Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh an ninh mạng hiện nay, sự gia tăng nhanh chóng và mức độ tinh vi hóa không ngừng của các cuộc tấn công mạng đã biến phần mềm độc hại (malware) thành mối đe dọa nghiêm trọng đối với hạ tầng công nghệ thông tin của các tổ chức và doanh nghiệp. Định dạng tập tin thực thi Portable Executable (PE) – định dạng nhị phân chuẩn chạy trên các phiên bản hệ điều hành Windows 32-bit và 64-bit (bao gồm các phần mở rộng như .exe, .dll, .sys) – thường xuyên bị các tác nhân độc hại lợi dụng để phát tán qua email chứa tệp đính kèm, tệp tải về từ Internet hoặc khai thác qua các lỗ hổng bảo mật hệ thống.

Khi xâm nhập thành công, mã độc PE có thể gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng:

  • Mã hóa dữ liệu và đòi tiền chuộc (ransomware), đe dọa hoạt động liên tục của tổ chức;
  • Đánh cắp thông tin cá nhân và tài chính nhạy cảm (tên, địa chỉ, số điện thoại, thẻ tín dụng);
  • Chạy các đoạn mã độc hại thứ cấp, phá hoại dữ liệu và chiếm quyền điều khiển hệ thống;
  • Làm gián đoạn, gây rối loạn hoạt động, làm hệ điều hành bị chậm chạp, treo máy hoặc không thể khởi động.

Theo báo cáo "The State of Ransomware in 2023" của Sophos, các cuộc tấn công ransomware toàn cầu ghi nhận mức tăng trưởng 10% trong năm 2023, với 43% doanh nghiệp vừa và nhỏ trở thành nạn nhân và mức đòi tiền chuộc trung bình lên đến 170. Đồng thời, báo cáo "Global Threat Landscape Report" (tháng 9/2023) của Fortinet chỉ ra rằng số lượng mạng máy tính ma (Botnet) hoạt động đã tăng 27%, chủ yếu do sự phổ biến của các thiết bị Internet of Things (IoT) có mức độ bảo mật kém. Nhằm tránh né các cơ chế phát hiện truyền thống, mã độc PE hiện đại áp dụng các kỹ thuật tinh vi như mã hóa đa tầng, ẩn giấu mã độc bên trong các tập tin hợp pháp và liên tục biến đổi cấu trúc nhị phân.

Các giải pháp truyền thống chủ yếu dựa trên phân tích tĩnh cấu trúc PE header hoặc đối chiếu chữ ký đã bộc lộ nhiều điểm yếu khi đối mặt với mã độc đa hình. Nhằm giải quyết thách thức này, tác giả đề xuất việc kết hợp Pháp chứng bộ nhớ (Memory Forensics) và Mạng thần kinh đồ thị (Graph Neural Network - GNN) để bắt giữ dấu vết động của các tiến trình đang thực thi và mô hình hóa mối quan hệ phụ thuộc phức tạp giữa chúng.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng một hệ thống phát hiện phần mềm độc hại, tìm kiếm các dấu vết độc hại trong hệ thống đang hoạt động bằng Mạng thần kinh đồ thị (GNN) dựa trên dữ liệu từ pháp chứng bộ nhớ thu được từ các cuộc tấn công an ninh mạng. Hệ thống hướng đến việc hỗ trợ quản trị viên phát hiện sớm, xử lý nhanh chóng và loại bỏ mã độc ra khỏi các máy tính bị lây nhiễm, góp phần giảm thiểu tối đa thiệt hại.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Để hoàn thành mục tiêu trên, nghiên cứu triển khai 6 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Thu thập dữ liệu Memory Dump từ hệ thống bị tấn công hoặc tự tạo các kịch bản tấn công để trích xuất dữ liệu;
  2. Sử dụng công cụ pháp chứng bộ nhớ để phân tích Memory Dump và trích xuất thông tin danh sách tiến trình, mã máy cùng mối quan hệ giữa các tiến trình;
  3. Tiền xử lý và chuẩn hóa dữ liệu tiến trình thành cấu trúc đồ thị phù hợp làm đầu vào cho mô hình GNN (đỉnh là tiến trình, cạnh là mối quan hệ tương tác);
  4. Xây dựng và huấn luyện mô hình GNN trên tập dữ liệu đã được gán nhãn gồm các tiến trình độc hại và tiến trình lành tính;
  5. Đánh giá hiệu suất mô hình trên tập dữ liệu kiểm tra thông qua các chỉ số đo lường (độ chính xác, độ nhạy, độ đặc hiệu) và tinh chỉnh tham số;
  6. Triển khai mô hình vào hệ thống thực tế để theo dõi, phát hiện mẫu độc hại mới từ Memory Dump và liên tục cập nhật dữ liệu đào tạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc định dạng tập tin Portable Executable (PE), các kỹ thuật trích xuất tiến trình và tạo tác bộ nhớ trong Memory Forensics, cùng các mô hình Mạng thần kinh đồ thị (GNN) ứng dụng trong phân loại đồ thị tiến trình.
  • Phạm vi không gian và hệ thống: Tập trung vào các tiến trình và tập tin thực thi PE trên hệ điều hành Windows; dữ liệu bộ nhớ thu nhận qua các tệp Memory Dump; môi trường thực nghiệm và tính toán trên nền tảng Google Colab.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chính:

