Rumor spreading: robustness and limiting distributions

In this thesis, we study mathematical aspects of information dissemination. The four collected works investigate randomized rumor spreading with regard to its robustness and asymptotic runtime as well as adversarial effects on opinion forming. In the first contribution, Robustness of Randomized Rumor Spreading, we investigate the popular randomized rumor spreading algorithms push, pull and pushpull. These are used to spread information quickly through large networks, typically modelled by graphs. Starting with one informed vertex and depending on the used algorithm the information is spread in a round based manner. Using push, every informed vertex chooses a random neighbour and passes the information forward. With pull, each vertex yet uninformed connects to a randomly chosen neighbor and receives the information, if the vertex it connected to is informed. pushpull is a combination of push and pull. Every vertex chooses a random neighbour, if one of them is informed then the other will be informed as well. Their advantages over deterministic algorithms are, that they are easy to implement, fast and very robust against failures. However, there is only sporadic information available to substantiate the claimed robustness. The aim of this work is to close this gap. To that end, three orthogonal properties and their effects on the speed of the dissemination are studied. First, we show that the density of the graph does not play an important role. For fast dissemination it is not relevant how many edges there are, but how evenly they are distributed in the graph. Thus, a network could have many faulty connections, but as long as the remaining ones are spread evenly the speed of the dissemination is not significantly impacted. This begs the question how evenly the remaining edges need to be spread to guarantee a fast dissemination. Surprisingly, the answer to this question is not the same for all three rumor spreading algorithms. pull and pushpull are very robust. Starting from a graph with evenly distributed edges and thus fast dissemination one may introduce irregularities by deleting up to one half of all edges at each node and the dissemination remains fast. However, for push the dissemination already slows down significantly if only few irregularities are introduced. Lastly, we additionally consider random message transmission failures. From previous works, we know that on "nice" graphs all three algorithms only slow down proportionally to the failure probability. However, when considering the effect of density and irregularities together with transmission failures, the picture changes once more. pull alone retains its fast dissemination. With a suitable choice of parameters, pushpull similar to \push can be slowed down significantly. Thus, we can not unconditionally confirm the claimed robustness for all three rumor spreading algorithms, only pull proved to be robust against all introduced challenges, push and pushpull, however, did not. In the second contribution, Asymptotics for Push on the Complete Graph, we move from the general approach of quantifying the robustness of all three randomized rumor spreading algorithms on a broad range of networks to very precisely describing the runtime of push on complete graphs only. Thereby, the runtime is defined as the time until the information is disseminated to all vertices in the graph. In this work, we completely describe the limiting distribution of the runtime of push on the complete graph in terms of a Gumbel distributed random variable. We made a surprising observation, the asymptotic distribution does not converge everywhere, only on suitable subsequences. This results in the phenomena, that the expected runtime is not constant either but infimum and supremum over all n differ by about 10^-4. After successfully solving push on the complete graph, a natural question is to ask whether the same can be achieved for other rumor spreading algorithms. The third contribution, Asymptotics for Pull on the Complete Graph, answers this question for pull, describing the asymptotic distribution of the runtime of pull on the complete graph in terms of a martingale limit. Again we observed that the limiting distribution only exists on suitable subsequences. We study the expected runtime numerically, finding strong evidence that it is not constant either. The last contribution, The Effect of Iterativity on Adversarial Opinion Forming, deviates from the previously considered model and introduces a second competing piece of information. We interpret them as opinions and assume one to be the truth and the other one to be a falsehood. The opinions are spread through the network by a simple majority rule, i.e. uninformed vertices take the majority opinion of their informed neighbours. Known properties that guarantee robustness are the degree being sufficiently bounded or the edges being evenly distributed. The question considered in this contribution is whether an alternative iterative dissemination process influences robustness. Alon et al. conjecture that iterativity is always beneficial for the adversary. We refute that conjecture by giving a graph where iterativity benefits robustness.In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit mathematischen Aspekten der Informationsverbreitung in Netzwerken. Die vier gesammelten Beiträge untersuchen randomisierte Gerüchteverbreitungsalgorithmen hinsichtlich ihrer Robustheit und asymptotischen Laufzeit, sowie gegnerische Auswirkungen auf die Meinungsbildung. Der erste Beitrag, Robustness of Randomized Rumor Spreading, befasst sich mit den populären randomisierten