Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các dịch vụ công nghệ thông tin và xu hướng chuyển đổi mô hình làm việc từ xa (work from home) do ảnh hưởng từ đại dịch COVID-19 đã làm bộc lộ nhiều lỗ hổng an ninh mạng nghiêm trọng. Sự mở rộng của mạng 5G, thiết bị kết nối vạn vật (IoT) – ước tính đạt 27 tỷ thiết bị trên toàn cầu trong năm 2021 – cùng quy mô thị trường an ninh thông tin vượt 170 tỷ USD vào năm 2022 phản ánh áp lực bảo vệ hệ thống trước các mối đe dọa trực tuyến. Theo số liệu từ Cybersecurity Ventures, thiệt hại do tội phạm mạng gây ra ước tính tiêu tốn 6.000 tỷ USD mỗi năm vào năm 2021, tăng gấp đôi so với mốc 3.000 tỷ USD năm 2015. Báo cáo Rủi ro Toàn cầu năm 2021 của Diễn đàn Kinh tế Thế giới tiếp tục xếp rủi ro an ninh mạng vào nhóm nguy cơ hàng đầu, minh chứng qua hàng loạt sự cố quy mô lớn như vụ tấn công vào hệ thống của hãng dược phẩm Pfizer, vụ khai thác phần mềm email doanh nghiệp của Microsoft ảnh hưởng tới hơn 30.000 tổ chức, hay các đợt tấn công chuỗi cung ứng nhắm vào SolarWinds, FireEye và thư viện mã nguồn mở NPM vào tháng 10/2021. Báo cáo của tổ chức AV-TEST ghi nhận tính đến tháng 3/2020, tổng số lượng phần mềm độc hại đã đạt 677,66 triệu mẫu.

Trước thực trạng đó, các phương pháp phát hiện mã độc truyền thống đang bộc lộ những hạn chế rõ rệt:

  • Phương pháp dựa trên tập luật/chữ ký (signature-based): Hoàn toàn bất lực trước các biến thể mã độc mới, mã độc đa hình, hoặc các cuộc tấn công chưa từng xuất hiện.
  • Phương pháp dựa trên phân tích bất thường (anomaly-based) sử dụng môi trường hộp cát (sandbox): Dễ bị vô hiệu hóa khi mã độc tích hợp kỹ thuật chống máy ảo (anti-sandbox) hoặc cơ chế ngủ đông; các thuộc tính trích xuất từ log sandbox thường nghèo nàn; thời điểm phát hiện thường rơi vào giai đoạn cuối khi dữ liệu đã bị rò rỉ; đặc biệt là thiếu khả năng liên kết và xâu chuỗi sự kiện giữa các tiến trình độc lập diễn ra ngắt quãng theo thời gian.

Từ các hạn chế trên, đề tài xác định mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  • Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng phương pháp phát hiện mã độc dựa trên hành vi trên máy trạm thông qua việc phân tích hồ sơ tiến trình biểu diễn dưới dạng đồ thị có hướng kết hợp mô hình Graph2Vec và thuật toán học máy, nhằm phát hiện và cảnh báo sớm các hành vi bất thường.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Nghiên cứu tổng quan về mã độc, phân loại các dòng mã độc phổ biến và các nguy cơ mất an toàn thông tin trên không gian mạng.
    2. Xây dựng quy trình thu thập dữ liệu nhân hệ điều hành bằng công cụ Sysmon, chuẩn hóa thuộc tính tiến trình và kết hợp ánh xạ nhãn kỹ thuật theo khung ma trận MITRE ATT&CK.
    3. Xây dựng cấu trúc hồ sơ tiến trình dạng đồ thị có hướng; áp dụng mô hình Sqn2Vec (chuỗi tuần tự) và mô hình Graph2Vec (nhúng đồ thị) để trích xuất không gian vector đặc trưng.
    4. Triển khai phân loại mã độc bằng hai thuật toán học máy Random Forest (RF) và Multi-layer Perceptron (MLP) trên bộ dữ liệu thực nghiệm; so sánh, đánh giá hiệu năng giữa các hướng tiếp cận.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hành vi của các tiến trình hệ thống được sinh ra từ nhân hệ điều hành Windows, kỹ thuật phân tích sự tương quan giữa các tiến trình cha - con, các mô hình học biểu diễn không giám sát (Sqn2Vec, Graph2Vec) và mô hình phân loại học máy (Random Forest, Multi-layer Perceptron).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thu thập log giám sát máy trạm chạy hệ điều hành Windows thông qua công cụ Sysmon; khảo sát trên bộ dữ liệu gồm 358.075 bản ghi tệp thực thi và tài liệu; các số liệu thống kê thực trạng an toàn thông tin được giới hạn cập nhật đến năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng lý thuyết và kỹ thuật thông qua các mô hình và công cụ chuyên dụng:

