We study the distributed minimum spanning tree (MST) problem, a fundamental problem in distributed computing. It is well-known that distributed MST can be solved in $\tilde{O}(D+\sqrt{n})$ rounds in the standard CONGEST model (where $n$ is the network size and $D$ is the network diameter) and this is essentially the best possible round complexity (up to logarithmic factors). However, in resource-constrained networks such as ad hoc wireless and sensor networks, nodes spending so much time can lead to significant spending of resources such as energy. Motivated by the above consideration, we study distributed algorithms for MST under the \emph{sleeping model} [Chatterjee et al., PODC 2020], a model for design and analysis of resource-efficient distributed algorithms. In the sleeping model, a node can be in one of two modes in any round -- \emph{sleeping} or \emph{awake} (unlike the traditional model where nodes are always awake). Only the rounds in which a node is \emph{awake} are counted, while \emph{sleeping} rounds are ignored. A node spends resources only in the awake rounds and hence the main goal is to minimize the \emph{awake complexity} of a distributed algorithm, the worst-case number of rounds any node is awake. We present deterministic and randomized distributed MST algorithms that have an \emph{optimal} awake complexity of $O(\log n)$ time with a matching lower bound. We also show that our randomized awake-optimal algorithm has essentially the best possible round complexity by presenting a lower bound of $\tilde{\Omega}(n)$ on the product of the awake and round complexity of any distributed algorithm (including randomized) that outputs an MST. To complement our trade-off lower bound, we present a parameterized family of distributed algorithms that gives an essentially optimal trade-off between the awake complexity and the round complexity.


翻译:我们研究分布式最小生成树(MST)问题,这是分布式计算中的基本问题。众所周知,在标准CONGEST模型下,分布式MST可在$\tilde{O}(D+\sqrt{n})$轮内求解(其中$n$为网络规模,$D$为网络直径),这本质上是(对数因子范围内的)最优轮复杂度。然而,在自组织无线网络和传感器网络等资源受限网络中,节点消耗如此多时间可能导致能量等资源的显著消耗。受上述考量启发,我们研究基于"休眠模型"[Chatterjee等人,PODC 2020]的MST分布式算法,该模型专为资源高效型分布式算法的设计与分析而提出。在休眠模型中,节点每轮可处于两种模式之一——"休眠"或"清醒"(传统模型要求节点始终处于清醒状态)。仅统计节点处于"清醒"状态的轮次,而"休眠"轮次则被忽略。节点仅在清醒轮次消耗资源,因此主要目标是使分布式算法的"清醒复杂度"——即任意节点处于清醒状态的最坏情况轮次数——最小化。我们提出了确定性与随机化两类分布式MST算法,其"最优"清醒复杂度达到$O(\log n)$时间,并给出了匹配的下界。通过证明任何输出MST的分布式算法(包含随机化算法)的清醒复杂度与轮复杂度之积的下界为$\tilde{\Omega}(n)$,我们进一步表明随机化清醒最优算法具有本质最优的轮复杂度。为补充此权衡下界,我们提出参数化族分布式算法,实现了清醒复杂度与轮复杂度之间的本质最优权衡。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ICDM2022教程】多目标优化与推荐,173页ppt
专知会员服务
47+阅读 · 2022年12月24日
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | CFP:Special Issue of NLP and KG(JCR Q2,IF2.67)
开放知识图谱
1+阅读 · 2022年4月4日
VCIP 2022 Call for Special Session Proposals
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年4月1日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年3月23日
Arxiv
38+阅读 · 2021年8月31日
Arxiv
19+阅读 · 2020年7月13日
VIP会员
最新内容
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
美国从乌克兰无人机战争中学习经验
专知会员服务
7+阅读 · 6月21日
ICML 2026 | 面向视觉语言模型的语义鲁棒性认证
专知会员服务
5+阅读 · 6月21日
相关VIP内容
【ICDM2022教程】多目标优化与推荐,173页ppt
专知会员服务
47+阅读 · 2022年12月24日
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | CFP:Special Issue of NLP and KG(JCR Q2,IF2.67)
开放知识图谱
1+阅读 · 2022年4月4日
VCIP 2022 Call for Special Session Proposals
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年4月1日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员