含间谍节点的分布式随机排序问题的泄密概率

最近在做各种区块链方案、架构和算法的设计,这个问题就是其中之一。

问题本身是这样的:

全网有D个节点,1到N这N个数字。D个节点中有b个间谍节点,会将数据泄露出去。现在,将数据分成m份,每份都是连续数字段,保存在D个节点中的m个上,这m个节点被称为记录节点,且尽可能平均地保存这些数字段。然后建立这N份数据的索引,从而可以通过索引值到某个记录节点来读取数据。现在的问题是:当m为多少时,间谍节点通过自己掌握的数据来猜出全网数据的可能最小?

事先没人知道间谍节点是哪些,只知道有b个节点是间谍节点。而记录节点是通过算法选出的,可以避免拜占庭节点——从而我们可以认为所有D个节点都是非拜占庭节点,但算法本身无法找出哪些是间谍节点,直到消息泄露之后才有可能知道。

而题中所提到的索引,会为全网节点建立一个排序,从而将每个记录节点及其上的数字段对应起来,只不过每个记录节点会为数字段做一个随机排序。索引是每个节点都可以获取的全网公开数据。

而所谓泄密,就是对于网络之外的节点,如果发现有人想网络查询序号i,它可以不通过网络来知道i对应的数字是哪一个,那么就称它泄密了。

这是一个很常见的组合数学问题,可以应用在各种场合和领域。

首先,很显然地,如果m=1,所有数据保存在唯一一个记录节点上,那么就有b/D的概率这个节点是间谍节点,因此泄密的可能就是b/D。而如果m=D,且N<=D,那么由于索引的存在,每个节点中所保存的数字可以直接通过索引读出来,因此泄密的可能是100%。

对于记录节点,假定其上保存了x个数字,那么如果它是间谍节点,那么这x个数字泄密的概率是100%,毫无疑问。而如果它不是间谍节点,那么泄密的概率就是1/x!

这样,对于D个节点、N个数字、b个间谍节点、m个记录节点,且记录节点中有i个间谍节点的情况,就可以很快地写出泄密概率:

这里将阶乘改写为Γ函数,是为了计算方便,因为如果m个节点尽可能平均地记录数字的话,那大多数情况下记录的数字量会有一个差异,但方便计算的话可以使用分数的Γ函数。

全网D个节点中有b个间谍节点而m个记录节点中有i个间谍节点的可能性为:

因此D个节点、N个数字、b个间谍节点、m个记录节点的情况下,泄密概率为:

所以现在问题就是找出令函数P(N,D,b,m)在N、D、b确定时为最小值的m,从而也就是令其分子为最小值的m。

N/m足够大的时候,我们可以使用P(N,D,b,m)分子的求和部分在N、D、b、m确定时的最大项来代表P(N,D,b,m),这样问题就变成了找出这个代表函数的最小值的问题。

先来找出这个求和部分的最大项:

因此,当m>b时i差不多可以取b,而当b>m时i差不多可以取m,即:

对于b>=m的情况,很显然当m=b时达到最大值。而对于m>b的情况会比较复杂(用斯特林公式改写Γ函数):

通过各种简化手段,最后可得近似关系:

我们取一个特殊函数an,满足:

该函数在实数域内的定义域是不大于1/e的实数,且在大于0的部分是双值的。现在,我们就有下面的结果:

回到我们的问题中,就有:

通过模拟可以发现,实际情况比上述计算值略大一点。

当要求不是很高的时候,我们可以进一步近似:

从模拟结果来看,这个近似结果符合得很不错。

事实上如果再放低要求的话,还可以进一步简化:

这个近似虽然误差非常大,但做定性分析的时候足够了。

至此,这个问题就差不多解决了,使用结果(2)就可以得到相当好的近似。

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