Gerüchteverbreitungsalgorithmen Push, Pull und Push&Pull. Diese werden dazu verwendet, um Informationen schnell durch große, als Graphen modellierte Netzwerke zu verteilen. Beginnend mit einem informierten Knoten und in Runden verfahrend, werden die Informationen abhängig vom verwendeten Algorithmus verteilt. Wird \push benutzt, so wählt jeder informierte Knoten einen zufälligen Nachbarn und gibt die Information weiter. Mit Pull wählen uninformierte Knoten zufällige Nachbarn und werden informiert, falls der gewählte Nachbar informiert ist. Push&Pull ist eine Kombination aus Push und Pull. Jeder Knoten wählt einen zufälligen Nachbarn aus, ist einer der beiden informiert, so wird auch der andere informiert. Mit einer einfachen Implementierung, hohen Geschwindigkeit und einer starken Robustheit heben sich die randomisierten Gerüchteverbreitungsalgorithmen positiv von deterministischen Algorithmen ab. Bisher liegen jedoch nur sporadische Informationen vor, um die beobachtete Robustheit auch rigoros zu belegen. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Lücke zu schließen. Dafür betrachten wir drei verschiedene, strukturelle Eigenschaften der Graphen, um deren Auswirkungen auf die Geschwindigkeit der Verbreitung zu studieren. Als erstes Ergebnis zeigen wir, dass die Dichte des Netzwerks keinen nennenswerten Einfluss hat. Für eine schnelle Verbreitung der Informationen ist nicht die Anzahl der Kanten relevant, sondern deren gleichmäßige Verteilung. Ein Netzwerk könnte folglich viele fehlerhafte Verbindungen haben, aber solange die verbleibenden Verbindungen gleichmäßig verteilt sind, wird die Verbreitung nicht wesentlich verlangsamt. Dies regt die Untersuchung an, wie gleichmäßig die verbleibenden Kanten sein müssen, um eine schnelle Verbreitung zu gewährleisten. Wider Erwarten konnten wir Unterschiede in Abhängigkeit des gewählten Gerüchteverbreitungsalgorithmus aufzeigen. Pull und Push&Pull sind sehr widerstandsfähig. Denn ausgehend von einem „schönen“ Graph mit gleichmäßig verteilten Kanten können durch Löschen von Kanten Unregelmäßigkeiten eingebracht werden durch die sich die Geschwindigkeit der Gerüchteverbreitung nicht nennenswert verändert. Im Gegensatz dazu verlangsamt sich die Verbreitung mit Push bereits erheblich, wenn nur wenige Unregelmäßigkeiten auftreten. Abschließend befassen wir uns ergänzend mit zufällig auftretenden Übertragungsfehlern. Aus früheren Arbeiten wissen wir, dass sich bei „schönen“ Graphen alle drei Algorithmen nur proportional zur Ausfallswahrscheinlichkeit verlangsamen. Betrachten wir hingegen die Auswirkungen der Dichte und der Unregelmäßigkeiten mit Übertragungsfehlern zusammen, entsteht eine neue Sachlage. Dabei behält nur Pull seine schnelle Verbreitung bei, Push&Ppull kann bei einer entsprechenden Wahl der Parameter ähnlich wie Push verlangsamt werden. Somit ist eine Bestätigung der behaupteten Robustheit der drei Gerüchteverbreitungsalgorithmen nicht bedingungslos möglich. Lediglich Pull erwies sich als widerstandsfähig gegenüber allen betrachteten Problemen, Push und Push&Pull jedoch nicht. Im zweiten Beitrag, Asymptotics for Push on the Complete Graph, gehen wir vom allgemeinen Ansatz der Beschreibung der Robustheit aller drei randomisierten Gerüchteverbreitungsalgorithmen auf einem breiten Spektrum von Netzwerken zu einer sehr präzise Beschreibung der Laufzeit von Push auf vollständigen Graphen über. Dabei definiert sich die Laufzeit als die Zeit, in der die Information an alle Knoten im Graph verteilt wird. In dieser Arbeit beschreiben wir die Grenzverteilung der Laufzeit von Push auf dem vollständigen Graph. Dabei haben wir eine überraschende Beobachtung gemacht, denn die asymptotische Verteilung konvergiert nicht überall, sondern nur auf geeigneten Teilfolgen. Dies resultiert in dem Phänomen, dass die erwartete Laufzeit nicht konstant ist, vielmehr unterscheiden sich Supremum und Infimum über alle n um ungefähr 10^-4. Nach dieser erkenntnisreichen Arbeit stellt sich die natürliche Frage, ob dasselbe für die anderen Gerüchteverbreitungsalgorithmen gilt. Die daran anschließende Arbeit Asymptotics for Pull on the Complete Graph bejaht die aufgeworfene Frage für Pull, indem die asymptotische Verteilung der Laufzeit von Pull auf vollständigen Graph mit Hilfe eines Martingalgrenzwertes beschrieben wird. Ferner wird beobachtet, dass die Grenzverteilung nur auf geeigneten Teilfolgen existiert. Die erwartete Laufzeit wird mit Hilfe dieser Beschreibungen empirisch untersucht, wobei es eine starke Evidenz gibt, dass auch diese nicht konstant ist. Der letzte Beitrag, The Effect of Iterativity on Adversarial Opinion Forming, weicht vom bisher betrachteten Modell ab und führt eine zweite, konkurrierende Information ein. Diese interpretieren wir als Meinungen und nehmen eine davon als wahr an. Die Meinungen werden durch eine einfache Mehrheitsregel im Netzwerk verbreitet, d.h. uninformierte Knoten nehmen die Mehrheitsmeinung ihrer informierten Nachbarn an. Dabei sehen wir ein Netzwerk als robust an, wenn selbst ein Kontrahent die anfangs informierten Knoten nur so wählen kann, dass am Ende der Verbreitung stets die Mehrheit der Knoten von der Wahrheit überzeugt ist. Bekannte Beispiele robuster Netzwerke sind solche mit hinreichend beschränkten Knotengraden oder mit ausreichend gleichmäßig verteilten Kanten. In unserem Beitrag betrachten wir die Frage, inwiefern Robustheit durch einen alternativen, iterativen Verbreitungsprozess beeinflusst wird. Alon et al. vermuten eine negative Auswirkung von Iteration auf Robustheit. Wir widerlegen diese Vermutung durch Konstruktion eines Graphen, auf welchem ein iterativer Prozess die Verbreitung der Wahrheit begünstigt

