Recent studies have exposed that many graph neural networks (GNNs) are sensitive to adversarial attacks, and can suffer from performance loss if the graph structure is intentionally perturbed. A different line of research has shown that many GNN architectures implicitly assume that the underlying graph displays homophily, i.e., connected nodes are more likely to have similar features and class labels, and perform poorly if this assumption is not fulfilled. In this work, we formalize the relation between these two seemingly different issues. We theoretically show that in the standard scenario in which node features exhibit homophily, impactful structural attacks always lead to increased levels of heterophily. Then, inspired by GNN architectures that target heterophily, we present two designs -- (i) separate aggregators for ego- and neighbor-embeddings, and (ii) a reduced scope of aggregation -- that can significantly improve the robustness of GNNs. Our extensive empirical evaluations show that GNNs featuring merely these two designs can achieve significantly improved robustness compared to the best-performing unvaccinated model with 24.99% gain in average performance under targeted attacks, while having smaller computational overhead than existing defense mechanisms. Furthermore, these designs can be readily combined with explicit defense mechanisms to yield state-of-the-art robustness with up to 18.33% increase in performance under attacks compared to the best-performing vaccinated model.


翻译:最近的研究表明,许多图形神经网络(GNNs)对对抗性攻击十分敏感,如果图形结构故意受到干扰,则可能遭受性能损失。不同的研究表明,许多GNN结构暗含地假定,基本图形显示的是单形的,即连接的节点更有可能具有相似的特征和类标签,如果这一假设没有实现,则其效果不佳。在这项工作中,我们正式确定这两个似乎不同的问题之间的关系。我们从理论上看表明,在节点特征显示一致的标准假设中,影响性的结构攻击总是导致不同程度的上升。然后,在目标偏差的GNNNS结构的启发下,我们提出两种设计 -- -- (一) 自我和邻系的节点更可能具有相似的特征和类标签,以及(二) 缩小了集合范围 -- -- 这可以大大改善GNNPs的稳健健性。 我们广泛的经验评估表明,仅仅体现这两种设计的GNNS模式可以大大改进强健健健健度,而比最佳的未漏模式强度模型高达24.99%的结构性攻击程度,在目标性攻击中获得平均防御性能,在18级的防御机制下进行最强性能的改进。

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