Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Thương mại điện tử (TMĐT) toàn cầu đang tăng trưởng mạnh với doanh thu dự báo đạt 6,09 nghìn tỷ USD vào năm 2024 và duy trì CAGR 7,6% trong giai đoạn 2022–2027 (Shopify, 2024). Song hành với tăng trưởng đó là rủi ro gian lận tài chính ngày càng nghiêm trọng: tổn thất do gian lận TMĐT được dự báo tăng từ 44 tỷ USD (2024) lên 107 tỷ USD vào năm 2029 — tức tăng 141% trong 5 năm (Juniper Research, 2024).

Trong bối cảnh TMĐT chuyển dịch sang nền tảng phi tập trung, Ethereum nổi lên như hạ tầng giao dịch chủ đạo, được triển khai bởi các doanh nghiệp lớn như Shopify, Microsoft, OpenSea, eBay và Etsy. Tuy nhiên, các lỗ hổng trong hợp đồng thông minh đã bị khai thác nghiêm trọng — điển hình là vụ tấn công Bybit gây tổn thất gần 1,5 tỷ USD (Chainalysis Team, 2025). Đây là bối cảnh trực tiếp thúc đẩy nhu cầu phát triển cơ chế phát hiện gian lận hiệu quả trên nền tảng này.

Theo tác giả, tính đến thời điểm nghiên cứu chưa có công trình nào tích hợp LightGBM với thuật toán PSO để phát hiện gian lận trên Ethereum — một hệ sinh thái đặc thù với dữ liệu vừa phức tạp, vừa mất cân bằng mạnh. Đây là khoảng trống nghiên cứu rõ rệt mà đề tài hướng đến lấp đầy.

Một phần nội dung của khóa luận đã được trình bày tại Hội thảo quốc tế CERPS 2025, khẳng định tính học thuật và tính ứng dụng thực tiễn của đề tài.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu

Mục tiêu chung: Phát triển mô hình phát hiện gian lận hiệu quả trong giao dịch TMĐT trên blockchain Ethereum bằng cách kết hợp LightGBM và PSO, nâng cao độ chính xác nhận diện gian lận và tối ưu hóa siêu tham số mô hình.

Mục tiêu cụ thể:

  1. Phân tích tổng quan các hình thức gian lận phổ biến trong TMĐT ứng dụng blockchain, đặc biệt trên Ethereum.
  2. Đánh giá các phương pháp phát hiện gian lận hiện có (Random Forest, XGBoost, ...) nhằm xác định hạn chế và định hướng cải tiến.
  3. Đề xuất mô hình kết hợp LightGBM và PSO, trong đó LightGBM phân loại và PSO tối ưu siêu tham số.
  4. Thực nghiệm mô hình trên tập dữ liệu Ethereum; so sánh hiệu suất với các mô hình hiện có qua Accuracy, Precision, Recall, F1-score và thời gian xử lý.
  5. Đề xuất khả năng triển khai mô hình vào thực tiễn giám sát giao dịch TMĐT phi tập trung.

Câu hỏi nghiên cứu:

  1. Việc kết hợp LightGBM với PSO có giúp cải thiện độ chính xác, hiệu suất xử lý và tính ổn định so với các phương pháp học máy truyền thống hay không?
  2. Mô hình PSO-Optimized LightGBM có khả năng triển khai hiệu quả trên dữ liệu giao dịch Ethereum trong điều kiện khối lượng lớn và mất cân bằng nghiêm trọng hay không?
  3. Mức độ ứng dụng thực tiễn của mô hình đề xuất trong hệ sinh thái TMĐT phi tập trung là như thế nào?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Bài toán phát hiện giao dịch gian lận trong TMĐT ứng dụng blockchain Ethereum; phân tích, nhận diện và phân loại các giao dịch bất thường dựa trên đặc trưng hành vi và mô hình học máy.

Phạm vi không gian: Hệ sinh thái blockchain Ethereum. Các blockchain khác (Binance Smart Chain, Solana, Avalanche) không thuộc phạm vi phân tích.