Engineering Algorithms for Dynamic and Time-Dependent Route Planning

Efficiently computing shortest paths is an essential building block of many mobility applications, most prominently route planning/navigation devices and applications. In this thesis, we apply the algorithm engineering methodology to design algorithms for route planning in dynamic (for example, considering real-time traffic) and time-dependent (for example, considering traffic predictions) problem settings. We build on and extend the popular Contraction Hierarchies (CH) speedup technique. With a few minutes of preprocessing, CH can optimally answer shortest path queries on continental-sized road networks with tens of millions of vertices and edges in less than a millisecond, i.e. around four orders of magnitude faster than Dijkstra’s algorithm. CH already has been extended to dynamic and time-dependent problem settings. However, these adaptations suffer from limitations. For example, the time-dependent variant of CH exhibits prohibitive memory consumption on large road networks with detailed traffic predictions. This thesis contains the following key contributions: First, we introduce CH-Potentials, an A*-based routing framework. CH-Potentials computes optimal distance estimates for A* using CH with a lower bound weight function derived at preprocessing time. The framework can be applied to any routing problem where appropriate lower bounds can be obtained. The achieved speedups range between one and three orders of magnitude over Dijkstra’s algorithm, depending on how tight the lower bounds are. Second, we propose several improvements to Customizable Contraction Hierarchies (CCH), the CH adaptation for dynamic route planning. Our improvements yield speedups of up to an order of magnitude. Further, we augment CCH to efficiently support essential extensions such as turn costs, alternative route computation and point-of-interest queries. Third, we present the first space-efficient, fast and exact speedup technique for time-dependent routing. Compared to the previous time-dependent variant of CH, our technique requires up to 40 times less memory, needs at most a third of the preprocessing time, and achieves only marginally slower query running times. Fourth, we generalize A* and introduce time-dependent A* potentials. This allows us to design the first approach for routing with combined live and predicted traffic, which achieves interactive running times for exact queries while allowing live traffic updates in a fraction of a minute. Fifth, we study extended problem models for routing with imperfect data and routing for truck drivers and present efficient algorithms for these variants. Sixth and finally, we present various complexity results for non-FIFO time-dependent routing and the extended problem models

LIPIcs, Volume 274, ESA 2023, Complete Volume

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LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volume

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