图形神经网络（GNNS）在提供图形结构时良好工作。但是，这种结构可能并不总是在现实世界应用中可用。该问题的一个解决方案是推断任务特定的潜在结构，然后将GNN应用于推断的图形。不幸的是，可能的图形结构的空间与节点的数量超级呈指数，因此任务特定的监督可能不足以学习结构和GNN参数。在这项工作中，我们提出了具有自我监督或拍打的邻接和GNN参数的同时学习，这是通过自我监督来推断图形结构的更多监督的方法。一个综合实验研究表明，缩小到具有数十万个节点的大图和胜过了几种模型，以便在已建立的基准上学习特定于任务的图形结构。

图形神经网络（GNNS）在建模图形结构数据方面表明了它们的能力。但是，实际图形通常包含结构噪声并具有有限的标记节点。当在这些图表中培训时，GNN的性能会显着下降，这阻碍了许多应用程序的GNN。因此，与有限标记的节点开发抗噪声GNN是重要的。但是，这是一个相当有限的工作。因此，我们研究了在具有有限标记节点的嘈杂图中开发鲁棒GNN的新问题。我们的分析表明，嘈杂的边缘和有限的标记节点都可能损害GNN的消息传递机制。为减轻这些问题，我们提出了一种新颖的框架，该框架采用嘈杂的边缘作为监督，以学习去噪和密集的图形，这可以减轻或消除嘈杂的边缘，并促进GNN的消息传递，以缓解有限标记节点的问题。生成的边缘还用于规则地将具有标记平滑度的未标记节点的预测规范化，以更好地列车GNN。实验结果对现实世界数据集展示了在具有有限标记节点的嘈杂图中提出框架的稳健性。

我们通过形式化节点标签的异质性（即连接的节点倾向于具有不同的标签）和GNN与对抗性攻击的稳健性来弥合图形神经网络（GNN）的两个研究方向。我们的理论和经验分析表明，对于同质图数据，有影响力的结构攻击始终导致同质性降低，而对于异性图数据，同质级别的变化取决于节点度。这些见解对防御对现实图形的攻击具有实际含义：我们推断出分离自我和邻居限制的汇总器，这是一种已确定的设计原则，可以显着改善异性图数据的预测，还可以为增强的鲁棒性提供稳健性gnns。我们的综合实验表明，与表现最好的未接种模型相比，GNN仅采用这种设计可以提高经验和可证明的鲁棒性。此外，与表现最佳的疫苗接种模型相比，这种设计与对抗性攻击的明确防御机制相结合，可提高稳健性，攻击性能在攻击下提高18.33％。

图表神经网络（GNNS）在各种机器学习任务中获得了表示学习的提高。然而，应用邻域聚合的大多数现有GNN通常在图中的图表上执行不良，其中相邻的节点属于不同的类。在本文中，我们示出了在典型的异界图中，边缘可以被引导，以及是否像是处理边缘，也可以使它们过度地影响到GNN模型的性能。此外，由于异常的限制，节点对来自本地邻域之外的类似节点的消息非常有益。这些激励我们开发一个自适应地学习图表的方向性的模型，并利用潜在的长距离相关性节点之间。我们首先将图拉普拉斯概括为基于所提出的特征感知PageRank算法向数字化，该算法同时考虑节点之间的图形方向性和长距离特征相似性。然后，Digraph Laplacian定义了一个图形传播矩阵，导致一个名为{\ em diglaciangcn}的模型。基于此，我们进一步利用节点之间的通勤时间测量的节点接近度，以便在拓扑级别上保留节点的远距离相关性。具有不同级别的10个数据集的广泛实验，同意级别展示了我们在节点分类任务任务中对现有解决方案的有效性。