  • Khái niệm và phân loại mã độc: Văn bản hệ thống hóa các dạng phần mềm độc hại gồm Virus boot, Macro virus, Scripting virus, File virus, Trojan horse (BackDoor, Adware, Spyware), Worm (lan truyền qua thư điện tử, ổ nhớ USB), Rootkit (can thiệp tầng nhân để che giấu tiến trình), Botnet (phục vụ tấn công DoS, đào tiền ảo), biến thể mã độc và cảnh báo giả (Virus Hoax).
  • Khung ma trận MITRE ATT&CK: Cơ sở kiến thức toàn cầu mô tả chi tiết chiến thuật (tactics), kỹ thuật (techniques) và kỹ thuật con (sub-techniques) của đối thủ. Khung này được sử dụng để ánh xạ các hành vi tương tác với File, Network, RemoteThread của tiến trình thành các nhãn hành vi bất thường chuẩn hóa.
  • Mô hình trích xuất đặc trưng chuỗi Sqn2Vec: Xây dựng trên kiến trúc mạng nơ-ron truyền thẳng (Feedforward Neural Network) và kỹ thuật Paragraph Vector (PV-DBOW). Phương pháp khai thác các mẫu tuần tự thỏa mãn ràng buộc khoảng cách (Sequential pattern satisfying gap-constraint - SP) với hai biến thể triển khai là Sqn2Vec-SIM (gộp ký hiệu gốc và SP vào một quy trình huấn luyện) và Sqn2Vec-SEP (huấn luyện hai không gian nhúng độc lập rồi tính trung bình vector).
  • Mô hình nhúng đồ thị Graph2Vec: Phương pháp học biểu diễn không giám sát mở rộng từ doc2vec, coi toàn bộ cấu trúc đồ thị như một văn bản và các cây con gốc (rooted subgraphs) như các từ ngữ cảnh. Graph2Vec sử dụng thuật toán Weisfeiler-Lehman để trích xuất rooted subgraphs qua từng vòng lặp, áp dụng hàm băm MD5 để định danh duy nhất cấu trúc subgraph, sau đó sử dụng mô hình Skip-gram với kỹ thuật lấy mẫu âm (Negative Sampling) để huấn luyện biểu diễn đồ thị thành vector $N$ chiều. Khoảng cách giữa các đồ thị được lượng hóa thông qua độ tương đồng Cosine (Cosine similarity).
  • Các thuật toán phân loại:
    • Random Forest (RF): Thuật toán học có giám sát dựa trên mô hình kết hợp (Ensemble learning), sử dụng kỹ thuật đóng gói Bootstrap (Bagging) để xây dựng tập hợp nhiều cây quyết định (Decision Trees) độc lập và đưa ra kết quả phân loại dựa trên biểu quyết đa số (Majority Voting).
    • Multi-layer Perceptron (MLP): Mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng gồm tầng đầu vào (input layer), các tầng ẩn (hidden layers) và tầng đầu ra (output layer). Quá trình tối ưu hóa trọng số và độ lệch sử dụng thuật toán lan truyền ngược (Backpropagation) kết hợp hàm hồi quy Softmax (Softmax Regression) ở lớp cuối cùng để tính xác suất phân lớp.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

  • Thu thập và tiền xử lý dữ liệu: Giám sát nhân hệ điều hành Windows bằng công cụ Microsoft Sysmon, trích xuất dữ liệu từ các mã sự kiện (Event ID), đặc biệt là Event ID 1 (Process Create) và Event ID 5 (Process Terminated), kết hợp phân loại 21 sự kiện còn lại qua MITRE ATT&CK.
  • Xây dựng mô hình hình học: Biểu diễn quan hệ tương tác giữa các tiến trình dưới dạng cây tiến trình có hướng (mỗi tiến trình con là một nút, mỗi cạnh thể hiện quan hệ tiến trình cha gọi tiến trình con).
  • Thiết kế thực nghiệm kiểm chứng: Phân chia tập dữ liệu ngẫu nhiên theo tỷ lệ 80% cho tập huấn luyện (training) và 20% cho tập kiểm tra (testing). Thử nghiệm độc lập trên 3 không gian nhúng với số chiều lần lượt là 64, 128 và 256 chiều.
  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng tập dữ liệu thực nghiệm gồm 358.075 bản ghi từ nguồn công bố học thuật, trong đó bao gồm 288.352 mẫu tệp bình thường và 69.723 mẫu tệp mã độc.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÃ ĐỘC VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN

