Scalable String and Suffix Sorting: Algorithms, Techniques, and Tools

This dissertation focuses on two fundamental sorting problems: string sorting and suffix sorting. The first part considers parallel string sorting on shared-memory multi-core machines, the second part external memory suffix sorting using the induced sorting principle, and the third part distributed external memory suffix sorting with a new distributed algorithmic big data framework named Thrill.Comment: 396 pages, dissertation, Karlsruher Instituts f\"ur Technologie (2018). arXiv admin note: text overlap with arXiv:1101.3448 by other author

On-the-Fly Array Initialization in Less Space

We show that for all given n,t,w in {1,2,...} with n<2^w, an array of n entries of w bits each can be represented on a word RAM with a word length of w bits in at most nw+ceil(n(t/(2 w))^t) bits of uninitialized memory to support constant-time initialization of the whole array and O(t)-time reading and writing of individual array entries. At one end of this tradeoff, we achieve initialization and access (i.e., reading and writing) in constant time with nw+ceil(n/w^t) bits for arbitrary fixed t, to be compared with nw+Theta(n) bits for the best previous solution, and at the opposite end, still with constant-time initialization, we support O(log n)-time access with just nw+1 bits, which is optimal for arbitrary access times if the initialization executes fewer than n steps

New generic indexing technology

There has been no fundamental change in the dynamic indexing methods supporting database systems since the invention of the B-tree twenty-five years ago. And yet the whole classical approach to dynamic database indexing has long since become inappropriate and increasingly inadequate. We are moving rapidly from the conventional one-dimensional world of fixed-structure text and numbers to a multi-dimensional world of variable structures, objects and images, in space and time. But, even before leaving the confines of conventional database indexing, the situation is highly unsatisfactory. In fact, our research has led us to question the basic assumptions of conventional database indexing. We have spent the past ten years studying the properties of multi-dimensional indexing methods, and in this paper we draw the strands of a number of developments together - some quite old, some very new, to show how we now have the basis for a new generic indexing technology for the next generation of database systems

Efficient geographic information systems: Data structures, Boolean operations and concurrency control

Geographic Information Systems (GIS) are crucial to the ability of govern mental agencies and business to record, manage and analyze geographic data efficiently. They provide methods of analysis and simulation on geographic data that were previously infeasible using traditional hardcopy maps. Creation of realistic 3-D sceneries by overlaying satellite imagery over digital elevation models (DEM) was not possible using paper maps. Determination of suitable areas for construction that would have the fewest environmental impacts once required manual tracing of different map sets on mylar sheets; now it can be done in real time by GIS. Geographic information processing has significant space and time require ments. This thesis concentrates on techniques which can make existing GIS more efficient by considering these issues: Data Structure, Boolean Operations on Geographic Data, Concurrency Control. Geographic data span multiple dimensions and consist of geometric shapes such as points, lines, and areas, which cannot be efficiently handled using a traditional one-dimensional data structure. We therefore first survey spatial data structures for geographic data and then show how a spatial data structure called an R-tree can be used to augment the performance of many existing GIS. Boolean operations on geographic data are fundamental to the spatial anal ysis common in geographic data processing. They allow the user to analyze geographic data by using operators such as AND, OR, NOT on geographic ob jects. An example of a boolean operation query would be, Find all regions that have low elevation AND soil type clay. Boolean operations require signif icant time to process. We present a generalized solution that could significantly improve the time performance of evaluating complex boolean operation queries. Concurrency control on spatial data structures for geographic data processing is becoming more critical as the size and resolution of geographic databases increase. We present algorithms to enable concurrent access to R-tree spatial data structures so that efficient sharing of geographic data can occur in a multi user GIS environment

