Temporal graph mining and distributed processing

Abstract

With the recent growth of social media platforms and the human desire to interact with the digital world a lot of human-human and human-device interaction data is getting generated every second. With the boom of the Internet of Things (IoT) devices, a lot of device-device interactions are also now on the rise. All these interactions are nothing but a representation of how the underlying network is connecting different entities over time. These interactions when modeled as an interaction network presents a lot of unique opportunities to uncover interesting patterns and to understand the dynamics of the network. Understanding the dynamics of the network is very important because it encapsulates the way we communicate, socialize, consume information and get influenced. To this end, in this PhD thesis, we focus on analyzing an interaction network to understand how the underlying network is being used. We define interaction network as a sequence of time-stamped interactions E over edges of a static graph G=(V, E). Interaction networks can be used to model many real-world networks for example, in a social network or a communication network, each interaction over an edge represents an interaction between two users, e.g., emailing, making a call, re-tweeting, or in case of the financial network an interaction between two accounts to represent a transaction.

We analyze interaction network under two settings. In the first setting, we study interaction network under a sliding window model. We assume a node could pass information to other nodes if they are connected to them using edges present in a time window. In this model, we study how the importance or centrality of a node evolves over time. In the second setting, we put additional constraints on how information flows between nodes. We assume a node could pass information to other nodes only if there is a temporal path between them. To restrict the length of the temporal paths we consider a time window in this approach as well. We apply this model to solve the time-constrained influence maximization problem. By analyzing the interaction network data under our model we find the top-k most influential nodes. We test our model both on human-human interaction using social network data as well as on location-location interaction using location-based social network(LBSNs) data. In the same setting, we also mine temporal cyclic paths to understand the communication patterns in a network. Temporal cycles have many applications and appear naturally in communication networks where one person posts a message and after a while reacts to a thread of reactions from peers on the post. In financial networks, on the other hand, the presence of a temporal cycle could be indicative of certain types of fraud. We provide efficient algorithms for all our analysis and test their efficiency and effectiveness on real-world data.

Finally, given that many of the algorithms we study have huge computational demands, we also studied distributed graph processing algorithms. An important aspect of distributed graph processing is to correctly partition the graph data between different machine. A lot of research has been done on efficient graph partitioning strategies but there is no one good partitioning strategy for all kind of graphs and algorithms. Choosing the best partitioning strategy is nontrivial and is mostly a trial and error exercise. To address this problem we provide a cost model based approach to give a better understanding of how a given partitioning strategy is performing for a given graph and algorithm.

Con el reciente crecimiento de las redes sociales y el deseo humano de interactuar con el mundo digital, una gran cantidad de datos de interacción humano-a-humano o humano-a-dispositivo se generan cada segundo. Con el auge de los dispositivos IoT, las interacciones dispositivo-a-dispositivo también están en alza. Todas estas interacciones no son más que una representación de como la red subyacente conecta distintas entidades en el tiempo. Modelar estas interacciones en forma de red de interacciones presenta una gran cantidad de oportunidades únicas para descubrir patrones interesantes y entender la dinamicidad de la red. Entender la dinamicidad de la red es clave ya que encapsula la forma en la que nos comunicamos, socializamos, consumimos información y somos influenciados. Para ello, en esta tesis doctoral, nos centramos en analizar una red de interacciones para entender como la red subyacente es usada. Definimos una red de interacciones como una sequencia de interacciones grabadas en el tiempo E sobre aristas de un grafo estático G=(V, E). Las redes de interacción se pueden usar para modelar gran cantidad de aplicaciones reales, por ejemplo en una red social o de comunicaciones cada interacción sobre una arista representa una interacción entre dos usuarios (correo electrónico, llamada, retweet), o en el caso de una red financiera una interacción entre dos cuentas para representar una transacción. Analizamos las redes de interacción bajo múltiples escenarios. En el primero, estudiamos las redes de interacción bajo un modelo de ventana deslizante. Asumimos que un nodo puede mandar información a otros nodos si estan conectados utilizando aristas presentes en una ventana temporal. En este modelo, estudiamos como la importancia o centralidad de un nodo evoluciona en el tiempo. En el segundo escenario añadimos restricciones adicionales respecto como la información fluye entre nodos. Asumimos que un nodo puede mandar información a otros nodos solo si existe un camino temporal entre ellos. Para restringir la longitud de los caminos temporales también asumimos una ventana temporal. Aplicamos este modelo para resolver este problema de maximización de influencia restringido temporalmente. Analizando los datos de la red de interacción bajo nuestro modelo intentamos descubrir los k nodos más influyentes. Examinamos nuestro modelo en interacciones humano-a-humano, usando datos de redes sociales, como en ubicación-a-ubicación usando datos de redes sociales basades en localización (LBSNs). En el mismo escenario también minamos camínos cíclicos temporales para entender los patrones de comunicación en una red. Existen múltiples aplicaciones para cíclos temporales y aparecen naturalmente en redes de comunicación donde una persona envía un mensaje y después de un tiempo reacciona a una cadena de reacciones de compañeros en el mensaje. En redes financieras, por otro lado, la presencia de un ciclo temporal puede indicar ciertos tipos de fraude. Proponemos algoritmos eficientes para todos nuestros análisis y evaluamos su eficiencia y efectividad en datos reales. Finalmente, dado que muchos de los algoritmos estudiados tienen una gran demanda computacional, también estudiamos los algoritmos de procesado distribuido de grafos. Un aspecto importante de procesado distribuido de grafos es el de correctamente particionar los datos del grafo entre distintas máquinas. Gran cantidad de investigación se ha realizado en estrategias para particionar eficientemente un grafo, pero no existe un particionamento bueno para todos los tipos de grafos y algoritmos. Escoger la mejor estrategia de partición no es trivial y es mayoritariamente un ejercicio de prueba y error. Con tal de abordar este problema, proporcionamos un modelo de costes para dar un mejor entendimiento en como una estrategia de particionamiento actúa dado un grafo y un algoritmo.