ALGOREP : Leader Election

Les slides du cours

Leader Election in a Synchronous Ring

Problem statement

• The netwok digraph is a ring with
  $n$ nodes
• All processes are identical
• Each process can only communicate with clockwise neighbors and counterclockwise neighbors

One process outputs "I'm the leader" while the other process output "I'm note the leader"

Si tu prend 2 robots identiques, ils divergent lors de la connexion au reseau

Impossibility Result for Identical Processes

Theorem
Let

$S$ be a system of

$n$ processes,

$n>1$, arranged in a bidirectionnal ring. If all the processes are identical then

$S$ does not solve the leader-election problem.

Sketch of proof

1. Suppose there is a system
   $S$ that solves this problem
2. Without loss of generality, we can assume that each process of
   $S$ have a unique initial state.
3. By induction on the number
   $r$ of rounds, all the processes are in identical states immediately after
   $r$ rounds.
4. Then if a process reaches a state where it considers to be the leader, all the other processes do so.
5. But this violates the uniqueness requirement

Problem Statement

$Revisited$

• The network digraph is a ring with
  $n$ nodes
• All processes are identical
  $\text{except for a UID}$
• Each process can only communicate with clockwise neighbour and counterclockwise neighbour

Propositions:

• Envoyer un message disant "Je suis peut-etre leader"
  • Mais beaucoup de messages
• Anneau unidirectionnel

LCR Algorithm

1. Chaque processus envoie son UID
2. Quand il recoit un UID, il le compare avec le sien
   • Si l'UID est plus grand, il l'envoie a son voisin
   • Sinon discard

$n$ machines =

$n$ rounds

Complexity

• Meilleur cas:
  $O(n)$ messages
• Pire cas:
  $O(n^2)$ messages

Quand un noeud est elu,

$n$ rounds et

$n$ messages sont necessaires

HS Algorithm (comparison-based)

• Bidirectionnal Ring
• The size of the ring is unknown
• Comparison-based algo
• $\text{It elects the process with the maximum UID}$

Algorithm

1. On a des phases de process
   $i$
2. Dans chaque phase
   $l$
   • Process
     $i$ send out tokens containings its
     $UI{D}_i$ in both directions
   • Tokens travel distance
     $2^l$ and return to their origin
     $i$
   • When a process
     $i$ receive a token
     $t$ containing
     $UID$
     $t_{uid}$
     • if
       $t_{uid}$
       $<$
       $UI{D}_i$ then the token is discarded
     • if
       $t_{uid}$
       $>$
       $UI{D}_i$ then the process
       $i$ relays the token
     • if
       $t_{uid}$
       $=$
       $UI{D}_i$ then the process is the leader
   • If both tokens come back safely, process
     $i$ starts a new phase
   • Otherwise the process considers itself as a non-leader

Communication Complexity

1. Phase 0: tout le monde envoie un message a gauche et a droite et recoit un message des 2 cotes
   • On envoit 4 messages par noeud:
     $4\times n$ messages
2. Phase
   $l$: On a survecu a la phase
   $l-1$, il y a
   $2^{l-1}+1$ qui sont morts autour de moi, il y a
   $\lfloor \frac{n}{2^{l-1}+1}\rfloor$ process qui envoient un messgae a cette phase. Le nombre de message est
   $4\times 2^l\lfloor \frac{n}{2^{n-1}+1}\rfloor \le 8n$

How many phases are executed before a leader is elected ?

$$1+\lceil \log n\rceil$$

The number of messages is at most

$8n(1+\lceil \log n\rceil )$

Time Complexity

• The time complexity for phase
  $l$ is
  $2^{l+1}$
  • $\text{The complexity of all but the final phase is }2\times 2^{\log n}$
• In the final phase takes
  $n$ since tokens only travels outbound
• The final complexity is at most
  $3n$ (if
  $n$ is power of
  $2$)
  $5n$ otherwise.

Summary

$O(n)$

$O(n\log n)$

TimeSlice Algorithm

Lower Bounds

Comparison-based
The best case is

$\mathrm{\Omega }(n\log n)$ messages.

Non-Comparison-based

$O(n)$ messages can be reached but only at the cost of large time complexity (Ramsey Theorem).

Leader Election in other

Flooding Algorithm

Breadth-First Search

We want to build the directed spanning tree for the network

Example

Children pointers

Leader Election

Minimum Spanning Trees

Comment est-ce qu'on construit un arbre courant en sequentiel ?

"On enfile des noeuds" (mais c'est un BFS ca)

Problem Statement

How to find the minimum/maximum spanning tree ?

A minimum-weight spanning tree minimizes the total cost for any source process to communicate with all the other process in the network

$\text{Let us assume that }n\text{ is known}$

Est-ce qu'on a besoin d'un leader ?

Minorite de oui: on aurait besoin de quelqu'un qui synchro tou, mais c'est trop sequentiel
Majorite de non

On peut synchroniser avec les process avec les rounds

Imaginons que Mael est un process, qu'il a un lien avec Etienne et tout le monde
Imaginons qu'on peut ponderer les liens (Etienne

$\leftrightarrow$Mael

$=$ fibre, les autres wifi)
Imaginons que quelqu'un a une connexion encore plus rapide avec Mael
Comment est-ce qu'on se met d'accord ?

$1^{ere}$ suggestion: tableau de booleens pour savoir qui se co a qui

$\Rightarrow$ Mais qui stock le tableau ?

$2^{eme}$ suggestion: tout le monde a le tableau de boolens

$\Rightarrow$ infernal de synchro tout le monde

Reprenons naivement:
2 process s'envoient des messages mutuellement, le composant est cree
Maintenant il faut elire un chef
Si tous les process sont synchro par 2, maintenant on peut synchroniser 2 paires
On continue jusqu'a synchro tous les composants

Avec cette strategie, on aura un temps de propagation plus long pour un message (2 messages au lieu de 1)

2 interets:

1. Le BFS est complique a faire, on lancais
   $n$ BFS
   • Beaucoup de messages sequentiels en parallele
2. Maximiser le fait qu'on soit en distribue

Qu'est-ce qu'on va faire apparaitre avec cette methode ?

Du

$\log$ car on divise par 2 a chaque fois

Comment faire pour savoir les liens d'un composant avec le reste du monde ?

Quand on creer une paire, les process peuvent echanger leurs listes de voisins
On peut faire une phase de flooding dans le composant

Comment ca genere un arbre courant ?

2 process creent un arbre courant entre eux
On rajoute une paire, on a un arbre courant a 4
etc.

Ou est-ce que l'arbre courant va etre stocke ?

Chacun va avoir une vision locale

Si jamais un composant a 2 voisins avec le meme degre minimal, comment faire ?

Si ce composant ne repond pas a un des 2 voisins dans le temps imparti, c'est qu'il s'est mis avec l'autre

Avec cette methode, on perd les performance de notre systeme

On a un composant qui peut faire des aggregations simultanees pour avoir des performances resonnables

Complexity

• Time:
  $O(n\log n)$
• Communication:
  $O((n+|E|)\times \log (n))$
  • $O(n)$ messages sent per level

Remarks

Non-unique edge weight
We can define a lexicographic order using UID of processes

Leader election
When building the MST a leader is elected naturally !