Aufbau Integrierter Informationssysteme Suchmaschinen Michael Schmidt, Marco Schopp Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Hauptseminar - Halle - 11.12.2015.

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1 Aufbau Integrierter Informationssysteme Suchmaschinen Michael Schmidt, Marco Schopp Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Hauptseminar - Halle - 11.12.2015

2 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Gliederung Warum Arten von Architektur von Aufgaben von Suchmodi und Suchoperatoren Zusammenfassung Suchmaschinen

3 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Warum Suchmaschinen? Existieren über 320 Mio. Seiten um in dieses „Chaos“ eine gewisse Ordnung zu bringen, kam es zur Entwicklung der Suchmaschinen Suchmaschinen sind die meist besuchten Seiten im WWW

4 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Arten von Suchmaschinen I.Suchmaschinen und Suchindizes II.Kataloge III.Metasuchmaschinen IV.Spezialsuchmaschinen

5 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Suchmaschinen und Suchindizes Bestehen aus mehreren Komponenten, die automatisch Adressen im Internet einlesen Die Suchsoftware scannt WWW- Dokumente und verfolgt die enthaltenen Links Informationen werden in der Datenbank der Suchmaschine gespeichert Beispiele: Google & AltaVista Beispiele: Google & AltaVista

6 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Kataloge Besteht aus hierarchisch aufgebauten Sachgebieten (Linksammlungen) Die Navigation erfolgt durch Anklicken der Hauptkategorien und danach der Unterkategorien Kataloge arbeiten nicht mit einem Index, sondern legen Linklisten an Beispiel: Yahoo Beispiel: Yahoo

7 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Metasuchmaschinen Sind Abfragesysteme, die mit mehreren Suchmaschinen oder Katalogen arbeiten Sie besitzen keinen eigenen Datenbestand, sondern nutzen die Daten der angeschlossenen Suchdienste Beispiele: Metager & Metacrawler Beispiele: Metager & Metacrawler

8 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Charakteristik „echter“ Metasuchdienste Mehrere Suchdienste werden automatisch über eine Schnittstelle (Suchformular) befragt Verschiedene Suchdienste werden vorgegeben, können aber auch manchmal vom Benutzer ausgewählt werden Eliminierung von Mehrfachtreffern aus den Ergebnissen der verschiedenen Suchdienste

9 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Spezialsuchmaschinen Beschränken ihre Arbeit auf ein fest umrissenes Fachgebiet Zu diesem Zweck wird eine eigene Datenbank gepflegt Solche Maschinen suchen zum Beispiel Personen, Software oder Businessinformationen Beispiel ist "Quoka" eine Produktsuchmaschine

10 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Die Architektur von Suchmaschinen

11 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Struktur des World Wide Web

