We consider the fundamental problem of assigning distinct labels to agents in the probabilistic model of population protocols. Our protocols operate under the assumption that the size $n$ of the population is embedded in the transition function. They are silent, i.e., eventually each agent reaches its final state and remains in it forever, as well as are safe, i.e., they can produce a valid agent labeling in a finite number of interactions, and guarantee that at any step of the protocol no two agents have the same label. We first present a fast, silent and safe labeling protocol for which the required number of interactions is asymptotically optimal, i.e., $O(n \log n/\epsilon)$ w.h.p. It uses $(2+\epsilon)n+O(n^c)$ states, for any $c<1,$ and the label range $1,\dots,(1+\epsilon)n.$ Furthermore, we consider the so-called pool labeling protocols that include our fast protocol. We show that the expected number of interactions required by any pool protocol is $\ge \frac{n^2}{r+1}$, when the labels range is $1,\dots, n+r<2n.$ Next, we provide a silent and safe protocol which uses only $n+5\sqrt n +O(n^c)$ states, for any $c<1,$ and draws labels from the range $1,\dots,n.$ . The expected number of interactions required by the protocol is $O(n^3).$ On the other hand, we show that any safe protocol, as well as any silent protocol which provides a valid labeling with probability $>1-\frac 1n$, uses $\ge n+\sqrt n-1$ states. Hence, our protocol is almost state-optimal. We also present a generalization of the protocol to include a trade-off between the number of states and the expected number of interactions. Furthermore, we show that for any safe labeling protocol utilizing $n+t<2n$ states the expected number of interactions required to achieve a valid labeling is $\ge \frac{n^2}{t+1}$.


翻译:我们考虑在人口协议的概率模型中为代理商分配不同标签的根本问题。 我们的协议运行的假设是, 以美元为单位的大小在过渡功能中嵌入美元。 它们保持沉默, 也就是说, 每个代理商最终达到其最终状态, 并永远留在其中, 并且是安全的, 也就是说, 它们可以在有限的互动次数中生成一个有效的代理商标签, 在协议的任何步骤中, n2 代理商没有相同的标签。 我们首先提出一个快速、 沉默和安全的标签协议, 其所需的互动数量在时间上为美元, 也就是说, 美元 (n) =美元 =美元, 美元= =美元=美元。 它使用美元( ⁇ ) + (n) 美元 协议, 任何协议的金额为1, 美元=美元=美元=美元。 此外, 我们认为任何所谓的联营协议都包含我们的快速协议。 我们显示一个预期的互动数量, 以美元=美元为单位, 美元=美元

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