Solving Geometric Problems in Space-Conscious Models

When dealing with massive data sets, standard algorithms may easily ``run out of memory''. In this thesis, we design efficient algorithms in space-conscious models. In particular, in-place algorithms, multi-pass algorithms, read-only algorithms, and stream-sort algorithms are studied, and the focus is on fundamental geometric problems, such as 2D convex hulls, 3D convex hulls, Voronoi diagrams and nearest neighbor queries, Klee's measure problem, and low-dimensional linear programming. In-place algorithms only use O(1) extra space besides the input array. We present a data structure for 2D nearest neighbor queries and algorithms for Klee's measure problem in this model. Algorithms in the multi-pass model only make read-only sequential access to the input, and use sublinear working space and small (usually a constant) number of passes on the input. We present algorithms and lower bounds for many problems, including low-dimensional linear programming and convex hulls, in this model. Algorithms in the read-only model only make read-only random access to the input array, and use sublinear working space. We present algorithms for Klee's measure problem and 2D convex hulls in this model. Algorithms in the stream-sort model use sorting as a primitive operation. Each pass can either sort the data or make sequential access to the data. As in the multi-pass model, these algorithms can only use sublinear working space and a small (usually a constant) number of passes on the data. We present algorithms for constructing convex hulls and polygon triangulation in this model

