رمز قابل للاسترداد محليًا

تُعدّ رموز الاسترداد المحلية فئةً من رموز تصحيح الأخطاء، وقد طُرحت لأول مرة من قِبل دي إس بابايليوبولوس وإيه جي ديماكيس [ 1 ] ، وحظيت بدراسة واسعة في نظرية المعلومات نظرًا لتطبيقاتها المتعلقة بأنظمة التخزين الموزعة والسحابية . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

أن[ن،ك،د،ر]q{\displaystyle [n,k,d,r]_{q}}مركز موارد التعلم هو[ن،ك،د]q{\displaystyle [n,k,d]_{q}}رمز خطي بحيث توجد دالةوأنا{\displaystyle f_{i}}يأخذ ذلك كمدخلأنا{\displaystyle i}ومجموعة منر{\displaystyle r}إحداثيات أخرى لكلمة سريةج=(ج1،...،جن)ج{\displaystyle c=(c_{1},\ldots ,c_{n})\in C}مختلف عنجأنا{\displaystyle c_{i}}، والمخرجاتجأنا{\displaystyle c_{i}}.

ملخص

تزداد شعبية رموز تصحيح المحو ، أو ما يُعرف ببساطة برموز المحو ، لأنظمة التخزين الموزعة والسحابية ، نتيجةً للزيادة الحالية في الطلب على خدمات الحوسبة السحابية والتخزين. وقد حفّز هذا الأمر الباحثين في مجالي نظرية المعلومات والترميز على استكشاف جوانب جديدة من الرموز المصممة خصيصًا للاستخدام مع أنظمة التخزين.

من المعروف أن رموز الاستعادة المحلية (LRC) لا تتطلب سوى الوصول إلى مجموعة محدودة من الرموز الأخرى لاستعادة جميع الرموز في كلمة التشفير. تُعد هذه الفكرة بالغة الأهمية لأنظمة التخزين الموزعة والسحابية ، حيث أن أكثر حالات الخطأ شيوعًا هي تعطل إحدى عقد التخزين (المسح). والهدف الرئيسي هو استعادة أكبر قدر ممكن من البيانات من أقل عدد ممكن من عقد التخزين الإضافية لاستعادة العقدة المعطلة. لذا، تُعد رموز الاستعادة المحلية ضرورية لهذه الأنظمة.

يُستنتج التعريف التالي لمركز موارد التعلم من الوصف أعلاه:[ن،ك،ر]{\displaystyle [n,k,r]}- رمز قابل للاسترداد محليًا (LRC) بطولن{\displaystyle n}هو رمز ينتجن{\displaystyle n}-رمز الكلمة المشفرة منك{\displaystyle k}رموز المعلومات، ولكل رمز من رموز كلمة السر، يوجد على الأكثرر{\displaystyle r}رموز أخرى بحيث يمكن استخلاص قيمة الرمز منها. ويحقق معامل الموضع ما يلي:1رك{\displaystyle 1\leq r\leq k}لأنه يمكن العثور على كلمة السر كاملةً من خلال الوصول إلىك{\displaystyle k}الرموز الأخرى غير الرمز الممحو. علاوة على ذلك، الرموز القابلة للاسترداد محليًا، والتي تتميز بأقصر مسافةد{\displaystyle d}يمكن أن يتعافىد-1{\displaystyle d-1}عمليات المحو.

تعريف

يتركج{\displaystyle C}كن[ن،ك،د]q{\displaystyle [n,k,d]_{q}}رمز خطي . لـأنا{1،...،ن}{\displaystyle i\in \{1,\ldots ,n\}}لنرمز بـرأنا{\displaystyle r_{i}}الحد الأدنى لعدد الإحداثيات الأخرى التي يتعين علينا النظر إليها لاستعادة عملية مسح في الإحداثياتأنا{\displaystyle i}الرقمرأنا{\displaystyle r_{i}}ويُقال إنها منطقةأنا{\displaystyle i}الإحداثي رقم n للكود. يتم تعريف موضع الكود على النحو التالي:

ر=الأعلى{رأنا|أنا{1،...،ن}}.{\displaystyle r=\max\{r_{i}\mid i\in \{1,\ldots ,n\}\}.}

أن[ن،ك،د،ر]q{\displaystyle [n,k,d,r]_{q}}الرمز القابل للاسترداد محليًا (LRC) هو[ن،ك،د]q{\displaystyle [n,k,d]_{q}}الشفرة الخطيةجFqن{\displaystyle C\in \mathbb {F} _{q}^{n}}مع الموقعر{\displaystyle r}.