图形神经网络已成为从图形结构数据学习的不可缺少的工具之一，并且它们的实用性已在各种各样的任务中显示。近年来，建筑设计的巨大改进，导致各种预测任务的性能更好。通常，这些神经架构在同一层中使用可知的权重矩阵组合节点特征聚合和特征转换。这使得分析从各种跳过的节点特征和神经网络层的富有效力来挑战。由于不同的图形数据集显示在特征和类标签分布中的不同级别和异常级别，因此必须了解哪些特征对于没有任何先前信息的预测任务是重要的。在这项工作中，我们将节点特征聚合步骤和深度与图形神经网络分离，并经验分析了不同的聚合特征在预测性能中发挥作用。我们表明，并非通过聚合步骤生成的所有功能都很有用，并且通常使用这些较少的信息特征可能对GNN模型的性能有害。通过我们的实验，我们表明学习这些功能的某些子集可能会导致各种数据集的性能更好。我们建议使用Softmax作为常规器，并从不同跳距的邻居聚合的功能的“软选择器”;和L2 - GNN层的标准化。结合这些技术，我们呈现了一个简单浅的模型，特征选择图神经网络（FSGNN），并经验展示所提出的模型比九个基准数据集中的最先进的GNN模型实现了可比或甚至更高的准确性节点分类任务，具有显着的改进，可达51.1％。

鉴于在现实世界应用中大规模图的流行率，训练神经模型的存储和时间引起了人们的关注。为了减轻关注点，我们提出和研究图形神经网络（GNNS）的图形凝结问题。具体而言，我们旨在将大型原始图凝结成一个小的，合成的和高度信息的图，以便在小图和大图上训练的GNN具有可比性的性能。我们通过优化梯度匹配损失并设计一种凝结节点期货和结构信息的策略来模仿原始图上的GNN训练轨迹，以解决凝结问题。广泛的实验证明了所提出的框架在将不同的图形数据集凝结成信息较小的较小图中的有效性。特别是，我们能够在REDDIT上近似于95.3％的原始测试准确性，Flickr的99.8％和CiteSeer的99.0％，同时将其图形尺寸降低了99.9％以上，并且可以使用冷凝图来训练各种GNN架构Code在https://github.com/chandlerbang/gcond上发布。

图形神经网络（GNNS）由于图形数据的规模和模型参数的数量呈指数增长，因此限制了它们在实际应用中的效用，因此往往会遭受高计算成本。为此，最近的一些作品着重于用彩票假设（LTH）稀疏GNN，以降低推理成本，同时保持绩效水平。但是，基于LTH的方法具有两个主要缺点：1）它们需要对密集模型进行详尽且迭代的训练，从而产生了极大的训练计算成本，2）它们仅修剪图形结构和模型参数，但忽略了节点功能维度，存在大量冗余。为了克服上述局限性，我们提出了一个综合的图形渐进修剪框架，称为CGP。这是通过在一个训练过程中设计在训练图周期修剪范式上进行动态修剪GNN来实现的。与基于LTH的方法不同，提出的CGP方法不需要重新训练，这大大降低了计算成本。此外，我们设计了一个共同策略，以全面地修剪GNN的所有三个核心元素：图形结构，节点特征和模型参数。同时，旨在完善修剪操作，我们将重生过程引入我们的CGP框架，以重新建立修剪但重要的连接。提出的CGP通过在6个GNN体系结构中使用节点分类任务进行评估，包括浅层模型（GCN和GAT），浅但深度散发模型（SGC和APPNP）以及Deep Models（GCNII和RESGCN），总共有14个真实图形数据集，包括来自挑战性开放图基准的大规模图数据集。实验表明，我们提出的策略在匹配时大大提高了训练和推理效率，甚至超过了现有方法的准确性。

从消息传递机制中受益，图形神经网络（GNN）在图形数据上的繁荣任务上已经成功。但是，最近的研究表明，攻击者可以通过恶意修改图形结构来灾难性地降低GNN的性能。解决此问题的直接解决方案是通过在两个末端节点的成对表示之间学习度量函数来建模边缘权重，该指标函数试图将低权重分配给对抗边缘。现有方法使用监督GNN学到的原始功能或表示形式来对边缘重量进行建模。但是，两种策略都面临着一些直接问题：原始特征不能代表节点的各种特性（例如结构信息），而受监督的GNN学到的表示可能会遭受分类器在中毒图上的差异性能。我们需要携带特征信息和尽可能糊状的结构信息并且对结构扰动不敏感的表示形式。为此，我们提出了一条名为stable的无监督管道，以优化图形结构。最后，我们将精心设计的图输入到下游分类器中。对于这一部分，我们设计了一个高级GCN，可显着增强香草GCN的鲁棒性，而不会增加时间复杂性。在四个现实世界图基准上进行的广泛实验表明，稳定的表现优于最先进的方法，并成功防御各种攻击。