Design and Analysis of Multidimensional Data Structures

Aquesta tesi està dedicada al disseny i a l'anàlisi d'estructures de dades multidimensionals, és a dir, estructures de dades que serveixen per emmagatzemar registres $K$-dimensionals que solen representar-se com a punts en l'espai $[0,1]^K$. Aquestes estructures tenen aplicacions en diverses àrees de la informàtica com poden ser els sistemes d'informació geogràfica, la robòtica, el processament d'imatges, la world wide web, el data mining, entre d'altres. Les estructures de dades multidimensionals també es poden utilitzar com a indexos d'estructures de dades que emmagatzemen, possiblement en memòria externa, dades més complexes que els punts.Les estructures de dades multidimensionals han d'oferir la possibilitat de realitzar operacions d'inserció i esborrat de claus dinàmicament, a més de permetre realitzar cerques anomenades associatives. Exemples d'aquest tipus de cerques són les cerques per rangs ortogonals (quins punts cauen dintre d'un hiper-rectangle donat?) i les cerques del veí més proper (quin és el punt més proper a un punt donat?).Podem dividir les contribucions d'aquesta tesi en dues parts: La primera part està relacionada amb el disseny d'estructures de dades per a punts multidimensionals. Inclou el disseny d'arbres binaris $K$-dimensionals al·leatoritzats (Randomized $K$-d trees), el d'arbres quaternaris al·leatoritzats (Randomized quad trees) i el d'arbres multidimensionals amb punters de referència (Fingered multidimensional trees).La segona part analitza el comportament de les estructures de dades multidimensionals. En particular, s'analitza el cost mitjà de les cerques parcials en arbres $K$-dimensionals relaxats, i el de les cerques per rang en diverses estructures de dades multidimensionals. Respecte al disseny d'estructures de dades multidimensionals, proposem algorismes al·leatoritzats d'inserció i esborrat de registres per als arbres $K$-dimensionals i per als arbres quaternaris. Aquests algorismes produeixen arbres aleatoris, independentment de l'ordre d'inserció dels registres i desprès de qualsevol seqüència d'insercions i esborrats. De fet, el comportament esperat de les estructures produïdes mitjançant els algorismes al·leatoritzats és independent de la distribució de les dades d'entrada, tot i conservant la simplicitat i la flexibilitat dels arbres $K$-dimensionals i quaternaris estàndard. Introduïm també els arbres multidimensionals amb punters de referència. Això permet que les estructures multidimensionals puguin aprofitar l'anomenada localitat de referència en cerques associatives altament correlacionades.I respecte de l'anàlisi d'estructures de dades multidimensionals, primer analitzem el cost esperat de las cerques parcials en els arbres $K$-dimensionals relaxats. Seguidament utilitzem aquest resultat com a base per a l'anàlisi de les cerques per rangs ortogonals, juntament amb arguments combinatoris i geomètrics. D'aquesta manera obtenim un estimat asimptòtic precís del cost de les cerques per rangs ortogonals en els arbres $K$-dimensionals aleatoris. Finalment, mostrem que les tècniques utilitzades es poden estendre fàcilment a d'altres estructures de dades i per tant proporcionem una anàlisi exacta del cost mitjà de cerques per rang en estructures de dades com són els arbres $K$-dimensionals estàndard, els arbres quaternaris, els tries quaternaris i els tries $K$-dimensionals.Esta tesis está dedicada al diseño y al análisis de estructuras de datos multidimensionales; es decir, estructuras de datos específicas para almacenar registros $K$-dimensionales que suelen representarse como puntos en el espacio $[0,1]^K$. Estas estructuras de datos tienen aplicaciones en diversas áreas de la informática como son: los sistemas de información geográfica, la robótica, el procesamiento de imágenes, la world wide web o data mining, entre otras.Las estructuras de datos multidimensionales suelen utilizarse también como índices de estructuras que almacenan, posiblemente en memoria externa, datos complejos.Las estructuras de datos multidimensionales deben ofrecer la posibilidad de realizar operaciones de inserción y borrado de llaves de manera dinámica, pero además deben permitir realizar búsquedas asociativas en los registros almacenados. Ejemplos de búsquedas asociativas son las búsquedas por rangos ortogonales (¿qué puntos de la estructura de datos están dentro de un hiper-rectángulo dado?) y las búsquedas del vecino más cercano (¿cuál es el punto de la estructura de datos más cercano a un punto dado?).Las contribuciones de esta tesis se dividen en dos partes:La primera parte está dedicada al diseño de estructuras de datos para puntos multidimensionales, que incluye el diseño de los árboles binarios $K$-dimensionales aleatorios (Randomized $K$-d trees), el de los árboles cuaternarios aleatorios (Randomized quad trees), y el de los árboles multidimensionales