يتركج{\displaystyle C}كن[ن،ك،د]q{\displaystyle [n,k,d]_{q}}- رمز قابل للاسترداد محليًا. عندئذٍ، يمكن استرداد المكون المحذوف بشكل خطي، [ 6 ] أي لكلأنا{1،...،ن}{\displaystyle i\in \{1,\ldots ,n\}}، يحتوي فضاء المعادلات الخطية للبرنامج على عناصر من الشكلxأنا=و(xأنا1،...،xأنار){\displaystyle x_{i}=f(x_{i_{1}},\ldots ,x_{i_{r}})}، أينأناجأنا{\displaystyle i_{j}\neq i}.

رموز قابلة للاسترداد محليًا على النحو الأمثل

النظرية [ 7 ] ليكنن=(ر+1)s{\displaystyle n=(r+1)s}ودعج{\displaystyle C}كن[ن،ك،د]q{\displaystyle [n,k,d]_{q}}- رمز قابل للاسترداد محليًا يحتوي علىs{\displaystyle s}مجموعات محلية منفصلة بحجمر+1{\displaystyle r+1}. ثم

دن-ك-كر+2.{\displaystyle d\leq nk-\left\lceil {\frac {k}{r}}\right\rceil +2.}

أن[ن،ك،د،ر]q{\displaystyle [n,k,d,r]_{q}}-LRCج{\displaystyle C}يُقال إنها مثالية إذا كانت المسافة الدنيا لـج{\displaystyle C}يرضي

د=ن-ك-كر+2.{\displaystyle d=nk-\left\lceil {\frac {k}{r}}\right\rceil +2.}

رموز تامو-بارج

يتركوFq[x]{\displaystyle f\in \mathbb {F} _{q}[x]}ليكن متعدد الحدود ولتكن{\displaystyle \ell }ليكن عددًا صحيحًا موجبًا . إذنو{\displaystyle f}يقال إنه (ر{\displaystyle r}،{\displaystyle \ell }جيد إذا

و{\displaystyle f}حاصل على درجة علميةر+1{\displaystyle r+1}،
• توجد مجموعات فرعية متميزةأ1،...،أ{\displaystyle A_{1},\ldots ,A_{\ell }}لFq{\displaystyle \mathbb {F} _{q}}بحيث
– لأيأنا{1،...،}{\displaystyle i\in \{1,\ldots ,\ell \}}،و(أأنا)={تأنا}{\displaystyle f(A_{i})=\{t_{i}\}}بالنسبة للبعضتأناFq{\displaystyle t_{i}\in \mathbb {F} _{q}}، أي،و{\displaystyle f}ثابت علىأأنا{\displaystyle A_{i}}،
8أأنا=ر+1{\displaystyle \#A_{i}=r+1}،
أأناأج={\displaystyle A_{i}\cap A_{j}=\varnothing }لأيأناج{\displaystyle i\neq j}.

نقول ذلك {أ1،...،أ{\displaystyle A_{1},\ldots ,A_{\ell }}} هو غطاء تقسيم لـو{\displaystyle f}[ 8 ]

بناء تامو بارج

تعتمد طريقة تامو-بارج على كثيرات حدود جيدة. [ 9 ]