Phạm vi thời gian: Từ tháng 11/2024 đến tháng 5/2025.

Phạm vi kỹ thuật: Triển khai và đánh giá 10 mô hình học máy, gồm: PSO-Optimized LightGBM (mô hình đề xuất), CatBoost, LightGBM, Random Forest, MLP, Decision Tree, KNN, SVM, Logistic Regression và Naive Bayes.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Đề tài xây dựng khung lý thuyết trên ba trụ cột:

Thứ nhất — Lý luận về gian lận TMĐT: Nghiên cứu hệ thống hóa các hình thức gian lận từ truyền thống (phishing, pharming, account takeover) đến đặc thù trên Ethereum gồm ba nhóm chính: (i) gian lận hợp đồng thông minh (hợp đồng Ponzi, tấn công reentrancy, honeypot contracts); (ii) gian lận DeFi (rug pull, oracle manipulation, pump-and-dump); (iii) gian lận NFT (wash trading, NFT đạo nhái). Các nghiên cứu dẫn chiếu bao gồm Liang & cộng sự (2024), Chen & cộng sự (2021), Torres, Steichen & State (2019), Trozze & cộng sự (2023) và Ming-Fang Lee & cộng sự (2025).

Thứ hai — Công nghệ blockchain Ethereum: Đề tài phân tích cơ chế chuyển đổi từ Proof-of-Work (PoW) sang Proof-of-Stake (PoS), cấu trúc giao dịch (nonce, Gas Price, Gas Limit, data payload), hợp đồng thông minh theo định nghĩa của Nick Szabo (1997) và đặc điểm dữ liệu ảnh hưởng đến bài toán phát hiện gian lận.

Thứ ba — Mô hình học máy: Tác giả so sánh năm nhóm mô hình (xem Bảng 2.1 trong văn bản): tuyến tính (Logistic Regression, Naive Bayes), cây quyết định (Decision Tree, Random Forest), Boosting (LightGBM, CatBoost), khoảng cách (SVM, KNN) và mạng nơ-ron (MLP). LightGBM được chọn làm mô hình nền do chiến lược tăng trưởng leaf-wise vượt trội so với level-wise của XGBoost. PSO (Particle Swarm Optimization — Eberhart & Kennedy, 1995) được tích hợp để tối ưu hóa không gian siêu tham số phi tuyến, thay thế Grid Search và Random Search truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm kỹ thuật, triển khai qua ba giai đoạn:

Giai đoạn Nội dung
Tiền xử lý dữ liệu Lọc tương quan Spearman, StandardScaler, manual undersampling cân bằng lớp
Xây dựng & tối ưu mô hình Tích hợp PSO tìm kiếm siêu tham số LightGBM; huấn luyện 10 mô hình song song
Đánh giá hiệu suất Cross-validation k-fold, cross_val_score; trực quan hóa Feature Importance và SHAP

Công cụ triển khai: Jupyter Notebook trên Anaconda 3; các thư viện Python gồm Scikit-learn, LightGBM, CatBoost, imbalanced-learn, PyCM và pyswarms.

Chỉ số đánh giá: Accuracy, Recall, Precision, F1-Score, hệ số Kappa và thời gian huấn luyện.

Nguồn dữ liệu

Tập dữ liệu công khai từ dự án "Ethereum Fraud Detection Models" (Haghighi, 2022) trên GitHub, gồm 9.816 giao dịch Ethereum đã gán nhãn nhị phân (0 = hợp lệ, 1 = gian lận). Tỷ lệ phân phối ban đầu: 77,8% hợp lệ và 22,2% gian lận — thể hiện mức mất cân bằng lớp nghiêm trọng.


Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương đặt nền móng cho toàn bộ nghiên cứu bằng cách xác lập tính cấp thiết của bài toán phát hiện gian lận trong bối cảnh TMĐT phi tập trung. Tác giả trình bày các số liệu thị trường từ Shopify (2024) và Juniper Research (2024), phân tích vai trò của Ethereum trong TMĐT hiện đại, và luận chứng vì sao sự kết hợp LightGBM — PSO là hướng tiếp cận phù hợp. Chương kết thúc bằng việc xác định ba câu hỏi nghiên cứu cốt lõi và kết cấu năm chương của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tổng quan nghiên cứu

Chương tổng hợp bốn khối kiến thức nền tảng:

  • Gian lận TMĐT: Phân loại hành vi gian lận, thách thức nhận diện từ dữ liệu hành vi (tính biến động cao, mất cân bằng dữ liệu, hiện tượng cold start, yêu cầu thời gian thực, thiếu khả năng diễn giải mô hình).
  • Công nghệ blockchain Ethereum: Cơ chế PoS, cấu trúc giao dịch, hợp đồng thông minh và ba nhóm gian lận đặc thù trên hệ sinh thái này.
  • Ứng dụng học máy trong giám sát TMĐT: So sánh năm nhóm mô hình (Bảng 2.1), phân tích ưu/nhược điểm trong bối cảnh dữ liệu blockchain.
  • Tổng quan nghiên cứu trước: Đánh giá các công trình phát hiện gian lận trên TMĐT tập trung và phi tập trung (bao gồm ứng dụng GNN của Wu et al. (2022), LSTM của Chen et al., kỹ thuật khai thác đặc trưng hành vi của Kim & Lee (2024)), từ đó xác định khoảng trống: thiếu tích hợp giữa mô hình boosting mạnh và kỹ thuật tối ưu hóa metaheuristic trên dữ liệu Ethereum gán nhãn.

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu

Chương trình bày chi tiết kỹ thuật của toàn bộ quy trình:

  • Khung quy trình đề xuất: Sơ đồ năm bước từ thu thập dữ liệu đến đánh giá và diễn giải kết quả (Hình 3.1).
  • Mô hình đề xuất PSO–LightGBM: LightGBM thực hiện phân loại với chiến lược leaf-wise; PSO điều hướng tìm kiếm trong không gian siêu tham số (num_leaves, max_depth, learning_rate, min_data_in_leaf) theo cơ chế bầy đàn — không yêu cầu đạo hàm, hội tụ nhanh với không gian phi tuyến.
  • Chín mô hình đối chứng: Logistic Regression, Naive Bayes (với công thức Bayes đầy đủ), KNN (khoảng cách Euclid), Decision Tree (ID3 — Entropy & Information Gain), Random Forest (bỏ phiếu đa số trên ensemble), SVM (siêu phẳng tối ưu), MLP (lan truyền ngược, hàm sigmoid), CatBoost và LightGBM nguyên bản.
  • Công cụ và thư viện: Bảng 3.1 liệt kê các thư viện Python chính được sử dụng.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương trình bày toàn bộ quá trình thực nghiệm và phân tích kết quả:

Mô tả và tiền xử lý dữ liệu: Tập dữ liệu 9.816 giao dịch được khám phá qua EDA (Hình 4.2 — phân phối nhãn FLAG; Hình 4.3 — ma trận tương quan Spearman; Hình 4.4 — histogram phân phối đặc trưng). Sau khi lọc tương quan và chuẩn hóa, tỷ lệ lớp được cân bằng bằng manual undersampling (Hình 4.5). Các bước tiền xử lý được tổng hợp tại Bảng 4.1.

Tối ưu hóa siêu tham số: Bảng 4.2 trình bày các siêu tham số và phạm vi tìm kiếm của PSO cho LightGBM.

Kết quả và đánh giá mô hình:

So sánh Nội dung
Bảng 4.3 Hiệu suất LightGBM trước và sau khi cân bằng dữ liệu
Bảng 4.4 Hiệu suất LightGBM nguyên bản vs. PSO-LightGBM
Bảng 4.5 Hiệu suất trung bình của cả 10 mô hình học máy

Ma trận nhầm lẫn của PSO-LightGBM được phân tích qua 10 lần cross-validation (Hình 4.6 — trường hợp tệ nhất và tốt nhất). Biểu đồ radar (Hình 4.8) trực quan hóa tổng thể hiệu suất các mô hình.