Graph Neural Networks (GNNs) have been widely applied in the semi-supervised node classification task, where a key point lies in how to sufficiently leverage the limited but valuable label information. Most of the classical GNNs solely use the known labels for computing the classification loss at the output. In recent years, several methods have been designed to additionally utilize the labels at the input. One part of the methods augment the node features via concatenating or adding them with the one-hot encodings of labels, while other methods optimize the graph structure by assuming neighboring nodes tend to have the same label. To bring into full play the rich information of labels, in this paper, we present a label-enhanced learning framework for GNNs, which first models each label as a virtual center for intra-class nodes and then jointly learns the representations of both nodes and labels. Our approach could not only smooth the representations of nodes belonging to the same class, but also explicitly encode the label semantics into the learning process of GNNs. Moreover, a training node selection technique is provided to eliminate the potential label leakage issue and guarantee the model generalization ability. Finally, an adaptive self-training strategy is proposed to iteratively enlarge the training set with more reliable pseudo labels and distinguish the importance of each pseudo-labeled node during the model training process. Experimental results on both real-world and synthetic datasets demonstrate our approach can not only consistently outperform the state-of-the-arts, but also effectively smooth the representations of intra-class nodes.

Graph neural networks (GNNs) have been increasingly deployed in various applications that involve learning on non-Euclidean data. However, recent studies show that GNNs are vulnerable to graph adversarial attacks. Although there are several defense methods to improve GNN robustness by eliminating adversarial components, they may also impair the underlying clean graph structure that contributes to GNN training. In addition, few of those defense models can scale to large graphs due to their high computational complexity and memory usage. In this paper, we propose GARNET, a scalable spectral method to boost the adversarial robustness of GNN models. GARNET first leverages weighted spectral embedding to construct a base graph, which is not only resistant to adversarial attacks but also contains critical (clean) graph structure for GNN training. Next, GARNET further refines the base graph by pruning additional uncritical edges based on probabilistic graphical model. GARNET has been evaluated on various datasets, including a large graph with millions of nodes. Our extensive experiment results show that GARNET achieves adversarial accuracy improvement and runtime speedup over state-of-the-art GNN (defense) models by up to 13.27% and 14.7x, respectively.

图形神经网络（GNN）在许多基于图的任务中表现出强大的表示能力。具体而言，由于其简单性和性能优势，GNN（例如APPNP）的解耦结构变得流行。但是，这些GNN的端到端培训使它们在计算和记忆消耗方面效率低下。为了应对这些局限性，在这项工作中，我们为图形神经网络提供了交替的优化框架，不需要端到端培训。在不同设置下进行的广泛实验表明，所提出的算法的性能与现有的最新算法相当，但具有更好的计算和记忆效率。此外，我们表明我们的框架可以利用优势来增强现有的脱钩GNN。

标记为图形结构数据的分类任务具有许多重要的应用程序，从社交建议到财务建模。深度神经网络越来越多地用于图形上的节点分类，其中具有相似特征的节点必须给出相同的标签。图形卷积网络（GCN）是如此广泛研究的神经网络体系结构，在此任务上表现良好。但是，对GCN的强大链接攻击攻击最近表明，即使对训练有素的模型进行黑框访问，培训图中也存在哪些链接（或边缘）。在本文中，我们提出了一种名为LPGNET的新神经网络体系结构，用于对具有隐私敏感边缘的图形进行培训。 LPGNET使用新颖的设计为训练过程中的图形结构提供了新颖的设计，为边缘提供了差异隐私（DP）保证。我们从经验上表明，LPGNET模型通常位于提供隐私和效用之间的最佳位置：它们比使用不使用边缘信息的“琐碎”私人体系结构（例如，香草MLP）和针对现有的链接策略攻击更好的弹性可以提供更好的实用性。使用完整边缘结构的香草GCN。 LPGNET还与DPGCN相比，LPGNET始终提供更好的隐私性权衡，这是我们大多数评估的数据集中将差异隐私改造为常规GCN的最新机制。

