图的对抗性攻击与防御_图对抗攻击和防御

（2020-03-03发表文章内容解读）)

摘要

深度神经网络（DNN）在各种任务中均取得了显著成绩。但是，最近的研究表明，DNN可以很容易地被输入上的小扰动（称为对抗攻击）所欺骗。作为DNN向图的扩展，已经证明了图神经网络（GNN）可以继承此漏洞。对手可以通过修改图结构（例如操纵一些边线）来误导GNN做出错误的预测。对于在安全关键型应用中使GNN适应化，此漏洞引起了极大的关注，并且近年来引起了越来越多的研究关注。因此，有必要及时提供有关现有图形对抗攻击的全面概述和对策。在此调查中，我们对现有的攻击和防御进行了分类，并回顾了相应的最新方法。此外，我们还开发了具有代表性算法的存储库1。知识库使我们能够进行实证研究，以加深对攻击和防御笔迹的理解。

1 介绍

图可以用作跨越各个领域的大量系统的表示，例如社会科学（社会网络），自然科学（物理系统和蛋白质-蛋白质相互作用网络）和知识图。图神经网络（GNN）将传统的深层神经网络（DNN）泛化为图，为有效学习图表示提供了新途径[46]。由于其强大的表示学习能力，GNN在从数据挖掘[21]，自然语言处理[29]和计算机视觉[22]到医疗保健和生物学[26]的各种应用中都具有实际意义。
作为传统DNN对图形的新概括，GNN继承了传统DNN的优点和缺点。与传统的DNN相似，GNN在学习图形表示方面也很强大，并且已经渗透到许多科学和技术领域。传统的DNN容易受到对抗性攻击的欺骗[16,47]。
并且对抗攻击在训练或测试阶段插入轻微的扰动，DNN模型将完全失败。显然[55]，GNN也继承了这一缺点。攻击者可以通过操纵图结构或节点特征来欺骗GNN模型，从而产生图对抗扰动。如图1所示，最初的node7被GNN模型分类为绿色节点。在node7与node3创建新连接并修改其自身功能后，GNNmodel将其错误分类为蓝色节点。 GNN的这种脆弱性已引起人们广泛关注，将它们应用于安全关键型应用（例如金融系统和风险管理）中。例如，在信用评分系统中，欺诈者可以伪造与多个高信用客户的联系，以逃避欺诈者检测模型；垃圾邮件发送者可以轻松地创建虚假的关注者，以增加虚假新闻被推荐和传播的机会。因此，迫切需要研究图对抗攻击及其对策。
推动这项研究具有巨大的潜力，可以促进GNN在更广泛的领域中的成功采用，这鼓励了近年来对图形对抗和防御的关注。因此，有必要及时提供有关现有算法的全面系统概述。同时，通过实证研究加深我们对图对抗攻击的理解具有重要意义。这些理解不仅可以提供有关攻击行为的知识，还可以为我们设计防御策略提供见解。这些激发了以下主要目的的调查目的：•我们在第3节中从各种角度对现有的攻击方法进行了分类，并在第4节中对了代表性的算法进行了回顾。 5.•我们根据我们开发的知识库进行了实证研究，该知识库在第6节中提供了对图攻击和防御的全面理解。•在第7节中讨论了一些有希望的未来方向。

2 原则和定义

在介绍评论和实证研究之前，我们首先在本节中介绍概念，符号和定义。

2.1 Learning on Graph Data

2.2 图对抗攻击的一般形式

基于第2.1节中的目标，我们可以为对抗性攻击定义目标的一般形式，该形式旨在最大化模型的损失值以获取错误的预测。因此，节点级图对抗性攻击的问题可能是表示为：

我们省略了图级对抗攻击的定义，因为（1）图级对抗攻击可以类似地定义，并且（2）大多数对抗攻击和防御都集中在节点级。尽管在图像领域已经对对抗攻击进行了广泛的研究，但是由于独特的挑战，我们仍然需要为图做专门的工作-（1）图的结构是离散的； （2）图中的节点不是独立的； （3）很难测量图上的摄动是否是不可察觉的。

2.3 记号

根据上述定义，我们列出了表1的以下部分中将使用的所有符号。

3 图形攻击的分类法

在本节中，我们简要介绍了针对图结构化数据的对抗性攻击的主要分类。根据攻击者的目标，资源，知识和能力，攻击算法可以分为不同的类型。我们试图对图形对抗攻击的主要组成部分给出清晰的概述。

