Fouille de Graphes pour Maximisation de l'Influence dans les Réseaux Sociaux

Graph Mining for Influence Maximization in Social Networks

• Auteur / Autrice : Maria Rossi
• Direction : Michalis Vazirgiannis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/11/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Ioana Gabriela Manolescu Goujot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michalis Vazirgiannis, Cédric Eichler, Yuxiao Dong, Benjamin Nguyen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vasileios Megalooikonomou, David Gross-Amblard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux complexes (mathématiques)

Exploration de données

Explorations de graphes

Mots clés libres

Fouille de graphes

Science Computationelle

Exploration de données

Graph Mining

Computational Science

Data Mining

Influence Maximization

Spreading Processes

Résumé

La science moderne des graphes est apparue ces dernières années comme un domaine d'intérêt et a apporté des progrès significatifs à notre connaissance des réseaux. Jusqu'à récemment, les algorithmes d'exploration de données existants étaient destinés à des données structurées / relationnelles, alors que de nombreux ensembles de données nécessitent une représentation graphique, comme les réseaux sociaux, les réseaux générés par des données textuelles, les structures protéiques 3D ou encore les composés chimiques. Il est donc crucial de pouvoir extraire des informations pertinantes à partir de ce type de données et, pour ce faire, les méthodes d'extraction et d'analyse des graphiques ont été prouvées essentielles.L'objectif de cette thèse est d'étudier les problèmes dans le domaine de la fouille de graphes axés en particulier sur la conception de nouveaux algorithmes et d'outils liés à la diffusion d'informations et plus spécifiquement sur la façon de localiser des entités influentes dans des réseaux réels. Cette tâche est cruciale dans de nombreuses applications telles que la diffusion de l'information, les contrôles épidémiologiques et le marketing viral.Dans la première partie de la thèse, nous avons étudié les processus de diffusion dans les réseaux sociaux ciblant la recherche de caractéristiques topologiques classant les entités du réseau en fonction de leurs capacités influentes. Nous nous sommes spécifiquement concentrés sur la décomposition K-truss qui est une extension de la décomposition k-core. On a montré que les noeuds qui appartiennent au sous-graphe induit par le maximal K-truss présenteront de meilleurs proprietés de propagation par rapport aux critères de référence. De tels épandeurs ont la capacité non seulement d'influencer une plus grande partie du réseau au cours des premières étapes d'un processus d'étalement, mais aussi de contaminer une plus grande partie des noeuds.Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous sommes concentrés sur l'identification d'un groupe de noeuds qui, en agissant ensemble, maximisent le nombre attendu de nœuds influencés à la fin du processus de propagation, formellement appelé Influence Maximization (IM). Le problème IM étant NP-hard, il existe des algorithmes efficaces garantissant l’approximation de ses solutions. Comme ces garanties proposent une approximation gloutonne qui est coûteuse en termes de temps de calcul, nous avons proposé l'algorithme MATI qui réussit à localiser le groupe d'utilisateurs qui maximise l'influence, tout en étant évolutif. L'algorithme profite des chemins possibles créés dans le voisinage de chaque nœud et précalcule l'influence potentielle de chaque nœud permettant ainsi de produire des résultats concurrentiels, comparés à ceux des algorithmes classiques.Finallement, nous étudions le point de vue de la confidentialité quant au partage de ces bons indicateurs d’influence dans un réseau social. Nous nous sommes concentrés sur la conception d'un algorithme efficace, correct, sécurisé et de protection de la vie privée, qui résout le problème du calcul de la métrique k-core qui mesure l'influence de chaque noeud du réseau. Nous avons spécifiquement adopté une approche de décentralisation dans laquelle le réseau social est considéré comme un système Peer-to-peer (P2P). L'algorithme est construit de telle sorte qu'il ne devrait pas être possible pour un nœud de reconstituer partiellement ou entièrement le graphe en utilisant les informations obtiennues lors de son exécution. Notre contribution est un algorithme incrémental qui résout efficacement le problème de maintenance de core en P2P tout en limitant le nombre de messages échangés et les calculs. Nous fournissons également une étude de sécurité et de confidentialité de la solution concernant la désanonymisation des réseaux, nous montrons ainsi la rélation avec les strategies d’attaque précédemment definies tout en discutant les contres-mesures adaptés.

Modern science of graphs has emerged the last few years as a field of interest and has been bringing significant advances to our knowledge about networks. Until recently the existing data mining algorithms were destined for structured/relational data while many datasets exist that require graph representation such as social networks, networks generated by textual data, 3D protein structures and chemical compounds. It has become therefore of crucial importance to be able to extract meaningful information from that kind of data and towards this end graph mining and analysis methods have been proven essential. The goal of this thesis is to study problems in the area of graph mining focusing especially on designing new algorithms and tools related to information spreading and specifically on how to locate influential entities in real-world networks. This task is crucial in many applications such as information diffusion, epidemic control and viral marketing. In the first part of the thesis, we have studied spreading processes in social networks focusing on finding topological characteristics that rank entities in the network based on their influential capabilities. We have specifically focused on the K-truss decomposition which is an extension of the core decomposition of the graph. Extensive experimental analysis showed that the nodes that belong to the maximal K-truss subgraph show a better spreading behavior when compared to baseline criteria. Such spreaders can influence a greater part of the network during the first steps of a spreading process but also the total fraction of the influenced nodes at the end of the epidemic is greater. We have also observed that node members of such dense subgraphs are those achieving the optimal spreading in the network.In the second part of the thesis, we focused on identifying a group of nodes that by acting all together maximize the expected number of influenced nodes at the end of the spreading process, formally called Influence Maximization (IM). The IM problem is actually NP-hard though there exist approximation guarantees for efficient algorithms that can solve the problem while obtaining a solution within the 63% of optimal classes of models. As those guarantees propose a greedy approximation which is computationally expensive especially for large graphs, we proposed the MATI algorithm which succeeds in locating the group of users that maximize the influence while also being scalable. The algorithm takes advantage the possible paths created in each node’s neighborhood to precalculate each node’s potential influence and produces competitive results in quality compared to those of baseline algorithms such as the Greedy, LDAG and SimPath. In the last part of the thesis, we study the privacy point of view of sharing such metrics that are good influential indicators in a social network. We have focused on designing an algorithm that addresses the problem of computing through an efficient, correct, secure, and privacy-preserving algorithm the k-core metric which measures the influence of each node of the network. We have specifically adopted a decentralization approach where the social network is considered as a Peer-to-peer (P2P) system. The algorithm is built based on the constraint that it should not be possible for a node to reconstruct partially or entirely the graph using the information they obtain during its execution. While a distributed algorithm that computes the nodes’ coreness is already proposed, dynamic networks are not taken into account. Our main contribution is an incremental algorithm that efficiently solves the core maintenance problem in P2P while limiting the number of messages exchanged and computations. We provide a security and privacy analysis of the solution regarding network de-anonimization and show how it relates to previously defined attacks models and discuss countermeasures.