形式陈述 ​
参与者、输入与信道 ​
多方问题由函数
和输入可见性规则共同给出。协议还要固定通信拓扑:blackboard 模型中每条消息对所有人可见;message-passing 模型按点对点边发送;coordinator 模型让玩家只与中心通信。相同输入分割在三种拓扑下可有不同总成本。
通信通常按所有实际发送 bit 的总和计,也可研究最大单玩家负载、轮数或每条链路拥塞。玩家数
协议还要指定谁输出以及终止条件。Blackboard transcript 可让所有玩家读出公开叶标签;coordinator-only 输出则可能省去把答案广播回各节点的成本。
若玩家可中途掉线或输入异步到达,那会加入容错与调度语义,不属于标准多方通信定义。这里默认参与者集合和发言顺序按协议共同已知。
随机性需声明为全局 public coin、各玩家 private coins,还是部分共享。错误量词仍是先固定完整输入元组,再对协议随机性取概率。
Number-in-hand ​
在 number-in-hand(NIH)模型中,玩家
Number-on-forehead ​
在 number-on-forehead(NOF)模型中,输入仍分成
直觉
两方模型只需回答“谁知道哪一半”,多方模型还必须描述知识怎样重叠、消息怎样扩散。Blackboard 上的一 bit 像写在公共白板上,所有人同时获得;点对点网络中的同一事实却可能需要沿多条边复制。输入完全相同,换一张通信图就可能改变总成本与瓶颈玩家。
NIH 与 NOF 则改变了通信开始前的知识缺口。NIH 每位玩家只握住自己的拼图,NOF 每位玩家恰好缺一块却看到其余全部。后者的大量重叠有时能让少数消息补齐共同答案,但这种优势取决于函数如何使用各输入块,不能脱离具体编码比较。
例子与边界
Parity 的 NIH 与 NOF 执行 ​
在 NIH 中,
对三位 NOF 玩家,玩家 1 看到
多方Set Disjointness ​
在 NIH 版本中,每位玩家持有
朴素 blackboard 协议让每位玩家写出
另一些文献把“集合不交”定义为任意两个集合都不相交,或让宇宙元素按玩家分块;这些任务的 yes/no 结构不同。引用多方 Disjointness 下界前,必须写清是共同交集为空还是 pairwise disjoint。
失败边界 ​
Blackboard 的一 bit 被所有人同时看见,点对点网络中向
轮数也会改变能力。Simultaneous 模型每位玩家只向 referee 发一次消息,多方交互则允许根据早期消息协调;二者都叫 multiparty,却不能共用未注明轮数的复杂度。
最后,NOF 玩家看见“其他全部输入”不等于有一个中央 referee 看见全部输入。每个玩家仍缺一块,不同缺口如何交叠正是模型结构。
推论与应用
与两方归约 ​
把
反方向把两方输入复制给许多玩家,可能产生额外共享信息,不能默认保持困难。有效归约需要逐玩家列出视野,并证明模拟不让任何一方看到原模型中不可见的数据。
多方通信下界常被转译为分布式监控、并行查询与流式空间下界。转译时除了总 bit,还要保留玩家数、拓扑、轮数、每方输入分布与输出位置;遗漏其中一项,就可能把 blackboard 的共享优势或 coordinator 的中心知识误带入目标系统。
参考资料
- László Babai, Noam Nisan, and Mario Szegedy, “Multiparty Protocols, Pseudorandom Generators for Logspace, and Time-Space Trade-Offs,” Journal of Computer and System Sciences 45(2), 1992, pp. 204–232.
- Eyal Kushilevitz and Noam Nisan, Communication Complexity, Cambridge University Press, 1997, Chapter 6.
- David P. Woodruff and Qin Zhang, “When Distributed Computation Is Communication Expensive,” Distributed Computing 30, 2017, pp. 309–323.