12 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg -verwaltet URLs -entscheidet Reihenfolge -Problem der isolierten Seiten/ Teilgraphen -verwaltet URLs -entscheidet Reihenfolge -Problem der isolierten Seiten/ Teilgraphen URL Server -holt gegebene URL aus dem Internet -Wandelt URL in IP um -Verbindungsaufnahme über http -verlangt Seite und wartet auf Erhalt -holt gegebene URL aus dem Internet -Wandelt URL in IP um -Verbindungsaufnahme über http -verlangt Seite und wartet auf Erhalt Crawler -ein Crawler bearbeitet immer mehrere URLs gleichzeitig -mehrere Crawler auf verschiedenen Systemen -Bsp.: >typischerweise 300 Verbindungen pro Crawler >mit 4 Cawlern ca. 100 Seiten pro Sekunde -ein Crawler bearbeitet immer mehrere URLs gleichzeitig -mehrere Crawler auf verschiedenen Systemen -Bsp.: >typischerweise 300 Verbindungen pro Crawler >mit 4 Cawlern ca. 100 Seiten pro Sekunde Crawler II -Problem: ernorme Netzlast bei Crawlersystem und Zielserver -Reaktion der Betreiber:z.B. Freude über „regen“ Besuch oder verhindern von Seitenindizierung durch Robots Exclusion Protokol -temporäre Probleme -Problem: ernorme Netzlast bei Crawlersystem und Zielserver -Reaktion der Betreiber:z.B. Freude über „regen“ Besuch oder verhindern von Seitenindizierung durch Robots Exclusion Protokol -temporäre Probleme Crawler III -WWW Seite wird zur Analyse vorbereitet -Erstellung eines Ableitungsbaum -Kann sehr komplex werden – aufgrund der vielzahl der Sprachversionen und “Dialekte” -HTML Fehler werden vom Browser übergangen, nicht jedoch vom Parser -WWW Seite wird zur Analyse vorbereitet -Erstellung eines Ableitungsbaum -Kann sehr komplex werden – aufgrund der vielzahl der Sprachversionen und “Dialekte” -HTML Fehler werden vom Browser übergangen, nicht jedoch vom Parser Parser -wichtige Informationen aus Ableitungsbäumen extrahieren -Links auf andere Seiten (mit Link-Auswahlmöglichkeit sog. Filter z.B. für lokale Suchmaschinen) -es dürfen keine dyna. generierte Seiten angefordert werden -wichtige Informationen aus Ableitungsbäumen extrahieren -Links auf andere Seiten (mit Link-Auswahlmöglichkeit sog. Filter z.B. für lokale Suchmaschinen) -es dürfen keine dyna. generierte Seiten angefordert werden Store Server WebCrawler-Komponente Schematischer Aufbau URL Server Crawler Parser Store Server Searcher Hit List Repository - Suche nach neuen Wörtern  in LEXICON -Je Wort pro Seite  Vermerk in HIT LIST -Teil der Seite  Abspeicherung in REPOSITORY - Suche nach neuen Wörtern  in LEXICON -Je Wort pro Seite  Vermerk in HIT LIST -Teil der Seite  Abspeicherung in REPOSITORY Store Server LEXICON HIT LIST REPOSITORY -Speicherung aller Wörter des Webs -Jedes Wort enthält Zeiger auf die entsprechende Hitlist -Designziel: effiziente Datenstruktur -schneller Zugriff – Hashtabelle -Bsp. Google: ca 14 Millionen Wörter auf 256MB -Speicherung aller Wörter des Webs -Jedes Wort enthält Zeiger auf die entsprechende Hitlist -Designziel: effiziente Datenstruktur -schneller Zugriff – Hashtabelle -Bsp. Google: ca 14 Millionen Wörter auf 256MB Lexicon -je Wort in Lexicon - Menge von Zeigern auf Seiten im Repository -dadurch schnell Berechnung der gesuchten URLs mgl. -zusätzliche Speichermöglichkeit -je Wort in Lexicon - Menge von Zeigern auf Seiten im Repository -dadurch schnell Berechnung der gesuchten URLs mgl. -zusätzliche Speichermöglichkeit Hit List -Abspeicherung aller Infos für indizierten Seiten -z.B nur Titel, erste 20 Zeilen oder Volltext -bei Volltext: Notwendigkeit der Komprimierung -Abspeicherung aller Infos für indizierten Seiten -z.B nur Titel, erste 20 Zeilen oder Volltext -bei Volltext: Notwendigkeit der Komprimierung Repository -Webserver, welcher Frontend für DB ist -bietet Anfragemaske -Anfragen über CGI übermittelt - Ergebnissmenge über Ranking- Algorithmus sortiert und ausgegeben -Webserver, welcher Frontend für DB ist -bietet Anfragemaske -Anfragen über CGI übermittelt - Ergebnissmenge über Ranking- Algorithmus sortiert und ausgegeben Searcher Lexicon

13 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Maße für Retrieval-Systeme Recall - c sei Anzahl der zurückgegeben Seiten, von denen d relevant sind -von a indizierten Seiten seien b Seiten für Suchanfrage relevant -Recall Rate ist definiert als d/b -Misst Leistung, wieviele relevante Seiten erkannt und zurückgegeben werden -Recall Rate = 1.0 alle rel. Seiten gefunden -Recall Rate = 0.0 keine gefunden - Problem des Rauschens Precision -Precision Rate ist definiert als d/c -Maß für Rauschen im Ergebnis -Precision Rate = 1.0 alle zurückgegbenen Seiten relevant. -Precision Rate = 0.0 nur irrelevante Seiten zurückgegeben -Ideal RR und PR möglichst hoch -In Praxis: oft gegenläufige Veränderung -Vergleich verschiedener Architekturen mit diesen Maßen unmöglich -Jedoch: Ansätze, zur Erhöhung