con punteros de referencia (Fingered multidimensional trees).La segunda parte contiene contribuciones al análisis del comportamiento de las estructuras de datos para puntos multidimensionales. En particular, damos el análisis del costo promedio de las búsquedas parciales en los árboles $K$-dimensionales relajados y el de las búsquedas por rango en varias estructuras de datos multidimensionales.Con respecto al diseño de estructuras de datos multidimensionales, proponemos algoritmos aleatorios de inserción y borrado de registros para los árboles $K$-dimensionales y los árboles cuaternarios que producen árboles aleatorios independientemente del orden de inserción de los registros y después de cualquier secuencia de inserciones y borrados intercalados. De hecho, con la aleatorización garantizamos un buen rendimiento esperado de las estructuras de datos resultantes, que es independiente de la distribución de los datos de entrada, conservando la flexibilidad y la simplicidad de los árboles $K$-dimensionales y de los árboles cuaternarios estándar. También proponemos los árboles multidimensionales con punteros de referencia, una técnica que permite que las estructuras de datos multidimensionales exploten la localidad de referencia en búsquedas asociativas que se presentan altamente correlacionadas.Con respecto al análisis de estructuras de datos multidimensionales, comenzamos dando un análisis preciso del costo esperado de las búsquedas parciales en los árboles $K$-dimensionales relajados. A continuación, utilizamos este resultado como base para el análisis de las búsquedas por rangos ortogonales, combinándolo con argumentos combinatorios y geométricos. Como resultado obtenemos un estimado asintótico preciso del costo de las búsquedas por rango en los árboles $K$-dimensionales relajados. Finalmente, mostramos que las técnicas utilizadas pueden extenderse fácilmente a otras estructuras de datos y por tanto proporcionamos un análisis preciso del costo promedio de búsquedas por rango en estructuras de datos como los árboles $K$-dimensionales estándar, los árboles cuaternarios, los tries cuaternarios y los tries $K$-dimensionales.This thesis is about the design and analysis of point multidimensional data structures: data structures that store $K$-dimensional keys which we may abstract as points in $[0,1]^K$. These data structures are present in many applications of geographical information systems, image processing or robotics, among others. They are also frequently used as indexes of more complex data structures, possibly stored in external memory.Point multidimensional data structures must have capabilities such as insertion, deletion and (exact) search of items, but in addition they must support the so called {em associative queries}. Examples of these queries are orthogonal range queries (which are the items that fall inside a given hyper-rectangle?) and nearest neighbour queries (which is the closest item to some given point?).The contributions of this thesis are two-fold:Contributions to the design of point multidimensional data structures: the design of randomized $K$-d trees, the design of randomized quad trees and the design of fingered multidimensional search trees;Contributions to the analysis of the performance of point multidimensional data structures: the average-case analysis of partial match queries in relaxed $K$-d trees and the average-case analysis of orthogonal range queries in various multidimensional data structures.Concerning the design of randomized point multidimensional data structures, we propose randomized insertion and deletion algorithms for $K$-d trees and quad trees that produce random $K$-d trees and quad trees independently of the order in which items are inserted into them and after any sequence of interleaved insertions and deletions. The use of randomization provides expected performance guarantees, irrespective of any assumption on the data distribution, while retaining the simplicity and flexibility of standard $K$-d trees and quad trees.Also related to the design of point multidimensional data structures is the proposal of fingered multidimensional search trees, a new technique that enhances point multidimensional data structures to exploit locality of reference in associative queries.With regards to performance analysis, we start by giving a precise analysis of the cost of partial matches in randomized $K$-d trees. We use these results as a building block in our analysis of orthogonal range queries, together with combinatorial and geometric arguments and we provide a tight asymptotic estimate of the cost of orthogonal range search in randomized $K$-d trees. We finally show that the techniques used apply easily to other data structures, so we can provide an analysis of the average cost of orthogonal range search in other data structures such as standard $K$-d trees, quad trees, quad tries, and $K$-d tries

