Local certification in distributed computing: error-sensitivity, uniformity, redundancy, and interactivity
Certification locale en calcul distribué : sensibilité aux erreurs, uniformité, redondance et interactivité
Abstract
This dissertation is about local certification, a central topic in distributed decision,
a subfield of distributed computing. The distributed decision mechanism consists, for
the nodes of a network, in deciding in a distributed manner whether the network is
in a proper configuration or not, with respect to some fixed predicate. This decision
is said to be local because the nodes of the network can communicate only with their
neighbours. After communication, every node outputs a decision, stating whether the
network is locally correct, that is, correct given the partial information gathered so
far by this node. The network is declared to be globally correct, if and only if, it is
declared to be locally correct by every node.
Most predicates cannot be verified by this type of computation, due to the loc-
ality constraint. Local certification is a mechanism that enables to circumvent this
difficulty, and to check any property. It consists in providing the nodes of the network
with labels, called certificates, that can be verified locally by a distributed algorithm.
A local certification scheme is correct if only the networks that satisfy the predicate
can be certified. In addition to its theoretical appeal, as a form of distributed non-
determinism, the concept of local certification is especially relevant in the study of
fault-tolerant distributed algorithms, where a key step consists in checking the status
of the network, based on information stored at the nodes.
This dissertation deals with four aspects of local certification: error-sensitivity,
uniformity, redundancy, and interactivity. The study of these four topics is motivated
by the same essential question: How to reduce the resources needed for certification,
and/or ensure a better fault-tolerance? In order to tackle this question we have to
understand fundamental properties of certification. In particular, in this dissertation
we answer questions such as: How redundant the certificates need to be for a proper
certification? Are the classic certification protocols robust to a strengthening of the
acceptance condition? and, How does introducing interactivity in the process changes
the complexity of certification?
Cette thèse porte sur la notion de certification locale, un sujet central en décision
distribuée, un domaine du calcul distribué. Le mécanisme de la décision distribuée
consiste, pour les nœuds d’un réseau, à décider de manière distribuée si le réseau est
dans une configuration correcte ou non, selon un certain prédicat. Cette décision est
dite locale, car les nœuds du réseau ne peuvent communiquer qu’avec leurs voisins.
Après avoir communiqué, chaque nœud prend une décision, exprimant si le réseau
est correct ou non localement, c’est-à-dire correct étant donné l’information partielle
récoltée jusque-là. Le réseau est déclaré correct globalement s’il est déclaré correct
localement par tous les nœuds.
Du fait de la contrainte de localité, peu de prédicats peuvent être vérifiés de cette
manière. La certification locale est un moyen de contourner cette difficulté, et permet
de décider tous les prédicats. C’est un mécanisme qui consiste à étiqueter les nœuds
du réseau avec ce que l’on appelle des certificats, qui peuvent être vérifiés localement
par un algorithme distribué. Un schéma de certification locale est correct si seuls les
réseaux dans une configuration correcte peuvent être certifiés. L’idée de la certification
locale est non seulement séduisante d’un point de vue théorique, comme une forme de
non-déterminisme distribué, mais c’est surtout un concept très utile pour l’étude des
algorithmes tolérants aux pannes, où une étape-clé consiste à vérifier l’état du réseau
en se basant sur des informations stockées par les nœuds.
Cette thèse porte sur quatre aspects de la certification locale : la sensibilité aux
erreurs, l’uniformité, la redondance et l’interactivité. L’étude de ces quatre sujets est
motivée par une question essentielle : comment réduire les ressources nécessaires à la
certification et/ou permettre une meilleure tolérance aux pannes? Pour aborder cette
question, il est nécessaire de comprendre le mécanisme de certification en profondeur.
Dans cette optique, dans cette thèse, nous apportons des réponses aux questions
suivantes. À quel point les certificats doivent-ils être redondants, pour assurer une
certification correcte? Les schémas de certification classiques sont-ils robustes à un
changement de la condition de correction? Le fait d’introduire de l’interactivité dans
le processus change-t-il la complexité de la certification?
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