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模型Model

有损信道系统

Lossy channel system

用有限控制加无界 FIFO 字串建模有损通信,以子词顺序证明兼容性,并划清丢失、可靠性与概率保证。

形式陈述 ​

有损信道系统由有限控制状态、有限消息字母表和有限条无界 FIFO 信道组成。配置 (q,w1,…,wk) 中,wi 是当前队列字串。可靠操作包括向队尾发送 a、从队首接收 a,以及内部控制操作;它们给出一个标号转移系统。

有损语义允许在可靠操作前后任意删除消息,保留剩余消息的顺序。用 u⊑v 表示散布子词,定义一步

(q,w→)⇒(q′,v→)

当且仅当可先从 w→ 删到 u→,执行一次可靠操作得到 z→,再从 z→ 删到 v→。本页把前后丢失并入一步,不为丢失指定概率。[1]

直觉

消息可以消失,却不能凭空插入、复制或重新排序。这个错误模型扩大了系统可能行为:可靠执行仍然允许,但还要考虑所有丢失模式。一个协议在此模型下安全,才经受了任意丢包的考验。

丢失会使某些任务更难完成,却让某些验证问题更容易决定,因为它允许大队列先删成小队列,再模仿小队列的动作。

例子与边界

接收队首和删除中间消息不同 ​

假设控制边要求接收 b。可靠队列 ab 的队首为 a,因此不能执行;有损语义可以先删除 a,留下 b,然后接收成功,队列变空。

对队列 abac,一次丢失可得到 ac、bac 或空串,但不能得到 ca,因为顺序不允许改变,也不能得到 aaac,因为不能复制消息。

子词顺序怎样给单调性 ​

规定两个配置可比时控制状态相同,且各信道逐项满足子词关系。Higman 引理保证有限字母表字串是 wqo,有限乘积和有限控制并合后仍为 wqo。

若小队列配置 s 能执行一步,而 s⪯t,大队列 t 可以先删去额外消息得到 s,再复制其前置丢失、可靠操作和后置丢失,甚至到达与 s 完全相同的后继。因此它在上述子词顺序下构成强兼容的良结构转移系统。

可靠 FIFO 系统没有这项模拟能力:小队列 b 能接收 b,更大的 ab 虽包含它为子词,却被队首 a 阻塞。这说明可判定性变化来自丢失语义与顺序的配合,不只是信道长度无界。

控制状态错误如何变成覆盖 ​

设错误控制状态为 qbad。所有信道均为空的配置 (qbad,ε,…,ε) 的向上闭包,恰为所有处于错误控制状态的配置。因此控制状态可达性是一个覆盖问题。

给定有限基,可按有限条发送、接收规则计算最小前驱;再调用 后向覆盖算法。例如接收 a 后至少保留子词 v,所需最小输入队列为 av;发送 a 的前驱则要区分目标子词是否使用了新加的最后一个 a,两种情况取有限并再最小化。

推论与应用

有限控制有损信道的覆盖/控制状态可达性可判定,但最坏复杂度极高。不能由 Higman 引理直接推出多项式甚至初等复杂度,也不能把同一结论转给可靠无界 FIFO 通信系统。[1,2]

本模型不承诺每条消息最终送达。若所有重传都可以丢失,协议可能永远收不到确认;证明活性需要另给公平性、限制丢失或概率模型。给丢包概率并问“几乎必然完成”,已经是在研究概率信道系统,不是本页的非确定语义。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 3 类关系

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