隐私性和解释性是实现值得信赖的机器学习的两种重要成分。我们通过图形重建攻击研究了图机学习中这两个方面的相互作用。这里的对手的目的是重建给定模型解释的训练数据的图形结构。根据对手可用的不同种类的辅助信息，我们提出了几种图形重建攻击。我们表明，事后功能解释的其他知识大大提高了这些攻击的成功率。此外，我们详细研究了攻击性能相对于三种不同类别的图形神经网络的解释方法的差异：基于梯度，基于扰动和基于替代模型的方法。虽然基于梯度的解释在图形结构方面显示最多，但我们发现这些解释并不总是在实用程序上得分很高。对于其他两类的解释，隐私泄漏随着解释实用程序的增加而增加。最后，我们提出了基于随机响应机制的防御，以释放大大降低攻击成功率的解释。我们的匿名代码可用。

尽管图表学习（GRL）取得了重大进展，但要以足够的方式提取和嵌入丰富的拓扑结构和特征信息仍然是一个挑战。大多数现有方法都集中在本地结构上，并且无法完全融合全球拓扑结构。为此，我们提出了一种新颖的结构保留图表学习（SPGRL）方法，以完全捕获图的结构信息。具体而言，为了减少原始图的不确定性和错误信息，我们通过k-nearest邻居方法构建了特征图作为互补视图。该特征图可用于对比节点级别以捕获本地关系。此外，我们通过最大化整个图形和特征嵌入的相互信息（MI）来保留全局拓扑结构信息，从理论上讲，该信息可以简化为交换功能的特征嵌入和原始图以重建本身。广泛的实验表明，我们的方法在半监督节点分类任务上具有相当出色的性能，并且在图形结构或节点特征上噪声扰动下的鲁棒性出色。

In the last few years, graph neural networks (GNNs) have become the standard toolkit for analyzing and learning from data on graphs. This emerging field has witnessed an extensive growth of promising techniques that have been applied with success to computer science, mathematics, biology, physics and chemistry. But for any successful field to become mainstream and reliable, benchmarks must be developed to quantify progress. This led us in March 2020 to release a benchmark framework that i) comprises of a diverse collection of mathematical and real-world graphs, ii) enables fair model comparison with the same parameter budget to identify key architectures, iii) has an open-source, easy-to-use and reproducible code infrastructure, and iv) is flexible for researchers to experiment with new theoretical ideas. As of December 2022, the GitHub repository has reached 2,000 stars and 380 forks, which demonstrates the utility of the proposed open-source framework through the wide usage by the GNN community. In this paper, we present an updated version of our benchmark with a concise presentation of the aforementioned framework characteristics, an additional medium-sized molecular dataset AQSOL, similar to the popular ZINC, but with a real-world measured chemical target, and discuss how this framework can be leveraged to explore new GNN designs and insights. As a proof of value of our benchmark, we study the case of graph positional encoding (PE) in GNNs, which was introduced with this benchmark and has since spurred interest of exploring more powerful PE for Transformers and GNNs in a robust experimental setting.

尽管近期图形神经网络（GNN）成功，但常见的架构通常表现出显着的限制，包括对过天飞机，远程依赖性和杂散边缘的敏感性，例如，由于图形异常或对抗性攻击。至少部分地解决了一个简单的透明框架内的这些问题，我们考虑了一个新的GNN层系列，旨在模仿和整合两个经典迭代算法的更新规则，即近端梯度下降和迭代重复最小二乘（IRLS）。前者定义了一个可扩展的基础GNN架构，其免受过性的，而仍然可以通过允许任意传播步骤捕获远程依赖性。相反，后者产生了一种新颖的注意机制，该注意机制被明确地锚定到底层端到端能量函数，以及相对于边缘不确定性的稳定性。当结合时，我们获得了一个非常简单而强大的模型，我们在包括标准化基准，与异常扰动的图形，具有异化的图形和涉及远程依赖性的图形的不同方案的极其简单而强大的模型。在此过程中，我们与已明确为各个任务设计的SOTA GNN方法进行比较，实现竞争或卓越的节点分类准确性。我们的代码可以在https://github.com/fftyyy/twirls获得。

