Graph Neural Networks (GNNs) are increasingly deployed in real-world applications, making ownership verification critical to protect their intellectual property against model theft. Fingerprinting and black-box watermarking are two main methods. However, the former relies on determining model similarity, which is computationally expensive and prone to ownership collisions after model post-processing. The latter embeds backdoors, exposing watermarked models to the risk of backdoor attacks. Moreover, both previous methods enable ownership verification but do not convey additional information about the copy model. If the owner has multiple models, each model requires a distinct trigger graph. To address these challenges, this paper proposes WGLE, a novel black-box watermarking paradigm for GNNs that enables embedding the multi-bit string in GNN models without using backdoors. WGLE builds on a key insight we term Layer-wise Distance Difference on an Edge (LDDE), which quantifies the difference between the feature distance and the prediction distance of two connected nodes in a graph. By assigning unique LDDE values to the edges and employing the LDDE sequence as the watermark, WGLE supports multi-bit capacity without relying on backdoor mechanisms. We evaluate WGLE on six public datasets across six mainstream GNN architectures, and compare WGLE with state-of-the-art GNN watermarking and fingerprinting methods. WGLE achieves 100% ownership verification accuracy, with an average fidelity degradation of only 1.41%. Additionally, WGLE exhibits robust resilience against potential attacks. The code is available in the repository.


翻译:图神经网络(GNNs)在现实应用中的部署日益广泛,这使得所有权验证对于保护其知识产权、防止模型窃取变得至关重要。指纹识别与黑盒水印是两种主要方法。然而,前者依赖于判定模型相似性,计算成本高昂且在模型后处理后易产生所有权冲突。后者则通过嵌入后门实现,使水印模型面临后门攻击的风险。此外,现有方法虽能实现所有权验证,却无法传递关于复制模型的额外信息。若所有者拥有多个模型,每个模型均需一个独特的触发图。为应对这些挑战,本文提出WGLE,一种新颖的面向图神经网络的黑盒水印范式,能够在无需后门的情况下将多比特字符串嵌入GNN模型中。WGLE基于我们称为“边上逐层距离差”(LDDE)的关键洞见,该指标量化了图中两个相连节点在特征距离与预测距离之间的差异。通过为边分配唯一的LDDE值并利用LDDE序列作为水印,WGLE在无需依赖后门机制的情况下实现了多比特容量。我们在六个公开数据集上、针对六种主流GNN架构评估了WGLE,并将其与最先进的GNN水印及指纹识别方法进行了比较。WGLE实现了100%的所有权验证准确率,平均保真度下降仅为1.41%。此外,WGLE对潜在攻击展现出强大的鲁棒性。代码已公开于代码库中。

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