Efficient continuous multi-query processing over data streams
Authors: Ζερβάκης Ελευθέριος 
Published: November 2021

Στη σύγχρονη ψηφιακή εποχή, η δημιουργία και η διάθεση νέας πληροφορίας γίνεται με ταχείς ρυθμούς. Η επιλεκτική διάχυση πληροφορίας (information dissemination, publish/subscribe) έχει αναπτυχθεί ως το μέσο για την διευκόλυνση της αναζήτησης και έγκαιρης διάδοσης πληροφορίας στους χρήστες, καθώς και της ανακάλυψης νέου και ενδιαφέροντος περιεχομένου.Τα τελευταία χρόνια, η επιστημονική έρευνα στον τομέα της διάχυσης πληροφορίας έχει επικεντρωθεί στην αναπαράσταση των ενδιαφερόντων των χρηστών που εκφράζονται μέσω της δημιουργίας προφίλ (π.χ., εγγραφές σε υπηρεσίες παροχής ειδήσεων, δημιουργία προφίλ σε κοινωνικά δίκτυα κ.λ.π.) και στην αποτελεσματική και γρήγορη διανομή της πληροφορίας στους χρήστες, όταν αυτή γίνει διαθέσιμη. Ο τεράστιος όγκος δεδομένων όμως που γίνεται διαθέσιμος καθημερινά στον Παγκόσμιο Ιστό απαιτεί αποτελεσματικούς αλγόριθμους τόσο για την αναπαράσταση και ευρετηρίαση των προφίλ (profile creation, profile indexing), όσο και για το φιλτράρισμα της νέας διαθέσιμης πληροφορίας (publication filtering, information dissemination, mutli-query processing). Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην επίλυση των παραπάνω προβλημάτων χρησιμοποιώντας σύγχρονες μορφές αναπαράστασης δεδομένων (RDF data, graph data), και προτείνοντας δομές δεδομένων και αλγόριθμους για την διαχείριση του μεγάλου όγκου πληροφορίας. Η παρούσα έρευνα μελέτησε λύσεις ευρετηρίασης και φιλτραρίσματος πληροφορίας κειμένου βασισμένες σε δεντρικές δομές (trie-based profile indexing), σχεδίασε και ανέπτυξε αλγορίθμους για την ευρετηρίαση δεδομένων μεγάλου όγκου που έχουν ληφθεί από μια πληθώρα συλλογών κειμένων. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι αξιολογήθηκαν πειραματικά και τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την αξιολόγηση υποδεικνύουν βελτίωση έως και δυο τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με υπάρχουσες λύσεις της βιβλιογραφίας. Τα αποτελέσματα της έρευνας μας επισημαίνουν ως καίριο παράγοντα βελτιστοποίησης της αποτελεσματικής απόδοσης του φιλτραρίσματος τις δεντρικές δομές. Πιο συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η μορφολογία και οργάνωση των δεντρικών δομών είναι ο καθοριστικός παράγοντας βελτιστοποίησης, σε αντίθεση με την μέχρι έως τώρα πεποίθηση ότι το μέγεθος των δεντρικών δομών (forest compactness) αποτελεί τον κύριο παράγοντα απόδοσης. Σε συνέχεια της παρούσας έρευνας, σχεδιάσθηκαν και αναπτύχθηκαν αλγορίθμοι για την ευρετηρίαση και το φιλτράρισμα δεδομένων που αναπαριστώνται στο μοντέλο δεδομένων RDF. Επιπρόσθετα, προτείναμε μια καινοτόμα επέκταση της γλώσσας ερωτήσεων SPARQL, η οποία στοχεύει στην αύξηση της εκφραστικότητας των ερωτήσεων των χρηστών μέσω της παροχής τελεστών κειμένου (full-text operators). Οι αλγόριθμοι που σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκαν πειραματικά, και τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την αξιολόγηση υποδεικνύουν βελτίωση έως και δύο τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με υπάρχουσες καινοτόμες λύσεις της βιβλιογραφίας.Επιπλέον, η έρευνα μας στόχευσε στη σχεδίαση και ανάπτυξη αλγορίθμων για την ευρετηρίαση και την αξιολόγηση ερωτήσεων σε ροές δεδομένων για γράφους. Η παρούσα έρευνα είναι η πρώτη στη βιβλιογραφία η οποία εισάγει την συνεχή αξιολόγηση πολλαπλών ερωτήσεων (mutli-query processing) πάνω από ροές δεδομένων για γράφους. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάσαμε και αναπτύξαμε τέσσερις νέους αλγορίθμους με σκοπό την μελέτη και αξιολόγηση της απόδοσης διαφορετικών προσεγγίσεων ευρετηρίασης προφίλ. Η αξιολόγηση στόχευσε στην εκτίμηση της απόδοσης των αλγορίθμων σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών, όπως τα κοινωνικά δίκτυα (Social Networks), τα δίκτυα κίνησης οχημάτων σε αστικά κέντρα (Road Networks), και οι γράφοι αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών (Protein-to-Protein Interaction Graphs), και στην αξιολόγηση και στην σύγκριση των σχεδιασθέντων αλγορίθμων με υπάρχουσες εμπορικές λύσεις. Τα αποτελέσματα της πειραματικής αξιολόγησης τονίζουν την ανάγκη για ανάπτυξη εξιδεικευμένων λύσεων σχεδιασμένων για συνεχή αξιολόγηση ερωτήσεων σε ροές δεδομένων γράφων, καθώς παρατηρήθηκε βελτίωση του χρόνου φιλτραρίσματος κατά δυο τάξεις μεγέθους ανάμεσα στους προτεινόμενους αλγόριθμους και στις πιο απλοϊκές προσεγγίσεις.Τέλος, η έρευνα μας επικεντρώθηκε στην σχεδίαση και ανάπτυξη ενός καινοτόμου, πλήρως λειτουργικού, συστήματος φιλτραρίσματος πληροφορίας κειμένου, με την ονομασία Ping. Η ανάπτυξη του συστήματος Ping στόχευσε στη μελέτη υπαρχόντων τεχνολογικών λύσεων υπό το φως της διάχυσης πληροφορίας, και στη δημιουργία ενός πλήρως λειτουργικού συστήματος παροχής υπηρεσιών φιλτραρίσματος για τους χρήστες. Η δημιουργία ενός τέτοιου συστήματος αναδεικνύει την εφαρμοσιμότητα προηγμένων τεχνολογικών λύσεων στον τομέα της διάχυσης πληροφορίας.