“Herman随机令牌环展示另一种随机收敛目标:同步奇数环从任意比特状态让多令牌两两湮灭,最终以概率一剩一枚。它没有本页的异步共识提议和崩溃法定人数;相同的“概率一”措辞仍必须配合各自的转移、…”
形式陈述
Herman协议在没有特殊根的同步奇数环上实现随机自稳定。固定奇数n≥3,节点按0到n−1编号,每个节点保存一个比特x[i],读取自己与前驱的本轮旧值。若
本页采用“无令牌者保持比特”的表示:
每一同步轮,所有节点读取旧配置后同时更新:
若x[i] != x[i-1]:保持x[i]
若x[i] == x[i-1]:
独立掷公平硬币
以1/2概率翻转x[i],以1/2概率保持
各次硬币是相互独立的Bernoulli(1/2)选择。令牌节点翻位相当于把令牌传给后继,保持相当于留在原位;一个留下的令牌与前驱传来的令牌相遇时,两枚一起消失。合法集L为恰有一枚令牌的全部比特配置。
同步旧值与同时更新是定义的一部分。逐个更新数组却让后面的节点读取前面刚改的新值,不是这份协议。文献和工具中另有每轮对全部比特再取反的等价令牌表示,其非令牌节点会复制前驱;不能把两种位规则各抽一半组合。
直觉
环上的比特不直接表示令牌,相等边界才表示。沿闭环走一圈,比特改变次数必为偶数;n为奇数,因此相等边界数n减去偶数仍是奇数,至少为1。
每枚令牌独立选择留或向前一步。它们不会分裂,也不会凭空增加;相撞只删除两枚。因此令牌总数始终为正奇数,可能从5降到3再降到1,却不会降到0。
达到一枚令牌以后仍继续运行。它可暂留,也可前进,合法集保持闭包。所谓“稳定时间”是首次进入单令牌集合的时间,不是程序停止执行的时间。
例子与边界
五节点的两次同步更新
从x=00000开始,每个相邻比特都相同,令牌位于{0,1,2,3,4}。第一轮只让节点0翻位,其余令牌节点保持,得到10000;令牌位于{2,3,4}。原节点0的令牌前进到1,与1留下的令牌一起消失。
第二轮只有节点2、3、4掷币;让2翻位,3、4保持,无令牌的0、1保持旧位,得到10100。此时只有节点4与其前驱3的比特相等,剩下一枚令牌。
第一轮指定结果概率为
三节点可以把期望完整算出
三比特环只有000和111含三枚令牌,其余六个配置都含一枚。在000或111中,三节点本轮都独立随机选择保持或翻位,八个新配置等概率。因此一轮以6/8=3/4的概率稳定,以2/8=1/4的概率仍留在三令牌集合。
令T为从000开始首次稳定所需轮数,则
所以对任意有限t,仍有正概率尚未稳定,没有固定最坏轮数;但永不稳定的概率为
一般奇数环为何概率一收敛
从任意多令牌配置,选择沿前进方向相邻的两枚令牌,让前一枚持续前进,后一枚及其他令牌保持。至多n轮,两枚就相遇湮灭;这个有限硬币安排具有正概率。重复至多(n−1)/2次,可到单令牌配置。
更定量地,取
利用新硬币的独立性和马尔可夫链的逐段条件概率,可得
右侧随k趋于0,证明概率一稳定,并给有限期望的粗界。它不是高效的O(n²)分析;更精细的令牌间距势函数与碰撞计算属于后续研究。
推论与应用
每节点每轮只读一个前驱比特,执行常数次局部操作,并在持令牌时取一个随机位;输出存储整网为n位。通信在这里是同步邻居读取模型,若用消息模拟每轮读,则还要支付同步与可靠通信的实现成本。
奇数前提不能省。偶数环的0101…有零枚令牌,所有节点按本页规则永久保持,无法恢复成唯一令牌。类似地,若各节点使用同一枚共享硬币,所有相同比特可能永远一起翻或一起不翻,多个令牌就一直保留;独立随机性不是可替换的装饰。
单令牌合法阶段不静默,但以概率一会不断向前并访问每个节点。指定令牌永远不前进的硬币序列存在,却概率为0。故应把确定性闭包、概率一收敛、期望时间和概率一轮转分别陈述,而不是统称“随机所以公平”。
单元终点把确定性Dijkstra环与本页并排:前者有特殊根、中央逐步调度,后者无特殊根、同步独立硬币。比较的首先是模型与量词,再是位数和恢复速度。
参考资料
- Stefan Kiefer, Andrzej S. Murawski, Joël Ouaknine, James Worrell and Lijun Zhang, “On Stabilization in Herman’s Algorithm”, ICALP, 2011,§2:奇数环、相同比特令牌表示、非令牌保持与两两湮灭
- Ted Herman, “Probabilistic Self-Stabilization,” Information Processing Letters 35(2), 1990, 63–67,原始协议;本页不引用后续文献某一版本的最优常数作为已证明结论
- PRISM项目,Randomised Self-Stabilising Algorithms,工具的等价令牌模型与全初态检查;其位更新约定与本页区分,本文未声称运行PRISM