Design and Analysis of Multidimensional Data Structures

Aquesta tesi està dedicada al disseny i a l'anàlisi d'estructures de dades multidimensionals, és a dir, estructures de dades que serveixen per emmagatzemar registres $K$-dimensionals que solen representar-se com a punts en l'espai $[0,1]^K$. Aquestes estructures tenen aplicacions en diverses àrees de la informàtica com poden ser els sistemes d'informació geogràfica, la robòtica, el processament d'imatges, la world wide web, el data mining, entre d'altres. Les estructures de dades multidimensionals també es poden utilitzar com a indexos d'estructures de dades que emmagatzemen, possiblement en memòria externa, dades més complexes que els punts.Les estructures de dades multidimensionals han d'oferir la possibilitat de realitzar operacions d'inserció i esborrat de claus dinàmicament, a més de permetre realitzar cerques anomenades associatives. Exemples d'aquest tipus de cerques són les cerques per rangs ortogonals (quins punts cauen dintre d'un hiper-rectangle donat?) i les cerques del veí més proper (quin és el punt més proper a un punt donat?).Podem dividir les contribucions d'aquesta tesi en dues parts: La primera part està relacionada amb el disseny d'estructures de dades per a punts multidimensionals. Inclou el disseny d'arbres binaris $K$-dimensionals al·leatoritzats (Randomized $K$-d trees), el d'arbres quaternaris al·leatoritzats (Randomized quad trees) i el d'arbres multidimensionals amb punters de referència (Fingered multidimensional trees).La segona part analitza el comportament de les estructures de dades multidimensionals. En particular, s'analitza el cost mitjà de les cerques parcials en arbres $K$-dimensionals relaxats, i el de les cerques per rang en diverses estructures de dades multidimensionals. Respecte al disseny d'estructures de dades multidimensionals, proposem algorismes al·leatoritzats d'inserció i esborrat de registres per als arbres $K$-dimensionals i per als arbres quaternaris. Aquests algorismes produeixen arbres aleatoris, independentment de l'ordre d'inserció dels registres i desprès de qualsevol seqüència d'insercions i esborrats. De fet, el comportament esperat de les estructures produïdes mitjançant els algorismes al·leatoritzats és independent de la distribució de les dades d'entrada, tot i conservant la simplicitat i la flexibilitat dels arbres $K$-dimensionals i quaternaris estàndard. Introduïm també els arbres multidimensionals amb punters de referència. Això permet que les estructures multidimensionals puguin aprofitar l'anomenada localitat de referència en cerques associatives altament correlacionades.I respecte de l'anàlisi d'estructures de dades multidimensionals, primer analitzem el cost esperat de las cerques parcials en els arbres $K$-dimensionals relaxats. Seguidament utilitzem aquest resultat com a base per a l'anàlisi de les cerques per rangs ortogonals, juntament amb arguments combinatoris i geomètrics. D'aquesta manera obtenim un estimat asimptòtic precís del cost de les cerques per rangs ortogonals en els arbres $K$-dimensionals aleatoris. Finalment, mostrem que les tècniques utilitzades es poden estendre fàcilment a d'altres estructures de dades i per tant proporcionem una anàlisi exacta del cost mitjà de cerques per rang en estructures de dades com són els arbres $K$-dimensionals estàndard, els arbres quaternaris, els tries quaternaris i els tries $K$-dimensionals.Esta tesis está dedicada al diseño y al análisis de estructuras de datos multidimensionales; es decir, estructuras de datos específicas para almacenar registros $K$-dimensionales que suelen representarse como puntos en el espacio $[0,1]^K$. Estas estructuras de datos tienen aplicaciones en diversas áreas de la informática como son: los sistemas de información geográfica, la robótica, el procesamiento de imágenes, la world wide web o data mining, entre otras.Las estructuras de datos multidimensionales suelen utilizarse también como índices de estructuras que almacenan, posiblemente en memoria externa, datos complejos.Las estructuras de datos multidimensionales deben ofrecer la posibilidad de realizar operaciones de inserción y borrado de llaves de manera dinámica, pero además deben permitir realizar búsquedas asociativas en los registros almacenados. Ejemplos de búsquedas asociativas son las búsquedas por rangos ortogonales (¿qué puntos de la estructura de datos están dentro de un hiper-rectángulo dado?) y las búsquedas del vecino más cercano (¿cuál es el punto de la estructura de datos más cercano a un punto dado?).Las contribuciones de esta tesis se dividen en dos partes:La primera parte está dedicada al diseño de estructuras de datos para puntos multidimensionales, que incluye el diseño de los árboles binarios $K$-dimensionales aleatorios (Randomized $K$-d trees), el de los árboles cuaternarios aleatorios (Randomized quad trees), y el de los árboles multidimensionales