Multi-hop Byzantine reliable broadcast with honest dealer made practical

We revisit Byzantine tolerant reliable broadcast with honest dealer algorithms in multi-hop networks. To tolerate Byzantine faulty nodes arbitrarily spread over the network, previous solutions require a factorial number of messages to be sent over the network if the messages are not authenticated (e.g., digital signatures are not available). We propose modifications that preserve the safety and liveness properties of the original unauthenticated protocols, while highly decreasing their observed message complexity when simulated on several classes of graph topologies, potentially opening to their employment

Phase Transition of the 2-Choices Dynamics on Core-Periphery Networks

Consider the following process on a network: Each agent initially holds either opinion blue or red; then, in each round, each agent looks at two random neighbors and, if the two have the same opinion, the agent adopts it. This process is known as the 2-Choices dynamics and is arguably the most basic non-trivial opinion dynamics modeling voting behavior on social networks. Despite its apparent simplicity, 2-Choices has been analytically characterized only on networks with a strong expansion property -- under assumptions on the initial configuration that establish it as a fast majority consensus protocol. In this work, we aim at contributing to the understanding of the 2-Choices dynamics by considering its behavior on a class of networks with core-periphery structure, a well-known topological assumption in social networks. In a nutshell, assume that a densely-connected subset of agents, the core, holds a different opinion from the rest of the network, the periphery. Then, depending on the strength of the cut between the core and the periphery, a phase-transition phenomenon occurs: Either the core's opinion rapidly spreads among the rest of the network, or a metastability phase takes place, in which both opinions coexist in the network for superpolynomial time. The interest of our result is twofold. On the one hand, by looking at the 2-Choices dynamics as a simplistic model of competition among opinions in social networks, our theorem sheds light on the influence of the core on the rest of the network, as a function of the core's connectivity towards the latter. On the other hand, to the best of our knowledge, we provide the first analytical result which shows a heterogeneous behavior of a simple dynamics as a function of structural parameters of the network. Finally, we validate our theoretical predictions with extensive experiments on real networks

Graph Theory

This was a workshop on graph theory, with a comprehensive approach. Highlights included the emerging theories of sparse graph limits and of infinite matroids, new techniques for colouring graphs on surfaces, and extensions of graph minor theory to directed graphs and to immersion

Property testing of graphs and the role of neighborhood distributions

Property testing considers decision problems in the regime of sublinear complexity. Most classical decision problems require at least linear time complexity in order to read the whole input. Hence, decision problems are relaxed by introducing a gap between “yes” and “no” instances: A property tester for a property Π (e. g., planarity) is a randomized algorithm with constant error probability that accepts objects that have Π (planar graphs) and that rejects objects that have linear edit distance to any object from Π (graphs with a linear number of crossing edges in every planar embedding). For property testers, locality is a natural and crucial concept because they cannot obtain a global view of their input. In this thesis, we investigate property testing in graphs and how testers leverage the information contained in the neighborhoods of randomly sampled vertices: We provide some structural insights regarding properties with constant testing complexity in graphs with bounded (maximum vertex) degree and a connection between testers with constant complexity for general graphs and testers with logarithmic space complexity for random-order streams. We also present testers for some minor-freeness properties and a tester for conductance in the distributed CONGEST model

Tractable reliable communication in compromised networks

Reliable communication is a fundamental primitive in distributed systems prone to Byzantine (i.e. arbitrary, and possibly malicious) failures to guarantee the integrity, delivery, and authorship of the messages exchanged between processes. Its practical adoption strongly depends on the system assumptions. Several solutions have been proposed so far in the literature implementing such a primitive, but some lack in scalability and/or demand topological network conditions computationally hard to be verified. This thesis aims to investigate and address some of the open problems and challenges implementing such a communication primitive. Specifically, we analyze how a reliable communication primitive can be implemented in 1) a static distributed system where a subset of processes is compromised, 2) a dynamic distributed system where part of the processes is Byzantine faulty, and 3) a static distributed system where every process can be compromised and recover. We define several more efficient protocols and we characterize alternative network conditions guaranteeing their correctness

Proceedings of the 26th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS'09)

The Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS) is held alternately in France and in Germany. The conference of February 26-28, 2009, held in Freiburg, is the 26th in this series. Previous meetings took place in Paris (1984), Saarbr¨ucken (1985), Orsay (1986), Passau (1987), Bordeaux (1988), Paderborn (1989), Rouen (1990), Hamburg (1991), Cachan (1992), W¨urzburg (1993), Caen (1994), M¨unchen (1995), Grenoble (1996), L¨ubeck (1997), Paris (1998), Trier (1999), Lille (2000), Dresden (2001), Antibes (2002), Berlin (2003), Montpellier (2004), Stuttgart (2005), Marseille (2006), Aachen (2007), and Bordeaux (2008). ..