3.1 攻击者的能力

对抗攻击可以分为两个阶段，即模型训练和模型测试。这取决于攻击者插入对抗性干扰的能力：•躲避攻击：攻击是在训练GNN模型或进入测试阶段后发生的。模型是固定的，攻击者无法更改模型参数或结构。当G’= Gin Eq时，攻击者进行躲避攻击。 （3）。•中毒攻击：攻击是在训练GNN模型之前发生的。攻击者可以将“毒药”添加到模型训练数据中，从而使训练后的模型出现故障。 G’= ˆGin Eq时就是这种情况。 （3）。

3.2 干扰类型

攻击者可以从不同方面插入对抗性干扰。扰动可以归类为修改节点特征，添加/删除边以及添加伪节点。攻击者还应使扰动不明显，否则将很容易检测到。•修改特征：攻击者可以在保持图形结构的同时略微改变节点特征。•添加或删除边：攻击者可以在总动作的一定预算下添加或删除边。节点：攻击者可以在图表中插入伪节点，并将其与图表中的某些良性节点链接。

3.3 攻击者的目标

根据攻击目标，可以将攻击分为以下两类:
有针对性的攻击：有少量的测试节点。攻击者旨在让训练有素的模型对这些测试样本进行错误分类。 Vt⊂Vin等式就是这种情况。 （3）。我们可以将目标攻击进一步分为（1）直接攻击，其中攻击者直接修改目标节点的特征或边缘；（2）影响者攻击，其中攻击者只能操纵其他节点来影响目标。•非目标攻击：攻击者旨在插入使训练后的模型在所有测试数据上都具有糟糕的总体性能。当Vt ＝ Vin Eq时就是这种情况。 （3）。

3.4 攻击者的知识

攻击者的知识意味着攻击者对要攻击的模型了解多少信息。通常，有以下三种设置：•白盒攻击：有关模型参数，训练输入（例如，邻接矩阵和属性矩阵）和标签的所有信息都将提供给攻击者。•灰盒攻击：攻击者对受害者模型的了解有限。例如，攻击者无法访问模型参数，但可以访问训练标签。然后，它可以利用训练数据来训练替代模型，以从受害者模型中估算信息。•黑盒攻击：攻击者无法访问模型的参数或训练标签。它可以访问邻接矩阵和属性矩阵，并对输出得分或标签进行黑盒查询。

3.5 受害者模型

在这一部分中，我们将总结被证明容易受到对抗性例子攻击的受害者模型。图神经网络图神经网络是学习图表示的强大工具[35]。最成功的GNN变体之一是图卷积网络（GCN）[21]。GCN通过不断聚集和转换其邻居节点的信息来学习每个节点的表示。尽管GNN可以在各种任务中实现高性能，但研究表明，包括GCN在内的GNN容易受到对抗性攻击[35,55]。其他图学习算法除了图神经网络之外，对手还可能攻击图的其他一些重要算法，例如网络嵌入包括LINE [38]和Deepwalk [31]，基于图的半监督学习（G-SSL）[54]和知识图嵌入[4，24]。

4 图对抗攻击

在本节中，我们回顾了图对抗攻击的代表性算法。按照上一节中的分类，我们首先将这些算法分为白盒，灰盒和黑盒，然后针对每个类别中的算法，将它们进一步分为针对性和非针对性的攻击。表2显示了代表性攻击方法的总体分类。此外，表5列出了代表性算法的一些开源实现。

4.1 White-box Attacks

在白盒攻击设置中，对手可以访问有关受害者模型的任何信息，例如模型参数，训练数据，标签和预测。尽管在大多数真实世界中我们无法获得此类信息，但我们仍可以评估最坏情况下受害者模型的脆弱性。通常，白盒攻击使用受害者模型中的梯度信息来指导攻击的产生[6、9、45、48]。