14 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Techniken zum Durchlaufen des Webs - alle Links der ersten Seite verfolgt -erschöpfende Indizierung in Nachbarschaft der Startseite -Realisierung mit FIFO-Queue -Auswirkungen auf Recall und Precicion hängt von Struktur ab - alle Links der ersten Seite verfolgt -erschöpfende Indizierung in Nachbarschaft der Startseite -Realisierung mit FIFO-Queue -Auswirkungen auf Recall und Precicion hängt von Struktur ab Breitensuche - gesamter Graph des ersten links -direkte Nachbarschaft wird schnell verlassen -Implementierung mit Stack -Auswirkungen auf Recall und Precicion hängt von Struktur ab - gesamter Graph des ersten links -direkte Nachbarschaft wird schnell verlassen -Implementierung mit Stack -Auswirkungen auf Recall und Precicion hängt von Struktur ab Tiefensuche - wenigstens die „wichtigsten“ Seiten erfassen -Entspricht dem citation index von wissenschaftliche Veröffentlichungen -URL Server merkt sich Anzahl der Links auf eine Seite -Je häufiger desto höhere Priorität - wenigstens die „wichtigsten“ Seiten erfassen -Entspricht dem citation index von wissenschaftliche Veröffentlichungen -URL Server merkt sich Anzahl der Links auf eine Seite -Je häufiger desto höhere Priorität Backlink Count -Ranking-Maß von Lawrence Page -Erweiterung des Backlink Count -Werte beim Indizieren berechenbar -häufige Verwendung in Praxis -Ranking-Maß von Lawrence Page -Erweiterung des Backlink Count -Werte beim Indizieren berechenbar -häufige Verwendung in Praxis Page Ranking

15 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg 1.Indexgröße3. Art des Indexes2. Natural Language Processing Techniken zur Steigerung der Recall Rate -trivialste Methode: Vergrößerung des Indexes -Problem bei älteren Suchmaschinen: Grenze des Möglichen erreicht  Adreßraum  Anzahl der Filehandles des Betriebssystems 2. Natural Language Processing 2.1 Stemming | 2.2 Thesaurus -Reduzierung der Wörter auf ihren Wortstamm (Bsp: „rennen“ zu „renn“ -Gefahr der Mehrdeutigkeit (Bsp: engl. „informal“ „information“)  Folge: Reduzierung der Precision Rate -Zufügen von Synonymen zur Suchanfrage („Virus“  „Krankheitserreger“) -Finden thematisch relevanter Seiten -Problem von Mehrdeutigkeiten  keine besserer Recall aber schlechterer Precision -lange Zeit: Vector Space Model -bei Suchmaschinen: Repräsentation durch x häufigsten vorkommenden Wörter -x zw. 40 und 100 -keine „und“, „oder“, Artikel usw. - Nachteil: keine Zusatzinformationen für den Searcher  Volltextrepräsentation

16 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Techniken zur Steigerung der Precision Rate 1.Anfragesprache 2.Ranking- Algorithmen 3.Nachbearbeitung 4.Clustering -da oft große Menge an Ergebnissseiten -Begriff der Practical Precision = Fähigkeit der Suchmaschine, Precision Rate der ersten Suchergebnisse hoch zu halten -wichtige Technik für Benutzer -Setzen einer logischen Beziehung zw. Suchwörtern  Boolesche Ausdrücke  Phrasensuche  Trunkierung  Abstandsoperationen  Groß-/Kleinschreibung -wichtiger Ansatzpunkt zur Verbesserung der Practical Precision - einfachste Variante – höchstes Ranking für Seite mit größter Worthäufigkeit +Wörter vom Anfang der Seite, Titel, Überschriften, Fettschrift -Manipulation durch Seitenbetreiber („Wettrüsten“) -Backlink Count und Page Rank Weitere Ranking Methoden: - Listung gegen Geld ??? - Nutzerverhalten  „Relevant ist, was alle suchen“ -Ranking nach Klickhäufigkeit (Nachteil für junge Seiten) -Grundidee: Vergleich des Suchergebnisses mit Seiten die relevant sind -Bsp: Themenbaum eines Suchkataloges („science:biology“ von YAHOO) -Methode für hohen Practical Precision -Nachteil: großer Zeitaufwand -Teilung des Ergebnisses in Kategorien - Seiten des selben Servers -Seiten der selben Sprache -Suchemaschine NORTHENLIGHT: - Methoden der KI  teilt semantisch in Klassen und Unterklassen