Impact of Symmetries in Graph Clustering

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der durch die Automorphismusgruppe definierten Symmetrie von Graphen und wie sich diese auf eine Knotenpartition, als Ergebnis von Graphenclustering, auswirkt. Durch eine Analyse von nahezu 1700 Graphen aus verschiedenen Anwendungsbereichen kann gezeigt werden, dass mehr als 70 % dieser Graphen Symmetrien enthalten. Dies bildet einen Gegensatz zum kombinatorischen Beweis, der besagt, dass die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Graphen symmetrisch zu sein bei zunehmender Größe gegen Null geht. Das Ergebnis rechtfertigt damit die Wichtigkeit weiterer Untersuchungen, die auf mögliche Auswirkungen der Symmetrie eingehen. Bei der Analyse werden sowohl sehr kleine Graphen (10 000 000 Knoten/>25 000 000 Kanten) berücksichtigt. Weiterhin wird ein theoretisches Rahmenwerk geschaffen, das zum einen die detaillierte Quantifizierung von Graphensymmetrie erlaubt und zum anderen Stabilität von Knotenpartitionen hinsichtlich dieser Symmetrie formalisiert. Eine Partition der Knotenmenge, die durch die Aufteilung in disjunkte Teilmengen definiert ist, wird dann als stabil angesehen, wenn keine Knoten symmetriebedingt von der einen in die andere Teilmenge abgebildet werden und dadurch die Partition verändert wird. Zudem wird definiert, wie eine mögliche Zerlegbarkeit der Automorphismusgruppe in unabhängige Untergruppen als lokale Symmetrie interpretiert werden kann, die dann nur Auswirkungen auf einen bestimmten Bereich des Graphen hat. Um die Auswirkungen der Symmetrie auf den gesamten Graphen und auf Partitionen zu quantifizieren, wird außerdem eine Entropiedefinition präsentiert, die sich an der Analyse dynamischer Systeme orientiert. Alle Definitionen sind allgemein und können daher für beliebige Graphen angewandt werden. Teilweise ist sogar eine Anwendbarkeit für beliebige Clusteranalysen gegeben, solange deren Ergebnis in einer Partition resultiert und sich eine Symmetrierelation auf den Datenpunkten als Permutationsgruppe angeben lässt. Um nun die tatsächliche Auswirkung von Symmetrie auf Graphenclustering zu untersuchen wird eine zweite Analyse durchgeführt. Diese kommt zum Ergebnis, dass von 629 untersuchten symmetrischen Graphen 72 eine instabile Partition haben. Für die Analyse werden die Definitionen des theoretischen Rahmenwerks verwendet. Es wird außerdem festgestellt, dass die Lokalität der Symmetrie eines Graphen maßgeblich beeinflusst, ob dessen Partition stabil ist oder nicht. Eine hohe Lokalität resultiert meist in einer stabilen Partition und eine stabile Partition impliziert meist eine hohe Lokalität. Bevor die obigen Ergebnisse beschrieben und definiert werden, wird eine umfassende Einführung in die verschiedenen benötigten Grundlagen gegeben. Diese umfasst die formalen Definitionen von Graphen und statistischen Graphmodellen, Partitionen, endlichen Permutationsgruppen, Graphenclustering und Algorithmen dafür, sowie von Entropie. Ein separates Kapitel widmet sich ausführlich der Graphensymmetrie, die durch eine endliche Permutationsgruppe, der Automorphismusgruppe, beschrieben wird. Außerdem werden Algorithmen vorgestellt, die die Symmetrie von Graphen ermitteln können und, teilweise, auch das damit eng verwandte Graphisomorphie Problem lösen. Am Beispiel von Graphenclustering gibt die Dissertation damit Einblicke in mögliche Auswirkungen von Symmetrie in der Datenanalyse, die so in der Literatur bisher wenig bis keine Beachtung fanden