4.1.1 有针对性的攻击

有针对性的攻击旨在误导受害者模型以对某些目标样本进行错误的预测。许多研究都遵循针对白盒的攻击设置以及各种实际应用。 FGA [9]从GCN中提取链路梯度信息，然后贪婪地选择一对具有最大绝对梯度的节点来进行石墨化修饰。提出了基于遗传算法的Q-Attack攻击许多社区检测算法[6]。基于训练图自动编码器中的梯度信息的迭代梯度攻击（IGA），被引入到攻击链接预测中[7]。此外，在[51]中研究了知识图嵌入的脆弱性，并且攻击者可以有效地操纵任意事实知识图的合理性。基于GNN的推荐系统也容易受到对抗性攻击，如[52]所示。另外，在攻击节点分类方面也付出了巨大的努力。图像领域的传统攻击总是使用模型的梯度来寻找对抗性示例。但是，由于图形数据的离散特性，直接计算模型的梯度可能会失败。为了解决这个问题，工作[45]建议使用积分梯度[37]来更好地搜索对抗性边缘和特征扰动。在攻击过程中，攻击者反复选择对对抗目标影响最大的边缘或特征。通过这种方式，它可能导致受害者模型以较高的成功率对目标节点进行错误分类。作品[50]假设在图形中有一组“坏角色”节点。当他们翻转图形中任何目标节点的边缘时，将导致GNN模型对目标节点进行错误的预测。这些“不良行为者”节点对于 GNN模型。例如，维基百科上的恶作剧文章与真实文章几乎没有随机联系。操纵这些骗局文章的连接将导致系统对真实文章的类别做出错误的预测。

4.1.2 无目标攻击

目前，针对无目标白盒攻击的研究并不多，拓扑攻击[48]是一种有代表性的算法。它首先构造一个二进制对称摄动矩阵S∈{0,1} n，其中Si j = 1指示翻转iandjandSi j = 0之间的边缘，这意味着在Ai j上不做任何修改。因此，攻击者的目标是在给定有限的边沿扰动预算Δ∥S∥0≤Δ的情况下找到使预定义的攻击损失最小的S。它考虑了两种不同的攻击场景：攻击具有固定参数θ的预训练GNN和攻击可训练的GNNfθ。为了攻击一个固定的fθ，可以将问题表达为

它利用[28]中的投影梯度下降（PGD）算法搜索最优值。注意，工作[28]也是图像领域中一种流行的攻击算法。对于可训练的GNN，在对抗性操作后将对参数θ进行训练，因此攻击问题被表达为最小-最大形式，其中内部最大化可以通过梯度上升来解决，而外部最小化可以通过PGD解决。

4.2 灰盒攻击

白盒攻击假定攻击者可以通过模型参数计算梯度，这在实际情况下并不总是可行的。提出了灰箱攻击，以产生对受害者模型了解有限的攻击[36,55,56]。通常，他们首先使用带有标记的训练数据来训练代理模型以近似受害者模型的信息，然后生成扰动来攻击代理模型。注意，这些模型需要访问训练数据的标签，因此它们不是将在以下小节中介绍的黑盒攻击。

4.2.1 目标攻击

针对目标灰箱攻击的早期工作是图聚类[10]。说明向DNS查询图注入噪声会降低图嵌入模型的性能。与文献[10]不同，文献[55]提出了一种称为Nettack的攻击方法来生成结构和特征攻击，旨在解决式子。 （3）。此外，他们认为仅限制摄动预算并不能总是使摄动“不被察觉”。他们建议被摄动的图还应该保持重要的图属性，包括度分布和特征共现。因此，Nettack首先选择可能的扰动候选者，这些扰动候选者不违反原始图的程度分布和特征共现。然后，它贪婪地选择分数最高的扰动来修改图，其中分数定义为：

其中，Zu是代理模型预测的分类的概率。因此，攻击者的目标是使目标节点的对数概率差异最大化。通过重复执行此操作直到到达摄动差Δ，它可以得到最终的修改图。此外，这表明这种图攻击也可以在模型之间传递，就像图像域中的攻击一样[16]。作者还进行影响者攻击，他们只能操纵目标以外的节点。事实证明，与在相同的扰动预算下直接修改目标节点相比，影响者攻击导致性能降低的幅度更小。

4.2.2 无目标攻击

尽管采用与Nettack相同的训练替代模型的方法，但Metattack [56]是一种无目标的中毒攻击。它解决了等式中的双层问题。 （3）通过使用元梯度。基本上，它将图结构矩阵视为超参数，攻击者损失相对于它的梯度可以通过以下公式获得：