Phân tích đặc trưng: Feature Importance theo chỉ số gain (Hình 4.9) và biểu đồ SHAP (Hình 4.10) làm rõ mức độ đóng góp của từng đặc trưng vào quyết định phân loại, đồng thời phân tích hành vi gian lận qua giá trị SHAP.

Hàm ý quản trị: Thảo luận về tiềm năng tích hợp PSO-LightGBM vào các hệ thống DeFi, sàn DEX và hệ thống thanh toán blockchain trong thực tiễn.

Chương 5: Kết luận và đề xuất

Chương tổng kết mức độ hoàn thành ba câu hỏi nghiên cứu, xác nhận hiệu quả vượt trội của PSO-LightGBM, chỉ ra các hạn chế còn tồn tại và đề xuất bốn hướng phát triển cụ thể.


Thiết kế và triển khai

Kiến trúc mô hình đề xuất

Mô hình PSO-Optimized LightGBM được xây dựng theo kiến trúc hai tầng:

  • Tầng phân loại: LightGBM với chiến lược leaf-wise splitting, mở rộng lá có mức giảm loss lớn nhất tại mỗi bước — tạo cây sâu hơn, chính xác hơn so với level-wise của XGBoost (minh họa tại Hình 3.2).
  • Tầng tối ưu hóa: PSO mô phỏng hành vi bầy đàn — mỗi "hạt" (particle) đại diện cho một bộ siêu tham số, di chuyển trong không gian tham số theo vận tốc cập nhật dựa trên kinh nghiệm cá nhân và tập thể (Hình 3.3 — luồng hoạt động PSO; Hình 3.4 — quy trình tích hợp PSO–LightGBM).

Công nghệ và thư viện

Toàn bộ thực nghiệm được triển khai trên Jupyter Notebook / Anaconda 3 với Python. Các thư viện chính (Bảng 3.1) gồm: Scikit-learn (tiền xử lý, mô hình cơ bản), LightGBM và CatBoost (thuật toán boosting), imbalanced-learn (xử lý mất cân bằng), pyswarms (tối ưu hóa PSO), PyCM (phân tích ma trận nhầm lẫn).

Kiểm thử và đánh giá

Quy trình kiểm thử sử dụng k-fold cross-validation với cross_val_score, thực hiện 10 lần lặp để giảm sai số từ phân chia dữ liệu. Các chỉ số đánh giá đa chiều bao gồm Accuracy, Precision, Recall, F1-Score, hệ số Kappa và thời gian huấn luyện trung bình.


Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu

Mô hình PSO-Optimized LightGBM đạt hiệu suất vượt trội so với chín mô hình đối chứng:

Chỉ số PSO-LightGBM
Accuracy 98,46%
F1-Score 98,46%
Precision 98,52%
Recall 98,40%
Hệ số Kappa 96,92%
Thời gian huấn luyện 1,95 giây

Để so sánh, LightGBM nguyên bản (chưa tối ưu) có thời gian huấn luyện 1,48 giây. Chi phí tăng thêm 0,47 giây từ PSO được bù đắp bởi mức cải thiện hiệu suất đáng kể. Mức cân bằng cao giữa Precision (98,52%) và Recall (98,40%) cho thấy mô hình không chỉ dự đoán chính xác mà còn hạn chế bỏ sót giao dịch gian lận — yếu tố đặc biệt quan trọng trong bảo mật blockchain nơi giao dịch không thể hoàn tác.

Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất

  • Tích hợp mô hình PSO-LightGBM vào các hệ thống giám sát giao dịch thực tế trên nền tảng DeFi, sàn DEX và hệ thống thanh toán blockchain.
  • Áp dụng biểu đồ Feature Importance và giá trị SHAP để hỗ trợ đội ngũ bảo mật phân tích hành vi gian lận theo chiều sâu.
  • Phát triển hệ thống cảnh báo sớm dựa trên xác suất dự đoán của mô hình trước khi giao dịch được xác nhận lên chuỗi.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

Tác giả tự nêu hai đóng góp chính:

  1. Đóng góp về phương pháp: Đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam và trên thế giới đề xuất tích hợp LightGBM với PSO trong bài toán phát hiện gian lận trên Ethereum — lấp đầy khoảng trống mà các nghiên cứu dùng Random Forest, XGBoost hay GNN đơn lẻ chưa giải quyết.
  2. Đóng góp về thực nghiệm: Thực hiện đối sánh toàn diện 10 mô hình học máy trên tập dữ liệu Ethereum gán nhãn — điều hiếm gặp trong tài liệu học thuật hiện có. Đồng thời áp dụng SHAP để cải thiện khả năng diễn giải — yếu tố thường bị bỏ sót trong nghiên cứu học máy ứng dụng TMĐT phi tập trung.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được tác giả nêu

  • Chưa tích hợp học trực tuyến (online learning): Mô hình hiện tại được huấn luyện theo lô (batch), chưa thích ứng liên tục với các hành vi gian lận mới phát sinh theo thời gian thực.
  • Chưa khai thác quan hệ giao dịch dạng đồ thị: Các mối liên kết ngầm giữa các địa chỉ ví — một nguồn tín hiệu phát hiện gian lận quan trọng — chưa được mô hình hóa.
  • Phạm vi đánh giá giới hạn ở Ethereum: Hiệu quả của mô hình trên các blockchain khác chưa được kiểm nghiệm.

Hướng phát triển trong tương lai

Tác giả đề xuất bốn hướng mở rộng cụ thể:

  1. Tích hợp Graph Neural Network (GNN) để khai thác cấu trúc quan hệ giữa các ví và hợp đồng thông minh.
  2. Kiểm nghiệm đa nền tảng trên Binance Smart Chain, Solana và các blockchain khác.
  3. Nâng cao khả năng giải thích mô hình và phát triển cơ chế học liên tục.
  4. Triển khai thực tế trong môi trường TMĐT phi tập trung với dữ liệu giao dịch luồng thực.

Giá trị tham khảo

Đề tài này có giá trị tham khảo với các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Thương mại điện tử, Khoa học dữ liệu, Công nghệ thông tin đang tìm hiểu về ứng dụng học máy trong bảo mật tài chính số. Phần Chương 2 cung cấp tổng quan có hệ thống về các mô hình học máy và đặc điểm blockchain hữu ích để xây dựng nền tảng lý thuyết.
  • Người làm đề tài về phát hiện gian lận, an toàn thông tin blockchain hoặc tối ưu hóa mô hình học máy: Chương 3 và Chương 4 trình bày quy trình thực nghiệm có thể tái hiện, bao gồm chi tiết tiền xử lý, tích hợp PSO, cấu hình thư viện và phân tích SHAP.
  • Nghiên cứu viên muốn mở rộng sang GNN hoặc học trực tuyến: Phần khoảng trống nghiên cứu (Mục 2.5) và Chương 5 xác định rõ các hướng phát triển còn bỏ ngỏ.
  • Người thực hành trong lĩnh vực DeFi, bảo mật Web3: Phần hàm ý quản trị (Chương 4) cung cấp hướng dẫn triển khai và các nguyên tắc tích hợp mô hình vào hệ sinh thái thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mô hình áp dụng manual undersampling thay vì SMOTE để xử lý mất cân bằng dữ liệu?

Văn bản dẫn chiếu nghiên cứu của Blagus & Lusa (2013) chỉ ra rằng trong dữ liệu chiều cao, SMOTE có thể không làm giảm sự thiên vị đối với lớp đa số và kém hiệu quả hơn so với undersampling ngẫu nhiên. SMOTE cũng dễ gặp rủi ro quá khớp hoặc sai lệch phân phối khi dữ liệu có nhiễu và chồng chéo lớp (Azhar et al., 2024). Do đó, tác giả lựa chọn manual undersampling có chủ đích để cân bằng tỷ lệ lớp (ban đầu 77,8% hợp lệ / 22,2% gian lận) trước khi huấn luyện.