• لنفترض أن أ(ر،){\displaystyle (r,\ell )}- متعدد الحدود الجيدو(x){\displaystyle f(x)}زيادةFq{\displaystyle \mathbb {F} _{q}}يُقدم مع غطاء مقسمأنا{1،...،}{\displaystyle i\in \{1,\ldots ,\ell \}}.
• يتركs-1{\displaystyle s\leq \ell -1}ليكن عددًا صحيحًا موجبًا .
• ضع في اعتبارك ما يليFq{\displaystyle \mathbb {F} _{q}}- فضاء متجهات كثيرات الحدودV={أنا=0sزأنا(x)و(x)أنا:درجة(زأنا(x))درجة(و(x))-2}.{\displaystyle V=\left\{\sum _{i=0}^{s}g_{i}(x)f(x)^{i}:\deg(g_{i}(x))\leq \deg(f(x))-2\right\}.}
• يتركتي=أنا=1أأنا{\textstyle T=\bigcup _{i=1}^{\ell }A_{i}}.
• الشفرة{إيفتي(ز):زV}{\displaystyle \{\operatorname {ev} _{T}(g):g\in V\}}هو((ر+1)،(s+1)ر،د،ر){\displaystyle ((r+1)\ell ,(s+1)r,d,r)}الكود الأمثل القابل للتغطية محليًا، حيثإيفتي{\displaystyle \operatorname {ev} _{T}}يشير إلى تقييمز{\displaystyle g}في جميع نقاط المجموعةتي{\displaystyle T}.

معلمات رموز تامو-بارج

الطول. الطول هو عدد نقاط التقييم. لأن المجموعاتأأنا{\displaystyle A_{i}}منفصلة لـأنا{1،...،}{\displaystyle i\in \{1,\ldots ,\ell \}}، طول الكود هو|تي|=(ر+1){\displaystyle |T|=(r+1)\ell }.
البُعد . بُعد الكود هو(s+1)ر{\displaystyle (s+1)r}، لs{\displaystyle s}-1{\displaystyle \ell -1}، كما هو الحال مع كلزأنا{\displaystyle g_{i}}حاصل على درجة علمية على الأكثردرجة(و(x))-2{\displaystyle \deg(f(x))-2}، تغطي فضاء متجهي ذو بُعددرجة(و(x))-1=ر{\displaystyle \deg(f(x))-1=r}وبناءV{\displaystyle V}، هناكs+1{\displaystyle s+1}متميززأنا{\displaystyle g_{i}}.
المسافة . تُحدد المسافة من خلال حقيقة أنVFq[x]ك{\displaystyle V\subseteq \mathbb {F} _{q}[x]_{\leq k}}، أينك=ر+1-2+s(ر+1){\displaystyle k=r+1-2+s(r+1)}والرمز الناتج هو رمز ريد-سولومون من الدرجة على الأكثرك{\displaystyle k}إذن، المسافة الدنيا تساوي(ر+1)-((ر+1)-2+s(ر+1)){\displaystyle (r+1)\ell -((r+1)-2+s(r+1))}.
الموقع. بعد محو المكون الفردي، يتم التقييم عندأأناأأنا{\displaystyle a_{i}\in A_{i}}، أين|أأنا|=ر+1{\displaystyle |A_{i}|=r+1}، غير معروف، لكن التقييمات لجميع الآخرينأأأنا{\displaystyle a\in A_{i}}معروفة، لذا على الأكثرر{\displaystyle r}هناك حاجة إلى إجراء تقييمات لتحديد المكون الممحو بشكل فريد، مما يعطينا موضعيةر{\displaystyle r}.
لرؤية هذا،ز{\displaystyle g}يقتصر علىأج{\displaystyle A_{j}}يمكن وصفها بواسطة متعددة الحدودح{\displaystyle h}درجة علمية على الأكثردرجة(و(x))-2=ر+1-2=ر-1{\displaystyle \deg(f(x))-2=r+1-2=r-1}بفضل شكل العناصر فيV{\displaystyle V}(أي بفضل حقيقة أنو{\displaystyle f}ثابت علىأج{\displaystyle A_{j}}وزأنا{\displaystyle g_{i}}لا يملكون شهادة جامعية على الأكثردرجة(و(x))-2{\displaystyle \deg(f(x))-2}). على الجانب الآخر|أج{أج}|=ر{\displaystyle |A_{j}\backslash \{a_{j}\}|=r}، ور{\displaystyle r}تحدد التقييمات بشكل فريد متعددة حدود من الدرجةر-1{\displaystyle r-1}. لذلكح{\displaystyle h}يمكن بناؤها وتقييمها فيأج{\displaystyle a_{j}}للتعافيز(أج){\displaystyle g(a_{j})}.