注意∇GLatk（fθ∗（G））实际上是相对于两个Gandθ的函数。如果θ*是通过一些微分运算获得的，我们可以计算出∇metaGas，


其中α表示梯度下降操作的学习率。通过将训练过程从θTback展开到θ0，我们可以得到∇GθT，然后∇metaG。一种贪婪的方法基于元梯度来选择扰动。代替修改现有节点的连通性，提出了一种新的节点注入中毒攻击的强化学习方法[NIPA] [36]，将假节点注入到图数据中。 NIPA首先将单调节点注入原始图形。然后，在每个操作中，攻击者首先选择一个注入的节点与图中的另一个节点连接，然后将标签分配给注入的节点。通过顺序执行此操作，最终图形在统计上类似于原始图形，但会降低整体模型的性能。

4.3 黑盒攻击

与灰盒攻击不同，黑盒攻击[2,5,11,27,36]更具挑战性，因为攻击者只能访问受害者模型的输入和输出。禁止访问参数，标签和预测概率。

4.3.1 针对性攻击

如前所述，训练替代模型需要访问训练数据的标签，但这并不总是可行的。我们希望找到一种方法，只需要对受害人模型进行黑箱查询或以无人监督的方式攻击受害人[2,5]。要对受害人模型进行黑箱查询，强化学习就是介绍。 RL-S2V [11]是在黑盒设置下采用强化学习技术对图形数据产生对抗性攻击的第一项工作。他们将攻击过程建模为马尔可夫决策过程（MDP），并允许攻击者修改药物以更改目标节点的预测标签。他们研究节点级（目标）和图级（非目标）攻击。对于节点级攻击，他们定义MDP如下，
State由元组G（t），u表示的状态，其中G（t）是时间步长的修改图。•动作在时间步长的单个动作表示为atat。对于每个动作，攻击者可以选择在图形中添加或删除边。此外，采用了层次结构来分解动作空间。奖励由于攻击者的目标是更改目标节点的分类结果，因此RL-S2V在MDP末尾为攻击者提供非零奖励。

在中间步骤中，攻击者没有获得任何奖励，即，∀t= 1,2，…，m-1，r（st，at）=0。•终止攻击者完成修改密码后，过程终止。
由于他们以类似的方式定义了图级别攻击的MDP，因此我们省略了细节。进一步，采用Q学习算法[30]求解MDP，指导攻击者修改图。论文[2]没有攻击节点分类，而是提出了一种攻击黑盒节点嵌入模型族的方法。设置。通过观察DeepWalk可以矩阵分解形式来计算[32]，他们利用矩阵扰动理论通过执行边沿翻转来最大化无监督的DeepWalk损失。进一步证明，摄动结构可以转移到其他模型，例如GCN和标签传播。但是，此方法仅考虑结构信息。提出了GF-Attack [5]来将特征信息纳入攻击模型。具体来说，他们通过图过滤器制定了图嵌入方法与一般图信号处理之间的联系，并基于图过滤器和属性矩阵构造了攻击者。 GF-Attack也可以转移到其他网络嵌入模型中，并且比[2]中的方法具有更好的性能。

4.3.2 非针对性的攻击

有人认为，仅限制修饰边缘数量的扰动可能不够明显。提出了一种新颖的框架ReWatt [27]来解决这个问题并执行无目标的图级攻击。 ReWatt仍然采用强化学习框架，而是采用重新布线操作，而不是简单地通过单次修改来添加/删除边以使扰动更加不明显。一个重新布线操作涉及三个节点v1，v2和v3，其中ReWatt会删除v1和v2之间的现有边缘并连接v1和v3。 ReWatt还将v3约束为v1的2跳邻居，以使扰动更小。这样的重排操作不会改变图中的节点和边的数量，并且进一步证明，这种重新布线操作会影响代数连接性和有效的图电阻，这两者都是基于图拉普拉斯算子的重要图属性，其方式比添加/删除边更小。

5 针对图形攻击的5种对策

在前面的部分中，我们已经表明，图神经网络很容易被图数据的不明显扰动所愚弄。图神经网络的脆弱性给将其应用于安全关键型应用带来了巨大的挑战。为了保护图神经网络免受这些攻击，已经提出了不同的对策策略。现有方法可分为以下几种：（1）对抗训练，（2）对抗扰动检测，（3）可证明的鲁棒性，（4）图纯化（5）注意机制。