Chương I tập trung hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về mã độc và các nguy cơ an toàn thông tin trong bối cảnh chuyển đổi số:

  • Định nghĩa mã độc là phần mềm được tạo ra có chủ ý nhằm phá hủy dữ liệu, gây hại cho máy tính, máy khách, máy chủ hoặc hạ tầng mạng; phân tích 3 đặc điểm căn bản gồm khả năng tự nhân bản, sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và tính chất sống ký sinh vào tệp tin thực thi.
  • Phân tích chi tiết phương thức hoạt động của 10 nhóm mã độc: Virus boot lây vào boot sector/master boot record (kích thước giới hạn 512 byte); Macro virus tấn công bộ ứng dụng văn phòng; Scripting virus viết bằng VBScript, JavaScript, Batch script; File virus lây qua tệp thực thi (.dll); Trojan horse và 3 biến thể chính (BackDoor thiết lập mạng Botnet thực hiện DoS, Adware quảng cáo, Spyware cài keylogger ăn cắp thông tin); Worm lây lan qua email ngụy trang và thiết bị nhớ USB; Rootkit can thiệp tầng nhân hệ điều hành Windows từ năm 2005; mạng máy tính ma Botnet; các kỹ thuật tạo biến thể đa hình; và Virus Hoax gây nghẽn dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật.
  • Đánh giá thực trạng an ninh mạng năm 2021 qua các chỉ số thiệt hại từ Cybersecurity Ventures (6.000 tỷ USD), báo cáo rủi ro của Diễn đàn Kinh tế Thế giới, các vụ tấn công vào chuỗi cung ứng phần mềm (SolarWinds, FireEye, NPM với hơn 6 triệu lượt tải tuần), và số liệu AV-TEST ghi nhận 677,66 triệu mẫu mã độc.
  • Tổng kết 4 nguy cơ mất an toàn thông tin: hư hỏng phần cứng/mất dữ liệu; bị xâm nhập qua Phishing, Man-in-the-middle; lừa đảo qua email và mạng xã hội; chiếm quyền điều khiển website qua tấn công DoS.
  • Phân tích ưu và nhược điểm của hai hướng phát hiện chính là signature-based và anomaly-based; chỉ ra 3 rào cản kỹ thuật của phương pháp phân tích động sandbox: tính năng chống máy ảo (anti-sandbox), thời điểm phát hiện muộn, và đặc biệt là thiếu sự liên kết giữa các chuỗi sự kiện tiến trình đơn lẻ.

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN MÃ ĐỘC TRÊN MÁY TRẠM SỬ DỤNG HỌC MÁY

Chương II trình bày toàn diện kiến trúc mô hình phát hiện mã độc đề xuất gồm 3 giai đoạn xử lý:

