A single-commodity congestion approximator for a graph is a compact data structure that approximately predicts the edge congestion required to route any set of single-commodity flow demands in a network. A hierarchical congestion approximator (HCA) consists of a laminar family of cuts in the graph and has numerous applications in approximating cut and flow problems in graphs, designing efficient routing schemes, and managing distributed networks. There is a tradeoff between the running time for computing an HCA and its approximation quality. The best polynomial-time construction in an $n$-node graph gives an HCA with approximation quality $O(\log^{1.5}n \log \log n)$. Among near-linear time algorithms, the best previous result achieves approximation quality $O(\log^4 n)$. We improve upon the latter result by giving the first near-linear time algorithm for computing an HCA with approximation quality $O(\log^2 n \log \log n)$. Additionally, our algorithm can be implemented in the parallel setting with polylogarithmic span and near-linear work, achieving the same approximation quality. This improves upon the best previous such algorithm, which has an $O(\log^9n)$ approximation quality. We also present a lower bound of $Ω(\log n)$ for the approximation guarantee of hierarchical congestion approximators. Crucial for achieving a near-linear running time is a new partitioning routine that, unlike previous such routines, manages to avoid recursing on large subgraphs. To achieve the improved approximation quality, we introduce the new concept of border routability of a cut and provide an improved sparsest cut oracle for general vertex weights.


翻译:图上的单商品拥塞近似器是一种紧凑的数据结构,可近似预测网络中路由任意单商品流需求集所需的边拥塞。层次拥塞近似器(HCA)由图中的一个层叠割族构成,在近似图的割与流问题、设计高效路由方案以及管理分布式网络等方面具有广泛应用。计算HCA的运行时间与其近似质量之间存在权衡关系。在$n$节点图中,最佳多项式时间构造可产生近似质量为$O(\log^{1.5}n \log \log n)$的HCA。在近线性时间算法中,先前最佳结果实现了$O(\log^4 n)$的近似质量。我们改进了后一结果,首次给出了计算近似质量为$O(\log^2 n \log \log n)$的HCA的近线性时间算法。此外,我们的算法可在并行设置中以多对数跨度与近线性工作量实现,并保持相同的近似质量。这改进了先前最佳并行算法的$O(\log^9n)$近似质量。我们还提出了层次拥塞近似器近似保证的$Ω(\log n)$下界。实现近线性运行时间的关键是一种新的划分例程,该例程与先前方法不同,能够避免对大型子图进行递归。为提升近似质量,我们引入了割的边界可路由性新概念,并为一般顶点权重提供了改进的最稀疏割预言机。

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