5.1 对抗训练

对抗训练是图像数据中对抗攻击的一种广泛使用的对策[16]。对抗训练的主要思想是将对抗性示例注入训练集中，以便训练后的模型可以正确地分类未来的对抗性示例。同样，我们也可以采用以下策略来防御图对抗攻击，如下所示：

其中δA，δX分别表示对A，X的扰动； PA和PX表示不可感知的扰动域。等式（10）中的最小-最大优化问题表明对抗训练涉及两个过程：（1）生成使预测损失最大化的扰动；（2）更新使预测损失最小化的模型参数。通过交替以上两个过程反复地，我们可以训练一个强大的模型来对抗对抗性攻击。由于有两个输入，即邻接矩阵A和属性矩阵X，因此可以分别对它们进行对抗训练。为了在邻接矩阵上生成扰动，建议在对抗训练中随机丢弃边缘[11]。尽管这种简单的策略不能导致分类准确度的显着提高（提高1％），但在廉价的对抗训练中却显示出一定的有效性。此外，投影梯度下降用于在离散输入结构上生成扰动，而不是随机下降边缘[48]。另一方面，提出了一种具有动态正则化的对抗训练策略，以扰动输入特征[15]。具体来说，它包括将目标实例的预测与其关联实例之间的差异纳入对抗训练的目的，旨在攻击和重构图的平滑度。此外，提出了批量虚拟对抗训练[13]，以提高GNN的平滑度，并使GNN变得更多。对抗对抗性干扰的能力强。 [8，12，42]中介绍了输入层上对抗训练的其他几种变体。
上述对抗训练策略面临两个主要缺点：（1）它们分别在A和X上产生扰动； （2）由于其离散性，不容易扰动图结构。为了克服这些缺点，潜在的对抗训练方法不是在输入上生成扰动，而是在第一隐藏层上注入扰动[20]：

其中H（1）表示第一隐藏层的表示矩阵，δ∈表示H的一些扰动。注意，隐藏表示是连续的，并且合并了来自图结构和节点属性的信息。

5.2 检测对抗性扰动

为了在测试阶段抵抗图形对抗攻击，有一种主要策略称为对抗检测。这些检测模型通过探索对抗边缘/节点与干净边缘/节点之间的内在差异来保护GNN模型[17,49]。这项工作[49]是提出检测方法以在图形数据上找到对抗性示例的第一项工作。它引入了四种方法来区分对抗性边缘或节点与干净的边缘或节点，包括（1）链接预测（2）子图链接预测（3）图生成模型和（4）离群值检测。这些方法显示了一些有助于正确检测对抗性扰动的方法。文献[17]引入了一种方法来随机绘制节点的子集，并在采用半监督学习（SSL）模块之前依靠图形感知标准来明智地滤除受污染的节点和边缘。提出的模型可用于检测不同的异常生成模型以及对抗攻击。

5.3 可认证的鲁棒性

先前介绍的对抗训练策略是启发式的，并且仅显示实验上的好处。但是，即使当前的攻击失败，我们仍然不知道是否存在对抗性例子。因此，有文献[3,19,57]考虑认真考虑图神经网络的安全性，以证明GNN的鲁棒性。众所周知，GNN对一个节点的预测完全取决于其相邻节点。在[57]中，他们提出了一个问题：图中的哪些节点在其相邻节点的属性受到任何允许的扰动的风险下是安全的。为了回答这个问题，对于每个节点，通过其对应的标号yv，他们试图找到一个upperboundU（v ）的最大保证金亏损：

whereX表示所有允许的属性摄动的集合。此上限称为节点v的证书，并且易于计算。因此，对于forv，如果U≤0，则X中的任何属性扰动都不能更改模型的预测，因为其最大裕度损失小于0。在测试阶段，他们计算所有测试节点的证书，因此他们可以知道图中的几个节点在属性扰动下绝对安全。此外，此证书是可培训的，直接将证书最小化将有助于更多节点变得安全。然而，工作[57]仅考虑了节点属性的扰动。从不同的角度分析可验证的鲁棒性，工作[3]处理了攻击者仅操纵图结构的情况。它以个性化PageRank [18]的线性函数的形式导出鲁棒性证书（类似于等式（12）），这使优化变得容易处理。除了致力于GNN节点分类任务的工作外，还有其他研究GNN的其他应用程序（例如社区检测）上的可验证鲁棒性的工具[19]。