2. PSO cải thiện hiệu suất LightGBM như thế nào so với LightGBM nguyên bản?

Bảng 4.4 trong văn bản trình bày so sánh trực tiếp. Mô hình PSO-LightGBM đạt Accuracy 98,46%, F1-Score 98,46%, Precision 98,52%, Recall 98,40% và hệ số Kappa 96,92% — vượt trội so với LightGBM chưa tối ưu. Đổi lại, thời gian huấn luyện tăng từ 1,48 giây lên 1,95 giây, chênh lệch được tác giả đánh giá là chấp nhận được trong bối cảnh ứng dụng thực tế.

3. Đặc trưng nào có tác động lớn nhất đến việc phân loại gian lận theo mô hình PSO-LightGBM?

Kết quả được phân tích qua hai công cụ: Feature Importance theo chỉ số gain (Hình 4.9) cho thấy mức độ đóng góp của từng đặc trưng trong quá trình phân chia cây, và biểu đồ SHAP (Hình 4.10) thể hiện tác động của từng đặc trưng lên xác suất dự đoán cho từng giao dịch cụ thể. Văn bản không liệt kê tên đặc trưng quan trọng nhất bằng số, nhưng phân tích SHAP được dùng để nhận diện hành vi gian lận theo chiều sâu trong Mục 4.3.2.

4. Tại sao GNN không được chọn là mô hình đề xuất dù có khả năng khai thác cấu trúc mạng giao dịch?

Văn bản nêu rõ: GNN đòi hỏi chi phí tính toán lớn, thiếu linh hoạt khi áp dụng trong các hệ thống yêu cầu cập nhật nhanh như blockchain (Hasebe, 2024; Wu et al., 2022). Trong khi đó, PSO-LightGBM duy trì thời gian huấn luyện chỉ 1,95 giây, đáp ứng yêu cầu xử lý nhanh trong môi trường giao dịch phi tập trung. Tích hợp GNN được đề xuất như hướng phát triển tương lai.

5. Hệ số Kappa 96,92% trong kết quả có ý nghĩa gì trong bối cảnh dữ liệu mất cân bằng?

Hệ số Kappa đo lường mức độ đồng thuận giữa dự đoán của mô hình và nhãn thực tế, có tính đến yếu tố ngẫu nhiên — khác với Accuracy thông thường vốn có thể đạt giá trị cao bằng cách chỉ dự đoán lớp đa số (Akosa, 2017). Kappa 96,92% xác nhận rằng hiệu suất của PSO-LightGBM không phải do thiên lệch về lớp chiếm đa số, mà phản ánh khả năng phân loại thực chất trên cả hai lớp gian lận và hợp lệ.


Kết luận

Khóa luận đề xuất và thực nghiệm mô hình PSO-Optimized LightGBM — một hướng tiếp cận kết hợp thuật toán boosting hiệu quả với kỹ thuật tối ưu metaheuristic — cho bài toán phát hiện gian lận trong giao dịch TMĐT trên nền tảng Ethereum. Mô hình đạt Accuracy và F1-Score 98,46%, vượt trội so với chín thuật toán đối chứng bao gồm CatBoost, Random Forest và Neural Network, trong khi duy trì thời gian huấn luyện thực tế ở mức 1,95 giây. Đề tài lấp đầy một khoảng trống nghiên cứu rõ rệt — chưa có công trình nào tích hợp LightGBM và PSO trên dữ liệu Ethereum — và được công nhận qua trình bày tại Hội thảo quốc tế CERPS 2025. Các hướng phát triển tiếp theo tập trung vào tích hợp GNN, học trực tuyến và kiểm nghiệm đa nền tảng blockchain nhằm hướng tới hệ thống giám sát TMĐT phi tập trung hoàn chỉnh.