مثال على بناء تامو-بارج

سنستخدمx5F41[x]{\displaystyle x^{5}\in \mathbb {F} _{41}[x]}لبناء[15،8،6،4]{\displaystyle [15,8,6,4]}لاحظ أن درجة هذه كثيرة الحدود هي 5، وهي ثابتة علىأأنا{\displaystyle A_{i}}لأنا{1،...،8}{\displaystyle i\in \{1,\ldots ,8\}}، أينأ1={1،10،16،18،37}{\displaystyle A_{1}=\{1,10,16,18,37\}}،أ2=2أ1{\displaystyle A_{2}=2A_{1}}،أ3=3أ1{\displaystyle A_{3}=3A_{1}}،أ4=4أ1{\displaystyle A_{4}=4A_{1}}،أ5=5أ1{\displaystyle A_{5}=5A_{1}}،أ6=6أ1{\displaystyle A_{6}=6A_{1}}،أ7=11أ1{\displaystyle A_{7}=11A_{1}}، وأ8=15أ1{\displaystyle A_{8}=15A_{1}}:أ15={1}{\displaystyle A_{1}^{5}=\{1\}}،أ25={32}{\displaystyle A_{2}^{5}=\{32\}}،أ35={38}{\displaystyle A_{3}^{5}=\{38\}}،أ45={40}{\displaystyle A_{4}^{5}=\{40\}}،أ55={9}{\displaystyle A_{5}^{5}=\{9\}}،أ65={27}{\displaystyle A_{6}^{5}=\{27\}}،أ75={3}{\displaystyle A_{7}^{5}=\{3\}}،أ85={14}{\displaystyle A_{8}^{5}=\{14\}}. لذلك،x5{\displaystyle x^{5}}هو(4،8){\displaystyle (4,8)}-دالة حدود جيدة علىF41{\displaystyle \mathbb {F} _{41}}بحسب التعريف. الآن، سنستخدم هذه المعادلة متعددة الحدود لإنشاء رمز ذي بُعدك=8{\displaystyle k=8}والطولن=15{\displaystyle n=15}زيادةF41{\displaystyle \mathbb {F} _{41}}. موضع هذا الكود هو 4، مما سيسمح لنا باستعادة فشل خادم واحد من خلال النظر إلى المعلومات الموجودة في 4 خوادم أخرى على الأكثر .

بعد ذلك، دعونا نحدد متعددة الحدود المشفرة :وأ(x)=أنا=0ر-1وأنا(x)xأنا{\displaystyle f_{a}(x)=\sum _{i=0}^{r-1}f_{i}(x)x^{i}}، أينوأنا(x)=أنا=0كر-1أأنا،جز(x)ج{\displaystyle f_{i}(x)=\sum _{i=0}^{{\frac {k}{r}}-1}a_{i,j}g(x)^{j}}. لذا،وأ(x)={\displaystyle f_{a}(x)=}أ0،0+{\displaystyle a_{0,0}+}أ0،1x5+{\displaystyle a_{0,1}x^{5}+}أ1،0x+{\displaystyle a_{1,0}x+}أ1،1x6+{\displaystyle a_{1,1}x^{6}+}أ2،0x2+{\displaystyle a_{2,0}x^{2}+}أ2،1x7+{\displaystyle a_{2,1}x^{7}+}أ3،0x3+{\displaystyle a_{3,0}x^{3}+}أ3،1x8{\displaystyle a_{3,1}x^{8}}.

وبالتالي، يمكننا استخدام متعددة الحدود المشفرة التي تم الحصول عليها إذا أخذنا بياناتنا المراد تشفيرها كمتجه صف.أ={\displaystyle a=}(أ0،0،أ0،1،أ1،0،أ1،1،أ2،0،أ2،1،أ3،0،أ3،1){\displaystyle (a_{0,0},a_{0,1},a_{1,0},a_{1,1},a_{2,0},a_{2,1},a_{3,0},a_{3,1})}ترميز المتجهم{\displaystyle m}إلى متجه رسالة بطول 15ج{\displaystyle c}عن طريق الضربم{\displaystyle m}بواسطة مصفوفة المولد