5.4 图形纯化

对抗训练或可证明的防御方法都只针对抵抗逃避攻击，这意味着攻击发生在测试时间内。同时，图纯化防御方法主要侧重于防御中毒攻击。由于中毒攻击将毒物插入训练图中，因此纯化方法首先纯化被扰动的图数据，然后在纯化后的图上训练GNN模型。通过这种方法，可以在干净的图形上训练GNN模型。文献[45]提出了一种基于攻击方法的两个经验观察结果的提纯方法：（1）攻击者通常更喜欢添加边缘而不是去除边缘或修改特征；（2）攻击者倾向于连接不同的节点。结果，他们提出了一种防御方法，即通过消除两个末端节点的Jaccard相似度较小的边缘[33]。因为这两个节点是不同的，并且实际上不可能连接在一起，所以它们之间的边缘可能是对抗性的。实验结果证明了该方法的有效性和有效性。但是，此方法仅在节点功能可用时才有效。在[14]中，观察到Nettack [55]产生了扰动，该扰动主要改变了图邻接矩阵的小奇异值。因此，它提出了通过使用截短的SVD来获得其低秩逼近来净化扰动的邻接矩阵。它进一步表明，只有保持邻接矩阵的前十个奇异值才能防御Nettack并提高GNN的性能。

5.5 注意机制

与试图排除对抗性干扰的纯化方法不同，基于注意力的防御方法旨在通过对对抗性边缘或节点上的权重进行惩罚来训练鲁棒的GNN模型。基本上，这些方法学会了一种注意力机制，以区分对抗性边缘和节点与干净的边缘和节点，然后使对抗性扰动对GNN训练的聚集过程贡献较小。这项工作[53]首先假设对手节点可能具有较高的预测不确定性，因为对手倾向于将节点与其他社区的节点连接起来。为了惩罚来自这些不确定节点的影响，他们建议将节点的第1层隐藏表示h（l）i建模为具有平均值μ（l）和方差σ（l）i的高斯分布。

不确定性可以反映在方差σ（l）i中。在汇总来自邻居节点的信息时，它会应用注意机制对具有高方差的节点进行惩罚，

其中α（l）是分配给节点的γ的注意力得分是超参数。此外，itis证实被攻击的节点确实比正常节点具有更高的方差，并且所提出的注意机制确实有助于减轻对抗性攻击带来的影响。[39]中的工作表明，提高一个目标GNN模型的鲁棒性对包括来自其他干净图的信息，这些图与目标图共享相似的拓扑分布和节点属性。例如，Facebook和Twitter具有共享相似域的社交网络图数据。 Yelp和Foursquare具有相似的共同审阅图数据，因此，它首先在干净图上生成对抗性边缘EP，用作已知扰动的监督。借助这种监督知识，它进一步设计了以下损失函数，以降低对抗性边缘的注意力得分：

其中E表示期望值，E \ EP表示图中的正常边缘，α（l）i是分配给edgeei jand的注意力得分，是控制两个分布的期望值之间的余量的超参数。然后采用元优化对目标中毒图进行模型初始化和微调训练，得到鲁棒的GNN模型。

6 实证研究

我们已经开发了一个存储库，其中包含了graphs2上大多数具有代表性的攻击和防御算法。该知识库使我们能够加深对图攻击的理解，并通过实证研究进行防御。接下来，我们首先介绍实验设置，然后介绍经验结果和发现。

6.1 实验装置

在不同的环境下设计了不同的攻击和防御方法。由于页面限制，我们使用最流行的设置之一进行了实验-非目标中毒设置。相应地，我们选择针对此环境设计的代表性攻击和防御方法。三种有代表性的攻击方法被用来产生扰动，包括DICE [43]，Metattack [56]和拓扑攻击[48]。注意，DICE是一种白盒攻击，它随机连接具有不同标签的节点，或者在共享相同标签的节点之间丢弃边缘。为了评估对抗攻击下不同防御方法的性能，我们比较了自然训练的GCN [21]和在这些被攻击图上的四种防御方法的鲁棒性，即GCN [21]，GCN-Jaccard [45]，GCN-SVD [14] ]，RGCN [53]和GAT [40]。根据[56]，我们使用三个数据集：Cora，Citeseer [34]和Polblogs [1]。对于每个数据集，我们随机选择10％的节点进行训练，10％的节点进行验证，其余80％进行测试。我们将每个实验重复5次，并报告平均效果。在Coraand Citeseer数据集上，采用破坏性最大的CE-min-max [48]来实施拓扑攻击。但是CE-min-max无法在Polblogs数据集上收敛，我们在该数据集上采用了另一个称为CE-PGD的变体[48]。
（https://github.com/DSE-MSU/DeepRobust/tree/master/deeprobust/graph）

