Pairwise gossip in CAT(k) metric spaces

par Anass Bellachehab

Thèse de doctorat en Informatique et réseaux

Sous la direction de Pascal Bianchi.

Soutenue le 10-11-2017

à Evry, Institut national des télécommunications , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Université Pierre et Marie Curie (Paris ; 1971-2017) (Université) , Département Réseaux et Services Multimédia Mobiles / RS2M (laboratoire) et de Services répartis- Architectures- MOdélisation- Validation- Administration des Réseaux / SAMOVAR (laboratoire) .

Le président du jury était Romain Couillet.

Le jury était composé de Jérémie Jakubowicz, Anne Bouillard, Olivier Rioul.

Les rapporteurs étaient Cédric Richard, Silvère Bonnabel.

  • Titre traduit

    Gossip pair-à-pair dans les espaces CAT(k)


  • Résumé

    Cette thèse adresse le problème du consensus dans les réseaux. On étudie des réseaux composés d'agents identiques capables de communiquer entre eux, qui ont une mémoire et des capacités de calcul. Le réseau ne possède pas de nœud central de fusion. Chaque agent stocke une valeur qui n'est pas initialement connue par les autres agents. L'objectif est d'atteindre le consensus, i.e. tous les agents ont la même valeur, d'une manière distribuée. De plus, seul les agents voisins peuvent communiquer entre eux. Ce problème a une longue et riche histoire. Si toutes les valeurs appartiennent à un espace vectoriel, il existe plusieurs protocoles pour résoudre le problème. Une des solutions connues est l'algorithme du gossip qui atteint le consensus de manière asymptotique. C'est un protocole itératif qui consiste à choisir deux nœuds adjacents à chaque itération et de les moyenner. La spécificité de cette thèse est dans le fait que les données stockées par les agents n'appartiennent pas nécessairement à un espace vectoriel, mais à un espace métrique. Par exemple, chaque agent stocke une direction (l'espace métrique est l'espace projectif) ou une position dans un graphe métrique (l'espace métrique est le graphe sous-jacent). Là, les protocoles de gossip mentionnés plus haut n'ont plus de sens car l'addition qui n'est plus disponibles dans les espaces métriques. Cependant, dans les espaces métriques les points milieu ont du sens dans certains cas. Et là ils peuvent se substituer aux moyennes arithmétiques. Dans ce travail, on a compris que la convergence du gossip avec les points milieu dépend de la courbure. On s'est focalisés sur le cas où l'espace des données appartient à une classe d'espaces métriques appelés les espaces CAT(k). Et on a pu démontrer que si les données initiales sont suffisamment "proches" dans un sens bien précis, alors le gossip avec les points milieu - qu'on a appelé le Random Parwise Midpoints- converge asymptotiquement vers un consensus


  • Résumé

    This thesis deals with the problem of consensus on networks. Networks under study consists of identical agents that can communicate with each other, have memory and computational capacity. The network has no central node. Each agent stores a value that, initially, is not known by other agents. The goal is to achieve consensus, i.e. all agents having the same value, in a fully distributed way. Hence, only neighboring agents can have direct communication. This problem has a long and fruitful history. If all values belong to some vector space, several protocols are known to solve this problem. A well-known solution is the pairwise gossip protocol that achieves consensus asymptotically. It is an iterative protocol that consists in choosing two adjacent nodes at each iteration and average them. The specificity of this Ph.D. thesis lies in the fact that the data stored by the agents does not necessarily belong to a vector space, but some metric space. For instance, each agent stores a direction (the metric space is the projective space) or position on a sphere (the metric space is a sphere) or even a position on a metric graph (the metric space is the underlying graph). Then the mentioned pairwise gossip protocols makes no sense since averaging implies additions and multiplications that are not available in metric spaces: what is the average of two directions, for instance? However, in metric spaces midpoints sometimes make sense and when they do, they can advantageously replace averages. In this work, we realized that, if one wants midpoints to converge, curvature matters. We focused on the case where the data space belongs to some special class of metric spaces called CAT(k) spaces. And we were able to show that, provided initial data is "close enough" is some precise meaning, midpoints-based gossip algorithm – that we refer to as Random Pairwise Midpoints - does converge to consensus asymptotically. Our generalization allows to treat new cases of data spaces such as positive definite matrices, the rotations group and metamorphic systems


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