Kirchhoff Index As a Measure of Edge Centrality in Weighted Networks: Nearly Linear Time Algorithms

Most previous work of centralities focuses on metrics of vertex importance and methods for identifying powerful vertices, while related work for edges is much lesser, especially for weighted networks, due to the computational challenge. In this paper, we propose to use the well-known Kirchhoff index as the measure of edge centrality in weighted networks, called $\theta$-Kirchhoff edge centrality. The Kirchhoff index of a network is defined as the sum of effective resistances over all vertex pairs. The centrality of an edge $e$ is reflected in the increase of Kirchhoff index of the network when the edge $e$ is partially deactivated, characterized by a parameter $\theta$. We define two equivalent measures for $\theta$-Kirchhoff edge centrality. Both are global metrics and have a better discriminating power than commonly used measures, based on local or partial structural information of networks, e.g. edge betweenness and spanning edge centrality. Despite the strong advantages of Kirchhoff index as a centrality measure and its wide applications, computing the exact value of Kirchhoff edge centrality for each edge in a graph is computationally demanding. To solve this problem, for each of the $\theta$-Kirchhoff edge centrality metrics, we present an efficient algorithm to compute its $\epsilon$-approximation for all the $m$ edges in nearly linear time in $m$. The proposed $\theta$-Kirchhoff edge centrality is the first global metric of edge importance that can be provably approximated in nearly-linear time. Moreover, according to the $\theta$-Kirchhoff edge centrality, we present a $\theta$-Kirchhoff vertex centrality measure, as well as a fast algorithm that can compute $\epsilon$-approximate Kirchhoff vertex centrality for all the $n$ vertices in nearly linear time in $m$

Scalable Algorithms for the Analysis of Massive Networks

Die Netzwerkanalyse zielt darauf ab, nicht-triviale Erkenntnisse aus vernetzten Daten zu gewinnen. Beispiele für diese Erkenntnisse sind die Wichtigkeit einer Entität im Verhältnis zu anderen nach bestimmten Kriterien oder das Finden des am besten geeigneten Partners für jeden Teilnehmer eines Netzwerks - bekannt als Maximum Weighted Matching (MWM). Da der Begriff der Wichtigkeit an die zu betrachtende Anwendung gebunden ist, wurden zahlreiche Zentralitätsmaße eingeführt. Diese Maße stammen hierbei aus Jahrzehnten, in denen die Rechenleistung sehr begrenzt war und die Netzwerke im Vergleich zu heute viel kleiner waren. Heute sind massive Netzwerke mit Millionen von Kanten allgegenwärtig und eine triviale Berechnung von Zentralitätsmaßen ist oft zu zeitaufwändig. Darüber hinaus ist die Suche nach der Gruppe von k Knoten mit hoher Zentralität eine noch kostspieligere Aufgabe. Skalierbare Algorithmen zur Identifizierung hochzentraler (Gruppen von) Knoten in großen Graphen sind von großer Bedeutung für eine umfassende Netzwerkanalyse. Heutigen Netzwerke verändern sich zusätzlich im zeitlichen Verlauf und die effiziente Aktualisierung der Ergebnisse nach einer Änderung ist eine Herausforderung. Effiziente dynamische Algorithmen sind daher ein weiterer wesentlicher Bestandteil moderner Analyse-Pipelines. Hauptziel dieser Arbeit ist es, skalierbare algorithmische Lösungen für die zwei oben genannten Probleme zu finden. Die meisten unserer Algorithmen benötigen Sekunden bis einige Minuten, um diese Aufgaben in realen Netzwerken mit bis zu Hunderten Millionen von Kanten zu lösen, was eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt. Außerdem erweitern wir einen modernen Algorithmus für MWM auf dynamische Graphen. Experimente zeigen, dass unser dynamischer MWM-Algorithmus Aktualisierungen in Graphen mit Milliarden von Kanten in Millisekunden bewältigt.Network analysis aims to unveil non-trivial insights from networked data by studying relationship patterns between the entities of a network. Among these insights, a popular one is to quantify the importance of an entity with respect to the others according to some criteria. Another one is to find the most suitable matching partner for each participant of a network knowing the pairwise preferences of the participants to be matched with each other - known as Maximum Weighted Matching (MWM). Since the notion of importance is tied to the application under consideration, numerous centrality measures have been introduced. Many of these measures, however, were conceived in a time when computing power was very limited and networks were much smaller compared to today's, and thus scalability to large datasets was not considered. Today, massive networks with millions of edges are ubiquitous, and a complete exact computation for traditional centrality measures are often too time-consuming. This issue is amplified if our objective is to find the group of k vertices that is the most central as a group. Scalable algorithms to identify highly central (groups of) vertices on massive graphs are thus of pivotal importance for large-scale network analysis. In addition to their size, today's networks often evolve over time, which poses the challenge of efficiently updating results after a change occurs. Hence, efficient dynamic algorithms are essential for modern network analysis pipelines. In this work, we propose scalable algorithms for identifying important vertices in a network, and for efficiently updating them in evolving networks. In real-world graphs with hundreds of millions of edges, most of our algorithms require seconds to a few minutes to perform these tasks. Further, we extend a state-of-the-art algorithm for MWM to dynamic graphs. Experiments show that our dynamic MWM algorithm handles updates in graphs with billion edges in milliseconds