6.2 攻击图分析

了解攻击方法行为的一种方法是比较干净图和被攻击图的属性。在本小节中，我们从全局和局部角度执行此分析。
全局度量 我们从三个数据集上的三个攻击生成的干净图和扰动图中收集了五个全局属性。这些属性包括添加的边数，删除的边数，边数，相邻矩阵的秩和聚类系数。我们仅在表3中显示Metattack的结果。DICE和拓扑攻击的结果可以在附录A中找到。请注意，我们将扰动从0更改为25％，步长为5％，而扰动0％表示原始的干净图形。从表中可以看出：
攻击者倾向于添加边缘而不是删除边缘。
•攻击可能会增加邻接矩阵的等级。
•攻击可能会降低图形的连通性。
摄动图的聚类系数随着摄动率的增加而减小。

局部测量 我们还研究了两个局部属性，包括通过三种边线连接的两个节点之间的特征相似度和标签相等性：新添加的边线，删除的边线和正常边线，这些边线并未受到攻击方法的影响。由于特征在我们的数据集中是二进制的，因此我们使用雅卡德相似度作为特征相似度的度量。对于标签质量，如果两个节点共享同一标签或具有不同的标签，我们将报告比率。特征相似度和标签相等性结果分别在图2和图3中得到证明。我们展示的研究结果表明Metattack的摄动率为5％。 DICE和拓扑攻击的结果可在附录B中找到。请注意，由于此数据集不具有节点特征，因此我们在Polblog上没有特征相似性结果。我们可以从图中得出以下结论。
攻击者倾向于将具有不同标签和不同特征的节点连接起来。
•攻击者倾向于从具有相似特征和相同标签的节点中删除边缘

6.3 攻防表现

在本小节中，我们研究攻击方法的执行方式以及防御方法是否有助于抵抗攻击。同样，我们将扰动范围从0％更改为25％，以5％为步长。结果显示在表4中。我们显示了Metattack的性能。 DICE和拓扑攻击的结果显示在附录C中。请注意，我们在Polblogs中没有Jaccarddefense模型的性能，因为此模式需要节点功能，而Polblogs不提供节点功能。根据结果​​，我们有以下观察结果：
•随着扰动的增加，GCN的性能急剧下降。结果表明，Metattack可能会导致GCN模型的准确性大大降低。
•当扰动较小时，我们会观察到防御方法的性能下降较小，这表明它们的有效性。但是，当图形严重中毒时，它们的性能也会显着降低，这表明需要努力防御严重中毒的攻击。

7 结论和未来方向

在这项调查中，我们对图形数据的新兴研究领域，对抗攻击和防御措施进行了全面概述。我们研究了图对抗攻击的分类法，并回顾了代表性对抗攻击及相应的对策。此外，我们进行了实证研究，以显示不同的防御方法在不同的攻击下的行为方式，以及攻击对重要图属性的变化。通过这项全面的研究，我们对这一领域有了深入的了解，使我们能够讨论一些有前途的研究方向。
•不可察觉的扰动度量。与图像数据不同，人类无法轻易地讲出图上的扰动是否可察觉。 nor0范数约束扰动绝对是不够的。目前只有很少的工作研究此问题，因此找到简洁的扰动评估措施非常紧迫。
•不同的图数据。现有的工作主要集中在具有节点属性的静态图上。复杂的图（例如具有边缘属性的图和动态图）并不理想
•图对抗示例的存在和可传递性。关于图对抗示例的存在和可传递性的讨论很少。研究该主题对于我们理解图学习算法很重要，从而有助于我们建立健壮的模型。通过分析被攻击的图，我们发现攻击很可能会改变图的某些属性。因此，我们可以通过探索这些特性来构造有毒的GNN，从而从中毒图中学习一个图。