  • Giai đoạn 1: Xây dựng hồ sơ tiến trình dạng đồ thị:
    • Sử dụng Sysmon để thu thập 23 loại Event ID từ nhân hệ điều hành Windows.
    • Chuẩn hóa thuộc tính tiến trình theo bảng danh mục: Nhóm 1 (Event ID 1: Process Create) gồm OriginalFileName, Hash, ProcessID, ParentID, CommandLine, Image, CreationTimestamp; Nhóm 2 (Event ID 5: Process Terminated) gồm TerminationTimestamp; Nhóm 3 gồm danh sách kỹ thuật tấn công MitreAttacks được gán nhãn thông qua việc đối soát 21 Event ID còn lại với khung MITRE ATT&CK matrix (File, Network, RemoteThread).
    • Thiết lập cấu trúc hồ sơ tiến trình dạng đồ thị có hướng (cây tiến trình), trong đó mỗi tiến trình là một nút (node) mang định danh ProcessID và các thuộc tính tương ứng, mỗi cạnh (edge) biểu diễn thao tác tiến trình cha kích hoạt tiến trình con dựa trên ParentID.
  • Giai đoạn 2: Trích xuất thuộc tính hồ sơ tiến trình:
    • Hướng tiếp cận 1: Áp dụng thuật toán Sqn2Vec để xử lý tính chất tuần tự theo thời gian của các tiến trình, trích xuất mẫu tuần tự SP kết hợp mạng nơ-ron truyền thẳng PV-DBOW qua hai biến thể Sqn2Vec-SIM và Sqn2Vec-SEP.
    • Hướng tiếp cận 2: Áp dụng thuật toán Graph2Vec để chuyển đổi toàn bộ đồ thị có hướng thành vector nhúng. Quá trình gồm hai bước: (1) Trích xuất rooted subgraphs bằng thuật toán Weisfeiler-Lehman với công thức tính nhãn cập nhật tại nút $v$ ở vòng lặp $i$: $l_i(v) = \text{relabel}((l_{i-1}(v), \text{sort}({l_{i-1}(u) \mid u \in N(v)})))$, trong đó hàm relabel sử dụng thuật toán MD5 để gán nhãn băm duy nhất cho cấu trúc; (2) Chuẩn hóa đồ thị thành vector đặc trưng bằng mô hình PV-DBOW Skip-gram với kỹ thuật Negative Sampling để dự đoán các rooted subgraph từ GraphID.
  • Giai đoạn 3: Phân loại hồ sơ tiến trình:
    • Ứng dụng thuật toán Random Forest (RF) với các kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên Bootstrap (Bagging) và biểu quyết đa số nhằm hạn chế hiện tượng quá khớp.
    • Ứng dụng mô hình mạng nơ-ron đa tầng Multi-layer Perceptron (MLP) với các lớp ẩn tính toán phi tuyến $y = \phi(w^T x + b)$, sử dụng thuật toán lan truyền ngược Backpropagation để tinh chỉnh trọng số và hàm Softmax Regression ở tầng cuối nhằm tính toán xác suất phân chia lớp mã độc hoặc bình thường.

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Chương III trình bày quá trình cài đặt, thử nghiệm thực nghiệm và đánh giá định lượng:

  • Thiết lập tập dữ liệu thực nghiệm: Sử dụng tổng số 358.075 mẫu, chia ngẫu nhiên thành 80% tập huấn luyện và 20% tập kiểm thử. Tập tệp bình thường gồm 288.352 mẫu thuộc 10 định dạng khác nhau. Thử nghiệm trên 3 không gian nhúng đặc trưng có số chiều lần lượt là 64, 128 và 256.
  • Tiêu chí đánh giá: Sử dụng 4 độ đo gồm Accuracy, Precision, Recall và F1-score, kết hợp theo dõi thời gian huấn luyện (Training time), thời gian kiểm tra (Testing time) và ma trận nhầm lẫn (Confusion Matrix).
  • Kịch bản thực nghiệm 1: Đánh giá mô hình chuỗi Sqn2Vec kết hợp RF (khảo sát số cây 10, 50, 100) và MLP (khảo sát các cấu hình số tầng ẩn).
  • Kịch bản thực nghiệm 2: Đánh giá mô hình đồ thị Graph2Vec kết hợp RF và MLP trên các kích thước không gian nhúng tương ứng (64, 128, 256 chiều).

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu công bố chi tiết thành phần tập dữ liệu tệp bình thường và các chỉ số đo lường hiệu năng của các mô hình phân loại:

Loại tệp bình thường Số lượng Loại tệp bình thường Số lượng
Adobe Flash, PDF 48.518 Microsoft Office 48.088
Archive files 45.183 Scripts 26.950
PE EXE 20.781 Email files 20.852
PE DLL 8.823 HTML Documents 6.312
JAVA 2.014 Định dạng khác 60.831
Tổng số tệp bình thường 288.352 Tổng số mẫu toàn tập dữ liệu 358.075

Kết quả thực nghiệm trên Kịch bản 1 (Sử dụng mô hình trích xuất Sqn2Vec):