con punteros de referencia (Fingered multidimensional trees).La segunda parte contiene contribuciones al análisis del comportamiento de las estructuras de datos para puntos multidimensionales. En particular, damos el análisis del costo promedio de las búsquedas parciales en los árboles $K$-dimensionales relajados y el de las búsquedas por rango en varias estructuras de datos multidimensionales.Con respecto al diseño de estructuras de datos multidimensionales, proponemos algoritmos aleatorios de inserción y borrado de registros para los árboles $K$-dimensionales y los árboles cuaternarios que producen árboles aleatorios independientemente del orden de inserción de los registros y después de cualquier secuencia de inserciones y borrados intercalados. De hecho, con la aleatorización garantizamos un buen rendimiento esperado de las estructuras de datos resultantes, que es independiente de la distribución de los datos de entrada, conservando la flexibilidad y la simplicidad de los árboles $K$-dimensionales y de los árboles cuaternarios estándar. También proponemos los árboles multidimensionales con punteros de referencia, una técnica que permite que las estructuras de datos multidimensionales exploten la localidad de referencia en búsquedas asociativas que se presentan altamente correlacionadas.Con respecto al análisis de estructuras de datos multidimensionales, comenzamos dando un análisis preciso del costo esperado de las búsquedas parciales en los árboles $K$-dimensionales relajados. A continuación, utilizamos este resultado como base para el análisis de las búsquedas por rangos ortogonales, combinándolo con argumentos combinatorios y geométricos. Como resultado obtenemos un estimado asintótico preciso del costo de las búsquedas por rango en los árboles $K$-dimensionales relajados. Finalmente, mostramos que las técnicas utilizadas pueden extenderse fácilmente a otras estructuras de datos y por tanto proporcionamos un análisis preciso del costo promedio de búsquedas por rango en estructuras de datos como los árboles $K$-dimensionales estándar, los árboles cuaternarios, los tries cuaternarios y los tries $K$-dimensionales.This thesis is about the design and analysis of point multidimensional data structures: data structures that store $K$-dimensional keys which we may abstract as points in $[0,1]^K$. These data structures are present in many applications of geographical information systems, image processing or robotics, among others. They are also frequently used as indexes of more complex data structures, possibly stored in external memory.Point multidimensional data structures must have capabilities such as insertion, deletion and (exact) search of items, but in addition they must support the so called {em associative queries}. Examples of these queries are orthogonal range queries (which are the items that fall inside a given hyper-rectangle?) and nearest neighbour queries (which is the closest item to some given point?).The contributions of this thesis are two-fold:Contributions to the design of point multidimensional data structures: the design of randomized $K$-d trees, the design of randomized quad trees and the design of fingered multidimensional search trees;Contributions to the analysis of the performance of point multidimensional data structures: the average-case analysis of partial match queries in relaxed $K$-d trees and the average-case analysis of orthogonal range queries in various multidimensional data structures.Concerning the design of randomized point multidimensional data structures, we propose randomized insertion and deletion algorithms for $K$-d trees and quad trees that produce random $K$-d trees and quad trees independently of the order in which items are inserted into them and after any sequence of interleaved insertions and deletions. The use of randomization provides expected performance guarantees, irrespective of any assumption on the data distribution, while retaining the simplicity and flexibility of standard $K$-d trees and quad trees.Also related to the design of point multidimensional data structures is the proposal of fingered multidimensional search trees, a new technique that enhances point multidimensional data structures to exploit locality of reference in associative queries.With regards to performance analysis, we start by giving a precise analysis of the cost of partial matches in randomized $K$-d trees. We use these results as a building block in our analysis of orthogonal range queries, together with combinatorial and geometric arguments and we provide a tight asymptotic estimate of the cost of orthogonal range search in randomized $K$-d trees. We finally show that the techniques used apply easily to other data structures, so we can provide an analysis of the average cost of orthogonal range search in other data structures such as standard $K$-d trees, quad trees, quad tries, and $K$-d tries