17 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Techniken zur Wartung des Indexes Aktualisierung -Seite wird 1 bis 2 mal im Jahr neu indiziert -Häufigkeit bestimmt Aktualisierungsfrequenz Tote Links -Ca. 10%-15% im Index -Lösung: höhere Aktualisierungsfrequenz -Bei Google: Anwender kann Volltextseite aus Index bekommen

18 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Aufgaben von Suchmaschinen I.Dokumentenbeschaffung (Akquisition) II.Indexierung III.Aktualisierung IV.Anfragebearbeitung

19 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Dokumentenbeschaffung (1) Unterscheidung in 2 URL-Quellen: 1.Angabe der URL eines bekannten Dokumentes, von dem die Roboter ihre automatische Suche beginnen 2.Manuelle Eintragung von URL-Vorschlägen in eine dafür eingerichtete Web-Seite

20 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Dokumentenbeschaffung (2) Probleme bei der Dokumentenbeschaffung: 1.Link-Bilder 2.Nicht-verlinkte Dokumente 3.Zugriffsgeschützte Dokumente 4.Geschützte Seiten nach dem Roboter-Exclusion- Standard

21 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Indexierung Das Angebot von Suchmethoden ist in erster Linie von der Indizierung und der daraus resultierenden Datenbank abhängig Indizierungsstrategien: 1.Volltext Inhaltsbedeutende Begriffe oder Elemente werden aus der gesamten HTML-Seite indiziert (Mehrsprachige Stoppwortlisten) 1.Volltext Inhaltsbedeutende Begriffe oder Elemente werden aus der gesamten HTML-Seite indiziert (Mehrsprachige Stoppwortlisten) 2.Teilindex Indizieren von URL, Titel und Überschriften oder auch der ersten paar Zeilen der HTML-Seite 2.Teilindex Indizieren von URL, Titel und Überschriften oder auch der ersten paar Zeilen der HTML-Seite 3.Spezielle inhaltsbeschreibende Bereiche Meta-Tags 3.Spezielle inhaltsbeschreibende Bereiche Meta-Tags

22 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Aktualisierung Aktualisiert wird meist mit einer zeitabhängigen Frequentierung Probleme bei der Aktualisierung: a)Dead-Links (Dangled-Links) b)Neue Inhalte an der angegebenen URL

23 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Anfragebearbeitung Verschiedene Suchmodi (Einfache/ Erweiterte Suche) Formularbasierte Suchmasken mit diversen Einstellmöglichkeiten Voreinstellungen werden teilweise über Buttons, Menüs und Listen ausgewählt

24 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Suchoperatoren & Suchmodi 1.Suchmodi a)Einfache Suche b)Erweiterte Suche 1.Suchmodi a)Einfache Suche b)Erweiterte Suche 2.Groß- und Kleinschreibung Wird bei den meisten Diensten nicht beachtet 2.Groß- und Kleinschreibung Wird bei den meisten Diensten nicht beachtet 3.Trunkierung Ist die Suche nach verschieden Wortvariationen Benutzung des *-Operators Bsp. “hand*“ 3.Trunkierung Ist die Suche nach verschieden Wortvariationen Benutzung des *-Operators Bsp. “hand*“ 4.Boolesche Operatoren AND, OR, NOT Müssen bei vielen Suchdiensten über ein Pull-Down Menü ausgewählt werden 4.Boolesche Operatoren AND, OR, NOT Müssen bei vielen Suchdiensten über ein Pull-Down Menü ausgewählt werden 5.Phrasensuche und Abstandsoperatoren Suche nach der exakten Reihenfolge der angegebenen Suchbegriffe Suchbegriffe müssen in Hochkomma eingeschlossen sein Als Abstandsoperator existiert der NEAR-Operator 5.Phrasensuche und Abstandsoperatoren Suche nach der exakten Reihenfolge der angegebenen Suchbegriffe Suchbegriffe müssen in Hochkomma eingeschlossen sein Als Abstandsoperator existiert der NEAR-Operator

25 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg Zusammenfassung

26 © 2002 Mischa Schmüdd, Marggo Schobb :-) MLU-Halle-Wittenberg ENDE