  • Thuật toán Sqn2Vec-RF: Đạt độ chính xác ổn định từ 96,39% đến 96,71%. Khi thiết lập số lượng cây bằng 100, mô hình đạt hiệu năng cao nhất trên cả hai không gian đặc trưng 64 và 256. Thời gian huấn luyện và kiểm thử tăng tỷ lệ thuận với số lượng cây và số chiều vector nhúng, tuy nhiên độ chính xác biến đổi không đáng kể, chứng minh tính ổn định cao của RF.
  • Thuật toán Sqn2Vec-MLP: Đạt kết quả tối ưu tại cấu hình 4 tầng ẩn (layer) với không gian 128 đặc trưng. Độ chính xác Accuracy đạt 97,07% (cao hơn thuật toán RF khoảng 0,36% - 0,7%), đồng thời các chỉ số Precision và Recall đều cao hơn RF khoảng 1,2%.
  • Ma trận nhầm lẫn của mô hình Sqn2Vec: Thuật toán MLP phân loại sai (bỏ sót) 1.404 tệp mã độc (giảm 108 tệp so với mức 1.512 tệp của RF), nhưng nhận diện nhầm 831 tệp bình thường thành mã độc (tăng 56 tệp so với mức 775 tệp của RF). Điều này phản ánh MLP hiệu quả hơn trong việc phát hiện mã độc, còn RF chính xác hơn trong việc lọc tệp bình thường.

Kết quả thực nghiệm trên Kịch bản 2 (Sử dụng mô hình trích xuất Graph2Vec):

  • Thuật toán Graph2Vec-RF: Độ chính xác tăng dần theo số lượng đặc trưng và số lượng cây. Với 64 đặc trưng và 10 cây, mô hình đạt độ chính xác phân loại mã độc 89,02%. Khi tăng lên 128 đặc trưng và 100 cây, Accuracy đạt 97,32%. Tại không gian 256 đặc trưng, độ chính xác tiếp tục tăng nhẹ.
  • Thuật toán Graph2Vec-MLP: Đạt hiệu năng phân loại tổng thể cao nhất với Accuracy đạt ngưỡng xấp xỉ 98%. So với mô hình Graph2Vec-RF, Accuracy của MLP tăng 0,23%, tuy nhiên chỉ số Precision giảm 1,59% và F1-score giảm khoảng 2%. Thời gian huấn luyện và kiểm thử của MLP tăng đáng kể so với RF.
  • Ma trận nhầm lẫn của mô hình Graph2Vec:
    • Mô hình Graph2Vec-RF: Phân loại đúng 56.457 tệp bình thường, đoán nhầm 615 tệp bình thường thành mã độc; phân loại đúng 12.828 tệp mã độc, bỏ sót 1.117 tệp mã độc.
    • Mô hình Graph2Vec-MLP: Phân loại đúng 56.242 tệp bình thường, đoán nhầm 870 tệp bình thường thành mã độc; phân loại đúng 13.120 tệp mã độc, chỉ bỏ sót 557 tệp mã độc.

Đóng góp của đề tài:

  • Xây dựng thành công phương pháp biểu diễn hồ sơ tiến trình dạng đồ thị có hướng kết hợp gán nhãn thuộc tính theo ma trận MITRE ATT&CK từ dữ liệu log Sysmon trên nhân hệ điều hành Windows, giúp giải quyết triệt để vấn đề thiếu liên kết ngữ cảnh giữa các tiến trình đơn lẻ.
  • Chứng minh tính ưu việt của mô hình nhúng đồ thị Graph2Vec so với mô hình chuỗi tuần tự Sqn2Vec: Graph2Vec cho phép nắm bắt cấu trúc phân nhánh phức tạp của mã độc, mang lại độ chính xác cao hơn và thời gian xử lý nhanh hơn trên máy trạm.
  • Đưa ra phân tích đối sánh thực nghiệm toàn diện giữa thuật toán học máy cổ điển (RF) và mô hình mạng nơ-ron sâu (MLP), xác định rõ đặc tính nhận diện của từng thuật toán phục vụ bài toán phát hiện bất thường trên thiết bị đầu cuối.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Bộ dữ liệu thực nghiệm (358.075 bản ghi) tuy có quy mô tương đối lớn nhưng chưa đủ mức độ đa dạng về các chủng loại mã độc thế hệ mới để phát huy tối đa tiềm năng phân loại của kiến trúc mạng nơ-ron nhiều lớp MLP.
  • Tỷ lệ cảnh báo nhầm (dự đoán sai tệp bình thường thành mã độc) của mô hình mạng nơ-ron MLP ở cả hai kịch bản vẫn cao hơn so với thuật toán Random Forest (831 tệp so với 775 tệp ở Sqn2Vec; 870 tệp so với 615 tệp ở Graph2Vec).
  • Thời gian huấn luyện và độ phức tạp tính toán của mạng MLP tăng nhanh khi gia tăng số tầng ẩn và số chiều đặc trưng, tạo áp lực tài nguyên đối với hệ thống máy trạm thông thường.
  • Mô hình phụ thuộc hoàn toàn vào cấu trúc dữ liệu log thu thập từ công cụ Sysmon và tập quy tắc ánh xạ kỹ thuật tấn công của MITRE ATT&CK.