Efficient Similarity Search in Structured Data

Modern database applications are characterized by two major aspects: the use of complex data types with internal structure and the need for new data analysis methods. The focus of database users has shifted from simple queries to complex analyses of the data, known as knowledge discovery in databases. Important tasks in this area are the grouping of data objects (clustering), the classification of new data objects or the detection of exceptional data objects (outlier detection). Most algorithms for solving those problems are based on similarity search in databases. This makes efficient similarity search in large databases of structured objects an important basic operation for modern database applications. In this thesis we develop efficient methods for similarity search in large databases of structured data and improve the efficiency of existing query processing techniques. For the data objects, only a tree or graph structure is assumed which can be extended with arbitrary attribute information. Starting with an analysis of the demands from two example applications, several important requirements for similarity measures are identified. One aspect is the adaptability of the similarity search method to the requirements of the user and the application domain. This can even imply a change of the similarity measure between two successive queries of the same user. An explanation component which makes clear why objects are considered similar by the system is a necessary precondition for a purposeful adaption of the measure. Consequently, the edit distance, well-known from string processing, is a common similarity measure for graph structured objects. Its feature to allow a visualization of corresponding substructures and the possibility to weight single operations are the reason for this popularity. But it turns out that the edit distance and similar measures for tree structures are computationally extremely complex which makes them unsuitable for today's large and even growing databases. Therefore, we develop a multi-step query processing architecture which reduces the number of necessary distance calculations significantly. This is achieved by employing suitable filter methods. Furthermore, we show that by easing certain restrictions on the similarity measure, a significant performance gain can be obtained without reducing the quality of the measure. To achieve this, matchings of substructures (vertices or edges) of the data objects are determined. An additional cost function for those matchings allows to derive a similarity measure for structured data, called the edge matching distance, from the cost optimal matching of the substructures. But even for this new similarity measure, efficiency can be improved significantly by using a multi-step query processing approach. This allows the use of the edge matching distance for knowledge discovery applications in large databases. Within the thesis, the properties of our new similarity search methods are proved both theoretically and through experiments.Moderne Datenbankanwendungen werden vor allem durch zwei wesentliche Aspekte charakterisiert. Dies ist zum einen die Verwendung komplexer Datentypen mit interner Struktur und zum anderen die Notwendigkeit neuer Recherchemöglichkeiten. Der Fokus bei der Datenbankbenutzung hat sich von einfachen Anfragen hin zu komplexen Analysen des Datenbestandes, dem sogenannten Knowledge-Discovery in Datenbanken, entwickelt. Wichtige Analysetechniken in diesem Bereich sind unter anderem die Gruppierung der Daten in Teilmengen (Clustering), die Klassifikation neuer Datenobjekte im Bezug auf den vorhandenen Datenbestand und das Erkennen von Ausreißern in den Daten (Outlier-Identifikation). Die Basis für die meisten Verfahren zur Lösung dieser Aufgaben bildet dabei die Bestimmung der Ähnlichkeit von Datenbankobjekten. Die effiziente Ähnlichkeitssuche in großen Datenbanken strukturierter Objekte ist daher eine wichtige Basisoperation für moderne Datenbankanwendungen. In dieser Doktorarbeit werden daher effiziente Verfahren für die Ähnlichkeitssuche in großen Mengen strukturierter Objekte entwickelt, bzw. die Effizienz vorhandener Verfahren deutlich zu verbessert. Dabei wird lediglich eine baum- oder allgemein graphartige innere Struktur der Datenobjekte vorausgesetzt, die durch beliebige Attribute erweitert wird. Ausgehend von einer Analyse der Anforderungen an Ähnlichkeitssuchverfahren in zwei Beispielsanwendungen aus dem Bereich der Bildsuche und des Proteindockings, wurden mehrere wichtige Aspekte der Ähnlichkeitssuche identifiziert. Ein erster Aspekt ist, das Maß für die Ähnlichkeit für den Benutzer anpassbar zu gestalten, da der zugrundeliegende Ähnlichkeitsbegriff sowohl benutzer- als auch situationsabhängig ist, was bis hin zur Änderung des Ähnlichkeitsbegriffs zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anfragen gehen kann. Voraussetzung für eine zielgerichtete Anpassung des Ähnlichkeitsbegriffs ist dabei eine Erklärungskomponente, welche dem Benutzer das Zustandekommen eines Ähnlichkeitswertes verdeutlicht. Die aus der Stringverarbeitung bekannte Edit-Distanz ist deshalb ein weit verbreitetes Maß für die Ähnlichkeit von graphstrukturierten Objekten, da sie eine Gewichtung einzelner Operationen erlaubt und durch eine Zuordnung von Teilobjekten aus den zu vergleichenden Strukturen eine Erklärungskomponente liefert. Es zeigt sich jedoch, dass die Bestimmung der Edit-Distanz und vergleichbarer Ähnlichkeitsmaße für Baum- oder Graphstrukturen extrem zeitaufwendig ist. Es wird daher zunächst ein mehrstufiges Anfragebearbeitungsmodell entwickelt, welches durch geeignete Filterschritte die Anzahl der notwendigen Distanzberechnungen massiv reduziert und so die Geschwindigkeit der Anfragebearbeitung deutlich steigert bzw. erst für große Datenmengen akzeptabel macht. Im nächsten Schritt wird aufgezeigt, wie sich durch Lockerung einiger Bedingungen für das Ähnlichkeitsmaß deutliche Geschwindigkeitssteigerungen erreichen lassen, ohne Einbußen bezüglich der Qualität der Anfrageergebnisse hinnehmen zu müssen. Dazu werden Paarungen von Teilstrukturen (Knoten oder Kanten) der zu vergleichenden Objekte bestimmt, die zusätzlich mittels einer Kostenfunktion gewichtet werden. Eine bezüglich dieser Kostenfunktion optimale Paarung aller Teilstrukturen stellt dann ein Maß für die Ähnlichkeit der Vergleichsobjekte dar, die sogenannte "edge matching distance". Es zeigt sich jedoch, dass auch für dieses neue Ähnlichkeitsmaß eine mehrstufige Anfragebearbeitung zusammen mit entsprechenden, neuartigen Filtermethoden eine erhebliche Performanzsteigerung erlaubt. Diese stellt die Voraussetzung für die Anwendung der Verfahren im Rahmen des Knowledge-Discovery in großen Datenbanken dar. Dabei werden die genannten Eigenschaften der neu entwickelten Verfahren sowohl theoretisch als auch mittels praktischer Experimente belegt