جي=(1111111111111111111132323232323838383838110161837220323336371329301101618372325403143220236331181037164314023259852139118103716589392114172619611637101885921392715243522116371018103711618137101816).{\displaystyle G={\begin{pmatrix}1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1&1\\1&1&1&1&1&32&32&32&32&32&38&38&38&38&38\\1&10&16&18&37&2&20&32&33&36&3&7&13&29&30\\1&10&16&18&37&23&25&40&31&4&32&20&2&36&33\\1&18&10&37&16&4&31&40&23&25&9&8&5&21&39\\1&18&10&37&16&5&8&9&39&21&14&17&26&19&6\\1&16&37&10&18&8&5&9&21&39&27&15&24&35&22\\1&16&37&10&18&10&37&1&16&18&1&37&10&18&16\end{pmatrix}}.}

على سبيل المثال، ترميز متجه المعلوماتم=(1،1،1،1،1،1،1،1){\displaystyle m=(1,1,1,1,1,1,1,1)}يعطي كلمة السرج=مجي=(8،8،5،9،21،3،36،31،32،12،2،20،37،33،21){\displaystyle c=mG=(8,8,5,9,21,3,36,31,32,12,2,20,37,33,21)}.

لاحظ أننا أنشأنا رمز LRC مثاليًا؛ لذلك، باستخدام حد Singleton ، فإن مسافة هذا الرمز هيد=ن-ك-كر+2=15-8-2+2=7{\displaystyle d=n-k-\left\lceil {\frac {k}{r}}\right\rceil +2=15-8-2+2=7}وبالتالي، يمكننا استعادة أي 6 عمليات محو من كلمة المرور الخاصة بنا من خلال النظر إلى 8 مكونات أخرى على الأكثر.

رموز قابلة للاسترداد محليًا مع توفرها

رمزج{\displaystyle C}يتميز بموقع جميع الرموزر{\displaystyle r}والتوافرت{\displaystyle t}إذا كان من الممكن استعادة كل رمز من رموز الشفرة منت{\displaystyle t}مجموعات إصلاح منفصلة من الرموز الأخرى، كل مجموعة بحجم لا يتجاوزر{\displaystyle r}الرموز. وتسمى هذه الرموز(ر،ت)أ{\displaystyle (r,t)_{a}}-LRC. [ 10 ]

نظرية: المسافة الدنيا لـ[ن،ك،د]q{\displaystyle [n,k,d]_{q}}- مركز موارد التعلم ذو الموقعر{\displaystyle r}والتوافرت{\displaystyle t}يفي بالحد الأعلى

دن-أنا=0تك-1رأنا.{\displaystyle d\leq n-\sum _{i=0}^{t}\left\lfloor {\frac {k-1}{r^{i}}}\right\rfloor .}

إذا كان الرمز منهجياً ، وكانت خاصيتا الموضعية والتوافر تنطبقان فقط على رموز المعلومات الخاصة به، فإن الرمز يتمتع بموضعية معلوماتية.ر{\displaystyle r}والتوافرت{\displaystyle t}ويسمى(ر،ت)أنا{\displaystyle (r,t)_{i}}-LRC. [ 11 ]

النظرية [ 12 ] المسافة الدنياد{\displaystyle d}من[ن،ك،د]q{\displaystyle [n,k,d]_{q}}خطي(ر،ت)أنا{\displaystyle (r,t)_{i}}-LRC يفي بالحد الأعلى

دن-ك-ت(ك-1)+1ت(ر-1)+1+2.{\displaystyle d\leq n-k-\left\lceil {\frac {t(k-1)+1}{t(r-1)+1}}\right\rceil +2.}