Hướng phát triển trong tương lai:

  • Cải thiện và tối ưu hóa phương pháp xây dựng, tổng hợp hồ sơ tiến trình nhằm nâng cao khả năng xâu chuỗi sự kiện và giảm nhiễu từ các tiến trình hệ thống lành tính.
  • Nâng cấp phương pháp phân tích hồ sơ tiến trình, nghiên cứu các thuật toán biểu diễn đồ thị sâu tiên tiến hơn nhằm rút ngắn thời gian trích xuất vector đặc trưng và giảm tỷ lệ nhận diện nhầm tệp bình thường.

Giá trị tham khảo

Khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các nhóm đối tượng và lĩnh vực nghiên cứu cụ thể:

  • Đối tượng tham khảo:
    • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên chuyên ngành An toàn thông tin, Kỹ thuật mật mã, Khoa học dữ liệu và Công nghệ thông tin định hướng an ninh mạng.
    • Các kỹ sư giám sát an toàn thông tin (SOC/Blue Team), chuyên viên phân tích mã độc và kỹ sư phát triển giải pháp phát hiện, phản ứng sự cố trên điểm cuối (Endpoint Detection and Response - EDR).
  • Các nội dung chuyên sâu có thể kế thừa:
    • Bảng đặc tả 3 nhóm thuộc tính tiến trình chuẩn hóa từ các mã sự kiện Sysmon kết hợp khung phân loại hành vi MITRE ATT&CK (Bảng 1.1).
    • Quy trình kỹ thuật chuyển đổi đồ thị tiến trình thành vector nhúng thông qua thuật toán Weisfeiler-Lehman, hàm băm MD5 và mô hình Skip-gram trong Graph2Vec.
    • Bộ thông số thực nghiệm đối sánh giữa hai mô hình trích xuất đặc trưng (Sqn2Vec và Graph2Vec) kết hợp với các bộ phân loại RF và MLP trên các kích thước không gian nhúng 64, 128 và 256 chiều.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận giải quyết hạn chế gì của phương pháp phân tích động mã độc bằng môi trường Sandbox truyền thống? Các công cụ Sandbox truyền thống thường gặp khó khăn trước các dòng mã độc có cơ chế phát hiện máy ảo (anti-sandbox) hoặc tự động ngủ đông để ẩn mình; thuộc tính trích xuất từ log sandbox thường nghèo nàn và chỉ phát hiện mã độc ở giai đoạn muộn của cuộc tấn công. Đặc biệt, sandbox không thể liên kết và tổng hợp được sự tương quan giữa các sự kiện tiến trình đơn lẻ diễn ra ngắt quãng theo thời gian. Khóa luận giải quyết vấn đề này bằng cách thu thập trực tiếp log tiến trình trên nhân hệ điều hành qua Sysmon, xây dựng cây tiến trình dạng đồ thị có hướng để thể hiện rõ quan hệ cha - con, và gán nhãn hành vi dựa trên ma trận MITRE ATT&CK nhằm phát hiện các dấu hiệu tấn công ẩn mình.

2. Hồ sơ tiến trình được mô hình hóa dưới dạng cấu trúc nào và bao gồm những thuộc tính cụ thể nào? Hồ sơ tiến trình được mô hình hóa dưới dạng cấu trúc đồ thị có hướng (cây tiến trình), trong đó mỗi tiến trình con là một nút (node) và mỗi cạnh (edge) thể hiện quan hệ tiến trình cha gọi tiến trình con. Thuộc tính của một tiến trình được chia làm 3 nhóm:

  • Nhóm 1 (Trích xuất từ Event ID 1: Process Create): OriginalFileName (chuỗi), Hash (chuỗi), ProcessID (số), ParentID (số), CommandLine (chuỗi dòng lệnh), Image (đường dẫn tệp thực thi), CreationTimestamp (dấu thời gian tạo).
  • Nhóm 2 (Trích xuất từ Event ID 5: Process Terminated): TerminationTimestamp (dấu thời gian kết thúc).
  • Nhóm 3 (Định nghĩa qua MITRE ATT&CK matrix): MitreAttacks (danh sách các kỹ thuật tấn công liên quan đến File, Network, RemoteThread được gán nhãn từ 21 Event ID còn lại của Sysmon).

