环往复，直到全局模型达到一个令人满意的精度或收敛为止。

7、全局模型与联邦训练之间的关联（“教材”与“编写过程”如何互动？）

全局模型既是联邦训练的“输入”，也是它的“输出”。这个“输入-处理-输出”的循环，构成了训练的完整闭环。

作为“输入” (Starting Point)：
- 在每一轮训练开始时，当前版本的全局模型（W_global^t）被分发给选中的客户端。
- 作用： 它确保了所有客户端是在同一个知识基础上进行学习和改进的。如果每个客户端都从自己的随机点开始，最终就无法将它们的知识融合到一起。
经历“处理” (Processing)：
- 客户端收到全局模型后，用它在本地的、私有的数据上进行学习。这个学习过程可以看作是对全局模型的一次 “检验”和“ refinement（精炼）” 。
- 检验： 模型在用户A的数据上可能表现好，在用户B的数据上表现差，这暴露了模型的不足和偏差。
- 精炼：每个客户端都会根据本地数据的特点，对模型进行微调，让它更适应自己的数据分布。这个过程相当于每个学生用私人练习题去验证和补充教材内容，并做了自己的笔记。
作为“输出” (Updated Product)：
- 服务器将客户端返回的更新（“学生们的笔记”）进行聚合（加权平均），生成一个新版本的全局模型（W_global^{t+1}）。
- 作用：新模型融合了更多样、更广泛的知识，理论上比旧模型更全面、性能更好、泛化能力更强。这就像老师汇总了所有学生的优秀笔记，修订出了教材的“第二版”。
- 这个新模型立即成为下一轮训练的输入，循环往复。

重点：

不能把全局模型想象成一个固定的“指挥官”。
要把它想象成一个不断进化、不断成长的“核心”。它从一张白纸（随机初始化）开始，通过不断地“听取”成千上万客户端的意见（聚合更新），吸收全世界的知识，最终成长为一个见多识广、能力强大的模型。

8、总结

步骤	执行者	动作	输入	输出	比喻
1. 广播	全局服务器	选择客户端并发送模型	当前全局模型 `W_global`	`W_global` (发送)	老师布置作业
2. 本地更新	本地客户端	本地训练	`W_global` + 本地数据	本地模型 `W_local`	学生自己做功课
3. 聚合	全局服务器	加权平均	所有客户端的 `W_local`	新全局模型 `W_global_new`	老师批改汇总
4. 循环					重复过程