مراجع

  1. بابايليوبولوس، ديميتريس س.؛ ديماكيس، ألكسندروس ج. (2012)، "الرموز القابلة للإصلاح محليًا"، وقائع ندوة IEEE الدولية لنظرية المعلومات لعام 2012 ، كامبريدج، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية: IEEE، الصفحات 2771-2775 ، arXiv : 1206.3804 ، doi : 10.1109/ISIT.2012.6284027 ، ISBN  978-1-4673-2579-0
  2. بارج، أ.؛ تامو، إ.؛ فلادوت، س. (2015)، "الرموز القابلة للاسترداد محليًا على المنحنيات الجبرية"، ندوة IEEE الدولية لنظرية المعلومات لعام 2015 ، هونغ كونغ، الصين: IEEE، ص 1252-1256 ، arXiv : 1603.08876 ، doi : 10.1109/ISIT.2015.7282656 ، ISBN  978-1-4673-7704-1
  3. كادامبي، في آر؛ مازومدار، أ. (2015)، "حدود حجم الرموز القابلة للاسترداد محليًا"، معاملات IEEE في نظرية المعلومات ، 61 (11)، IEEE: 5787-5794 ، doi : 10.1109/TIT.2015.2477406
  4. دوكس، أ.؛ فيراغوتي، أ.؛ ميشيلي، ج. (2022)، "الاختيار الأمثل لكثيرات الحدود الجيدة من الدرجة الخامسة أو أعلى"، التصاميم، والرموز، والتشفير ، 90 (6)، IEEE: 1427-1436 ، arXiv : 2104.01434 ، doi : 10.1007/s10623-022-01046-y
  5. هايميكر، ك.؛ مالمسكوج، ب.؛ ماثيوز، ج. (2022)، رموز قابلة للاسترداد محليًا مع توافر t ≥2 من منتجات الألياف للمنحنيات ، doi : 10.3934/amc.2018020
  6. بابايليوبولوس، ديميتريس س.؛ ديماكيس، ألكسندروس ج. (2012)، "الرموز القابلة للإصلاح محليًا"، ندوة IEEE الدولية لنظرية المعلومات لعام 2012 ، كامبريدج، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية، الصفحات 2771-2775 ، arXiv : 1206.3804 ، doi : 10.1109/ISIT.2012.6284027 ، ISBN  978-1-4673-2579-0{{citation}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  7. كادامبي، ف.؛ مازومدار، أ. (2013)، "حد أعلى لحجم الرموز القابلة للاسترداد محليًا"، الندوة الدولية لعام 2013 حول ترميز الشبكة ، كالجاري، ألبرتا، كندا، ص 1-5 ، arXiv : 1308.3200 ، doi : 10.1109/NetCod.2013.6570829 ، ISBN  978-1-4799-0823-3{{citation}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  8. ميشيلي، ج. (2020)، "إنشاءات رموز قابلة للاسترداد محليًا وهي مثالية"، معاملات IEEE في نظرية المعلومات ، 66 : 167-175 ، arXiv : 1806.11492 ، doi : 10.1109/TIT.2019.2939464
  9. تامو، آي.؛ بارج، أ. (2014)، "مجموعة من الرموز المثلى القابلة للاسترداد محليًا"، ندوة IEEE الدولية لنظرية المعلومات لعام 2014 ، هونولولو، هاواي، الولايات المتحدة الأمريكية، الصفحات 686-690 ، doi : 10.1109/ISIT.2014.6874920 ، ISBN  978-1-4799-5186-4{{citation}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  10. هوانغ، ب.؛ ياكوبي، إ.؛ أوتشيكاوا، هـ.؛ سيجل، ب.هـ. (2015)، "رموز خطية قابلة للإصلاح محليًا مع إمكانية الوصول"، ندوة IEEE الدولية لنظرية المعلومات لعام 2015 ، هونغ كونغ، الصين، ص 1871-1875 ، doi : 10.1109/ISIT.2015.7282780 ، ISBN  978-1-4673-7704-1{{citation}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  11. تامو، آي.؛ بارج، أ. (2014)، "حدود على الرموز القابلة للاسترداد محليًا مع مجموعات استرداد متعددة"، ندوة IEEE الدولية لنظرية المعلومات لعام 2014 ، هونولولو، هاواي، الولايات المتحدة الأمريكية، ص 691-695 ، arXiv : 1402.0916 ، doi : 10.1109/ISIT.2014.6874921 ، ISBN  978-1-4799-5186-4{{citation}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  12. وانغ، أ.؛ تشانغ، ز. (2014)، "موضعية الإصلاح مع تحمل المحو المتعدد"، معاملات IEEE في نظرية المعلومات ، 60 (11): 6979-6987 ، arXiv : 1306.4774 ، doi : 10.1109/TIT.2014.2351404