We investigate the representation power of graph neural networks in the semisupervised node classification task under heterophily or low homophily, i.e., in networks where connected nodes may have different class labels and dissimilar features. Many popular GNNs fail to generalize to this setting, and are even outperformed by models that ignore the graph structure (e.g., multilayer perceptrons). Motivated by this limitation, we identify a set of key designs-ego-and neighbor-embedding separation, higher-order neighborhoods, and combination of intermediate representations-that boost learning from the graph structure under heterophily. We combine them into a graph neural network, H 2 GCN, which we use as the base method to empirically evaluate the effectiveness of the identified designs. Going beyond the traditional benchmarks with strong homophily, our empirical analysis shows that the identified designs increase the accuracy of GNNs by up to 40% and 27% over models without them on synthetic and real networks with heterophily, respectively, and yield competitive performance under homophily.

自我监督的学习提供了一个有希望的途径，消除了在图形上的代表学习中的昂贵标签信息的需求。然而，为了实现最先进的性能，方法通常需要大量的负例，并依赖于复杂的增强。这可能是昂贵的，特别是对于大图。为了解决这些挑战，我们介绍了引导的图形潜伏（BGRL） - 通过预测输入的替代增强来学习图表表示学习方法。 BGRL仅使用简单的增强，并减轻了对否定例子对比的需求，因此通过设计可扩展。 BGRL胜过或匹配现有的几种建立的基准，同时降低了内存成本的2-10倍。此外，我们表明，BGR1可以缩放到半监督方案中的数亿个节点的极大的图表 - 实现最先进的性能并改善监督基线，其中表示仅通过标签信息而塑造。特别是，我们的解决方案以BGRL为中心，将kdd杯2021的开放图基准的大规模挑战组成了一个获奖条目，在比所有先前可用的基准更大的级别的图形订单上，从而展示了我们方法的可扩展性和有效性。

图表学习目的旨在将节点内容与图形结构集成以学习节点/图表示。然而，发现许多现有的图形学习方法在具有高异性级别的数据上不能很好地工作，这是不同类标签之间很大比例的边缘。解决这个问题的最新努力集中在改善消息传递机制上。但是，尚不清楚异质性是否确实会损害图神经网络（GNNS）的性能。关键是要展现一个节点与其直接邻居之间的关系，例如它们是异性还是同质性？从这个角度来看，我们在这里研究了杂质表示在披露连接节点之间的关系之前/之后的杂音表示的作用。特别是，我们提出了一个端到端框架，该框架既学习边缘的类型（即异性/同质性），并利用边缘类型的信息来提高图形神经网络的表现力。我们以两种不同的方式实施此框架。具体而言，为了避免通过异质边缘传递的消息，我们可以通过删除边缘分类器鉴定的异性边缘来优化图形结构。另外，可以利用有关异性邻居的存在的信息进行特征学习，因此，设计了一种混合消息传递方法来汇总同质性邻居，并根据边缘分类使异性邻居多样化。广泛的实验表明，在整个同质级别的多个数据集上，通过在多个数据集上提出的框架对GNN的绩效提高了显着提高。

图形结构的数据集通常具有不规则的图表尺寸和连接，渲染使用最近的数据增强技术，例如混合，困难。为了解决这一挑战，我们在名为曲线图移植的图形级别提供了第一个混合图形增强方法，其在数据空间中混合了不规则图。要在图形的各种尺度上定义，我们的方法将子结构标识为可以保留本地信息的混合单元。由于没有特殊考虑上下文的​​基于混合的方法易于产生噪声样本，因此我们的方法明确地使用节点显着信息来选择有意义的子图并自适应地确定标签。我们在多个图形分类基准数据集中广泛地验证了我们多样化的GNN架构，来自不同尺寸的各种图形域。实验结果显示了我们对其他基本数据增强基线的方法的一致优势。我们还证明了曲线图移植在鲁棒性和模型校准方面提高了性能。