3. Cơ chế hoạt động của thuật toán Graph2Vec trong việc trích xuất đặc trưng đồ thị tiến trình được thực hiện ra sao? Graph2Vec trích xuất vector đặc trưng từ đồ thị tiến trình thông qua 2 bước chính:

  • Bước 1: Trích xuất các cây con gốc (rooted subgraphs) bằng thuật toán Weisfeiler-Lehman. Tại mỗi vòng lặp, nhãn của nút được cập nhật dựa trên tập các nút lân cận và được mã hóa bằng hàm băm MD5 để tạo chuỗi định danh duy nhất (đóng vai trò như một từ khóa trong từ điển đồ thị).
  • Bước 2: Chuẩn hóa đồ thị thành một vector đại diện duy nhất thông qua mô hình Paragraph Vector Distributed Bag of Words (PV-DBOW) kết hợp kiến trúc mạng Skip-gram. Mô hình sử dụng kỹ thuật lấy mẫu âm (Negative Sampling) để học biểu diễn từ GraphID sang không gian vector nhúng có số chiều xác định (64, 128 hoặc 256).

4. Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu gồm bao nhiêu mẫu và được phân bổ theo các định dạng nào? Tổng bộ dữ liệu thực nghiệm gồm 358.075 bản ghi (chia theo tỷ lệ 80% huấn luyện và 20% kiểm tra). Trong đó, tập tệp bình thường chiếm 288.352 mẫu và tập tệp mã độc chiếm 69.723 mẫu. Thành phần cụ thể của 288.352 tệp bình thường bao gồm: Adobe Flash và PDF (48.518), Microsoft Office (48.088), Archive files (45.183), Scripts (26.950), PE EXE (20.781), Email files (20.852), PE DLL (8.823), HTML Documents (6.312), JAVA (2.014) và các định dạng khác (60.831).

5. Kết quả phân loại trên ma trận nhầm lẫn cho thấy sự khác biệt nào giữa thuật toán Random Forest và Multi-layer Perceptron? Trên cả hai mô hình trích xuất đặc trưng (Sqn2Vec và Graph2Vec), thuật toán Multi-layer Perceptron (MLP) cho khả năng phát hiện mã độc nhạy bén hơn nhưng lại có tỷ lệ cảnh báo nhầm tệp lành tính cao hơn Random Forest (RF):

  • Với mô hình Sqn2Vec: MLP bỏ sót 1.404 tệp mã độc (ít hơn RF vốn bỏ sót 1.512 tệp), nhưng đoán nhầm 831 tệp bình thường thành mã độc (nhiều hơn RF vốn chỉ nhầm 775 tệp).
  • Với mô hình Graph2Vec: MLP nhận diện chính xác 13.120 tệp mã độc và chỉ bỏ sót 557 tệp (vượt trội so với RF nhận diện đúng 12.828 tệp và bỏ sót 1.117 tệp), tuy nhiên MLP dự đoán nhầm 870 tệp bình thường thành mã độc (cao hơn RF với 615 tệp nhầm lẫn).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Hoa đã giải quyết bài toán phát hiện mã độc trên máy trạm thông qua việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật phân tích hồ sơ tiến trình dạng đồ thị kết hợp học máy. Bằng việc chuẩn hóa dữ liệu nhân hệ điều hành từ công cụ Sysmon và ánh xạ hành vi theo ma trận MITRE ATT&CK, đồ án đã khắc phục nhược điểm thiếu tính tương quan sự kiện của các giải pháp sandbox truyền thống. Kết quả thực nghiệm trên bộ dữ liệu 358.075 mẫu chứng minh mô hình nhúng đồ thị Graph2Vec kết hợp các bộ phân loại Random Forest và Multi-layer Perceptron đạt hiệu năng phát hiện vượt trội và tốc độ xử lý nhanh hơn so với mô hình chuỗi tuần tự Sqn2Vec, cung cấp cơ sở kỹ thuật thực tiễn cho việc phát triển các hệ thống giám sát an toàn thông tin đầu cuối.