  1. Cấu trúc tệp Portable Executable (PE): Định dạng PE là chuẩn tập tin nhị phân trên Windows 32-bit và 64-bit, kế thừa và mở rộng từ định dạng Common Object File Format (COFF). Cấu trúc một tệp PE bao gồm:

    • DOS MZ Header: Vùng 64 bytes đầu tiên bắt đầu bằng chữ ký e_magic (4Dh 5Ah - tương ứng ký tự "MZ" theo tên lập trình viên Mark Zbikowsky) và kết thúc tại e_lfanew (offset DWORD tại byte thứ 60, trỏ đến điểm bắt đầu của PE Header).
    • DOS Stub: Đoạn mã 128 bytes hiển thị thông báo "This program cannot be run in DOS mode" khi thực thi trong môi trường DOS.
    • PE File Header (IMAGE_NT_HEADERS): Gồm chữ ký Signature (DWORD: 50h 45h 00h 00h hay "PE\0\0"), File Header (20 bytes chứa thông tin Machine, NumberOfSections, TimeDateStamp, Characteristics...) và Optional Header (224 bytes trên 32-bit chứa AddressOfEntryPoint, SectionAlignment, FileAlignment, SizeOfImage cùng 16 cấu trúc DataDirectory).
    • Section Headers và các Section: Bảng quản lý vị trí và thuộc tính của các phân vùng như .text (chứa mã thực thi/CODE), .data (dữ liệu toàn cục), .rsrc (tài nguyên hệ thống như biểu tượng, hình ảnh, menu).
  2. Mạng thần kinh đồ thị (Graph Neural Networks - GNN): Mô hình học sâu trên dữ liệu phi lưới (non-Euclidean), biểu diễn hệ thống dưới dạng đồ thị $G = (V, E)$ gồm tập đỉnh $V$ (đại diện cho các thực thể/tiến trình) và tập cạnh $E$ (mối quan hệ/tương tác).

    • Biểu diễn toán học: Sử dụng Ma trận kề $A$, Ma trận trọng số $W$, Ma trận bậc $D$ và Ma trận Laplacian $L = D - A$. Các giá trị riêng của ma trận Laplacian phản ánh cấu trúc cụm (Cluster Structure) và cấu trúc toàn cục (Global Structure) của đồ thị.
    • Cơ chế lan truyền thông tin (Message Passing): Trạng thái của mỗi đỉnh được cập nhật lặp qua các tầng dựa trên việc tổng hợp thông tin từ các đỉnh láng giềng và áp dụng hàm kích hoạt phi tuyến tính kết hợp quá trình lan truyền ngược (Back-propagation).
    • Kỹ thuật biểu diễn nâng cao: Khai thác Node Embedding (Node2Vec, Word2Vec), biểu diễn đồ thị đa đồ thị (Multigraph) và biểu diễn embedding đỉnh đa tầng (Multilayer Node Embedding) kết hợp các tầng Graph Convolutional và phép gom cụm (Pooling).
  3. Pháp chứng bộ nhớ (Memory Forensics): Kỹ thuật trích xuất và phân tích các tạo tác (artifacts), cấu trúc dữ liệu tiến trình (Process Analysis), mã máy và kết nối mạng từ ảnh bộ nhớ RAM (Memory Dump) tại thời điểm hệ thống đang hoạt động, giúp phát hiện các mã độc cố tình ẩn mình trên đĩa cứng.

Khái niệm / Mô hình Phân loại Vai trò trong nghiên cứu
Portable Executable (PE) Cấu trúc tập tin nhị phân Cung cấp thông tin tĩnh (DOS Header, File Header, Section Header) của mã thực thi
Memory Dump & Forensics Kỹ thuật điều tra số Trích xuất danh sách tiến trình động và trạng thái bộ nhớ thực tế khi bị tấn công
Volatility 2 & Volatility 3 Khung công cụ pháp chứng Đọc cấu trúc bộ nhớ, trích xuất tiến trình thông qua plugin psscan
Graph Neural Network (GNN) Mô hình học sâu Mô hình hóa tương tác giữa các tiến trình thành đồ thị và phân loại tiến trình độc hại
VirusTotal API Dịch vụ phân tích mã độc Đối chiếu, xác thực mức độ độc hại của các tiến trình được kết xuất

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp thiết kế hệ thống với hai hướng tiếp cận bổ trợ:

  • Hướng tiếp cận 1: Xây dựng công cụ tự động trích xuất tiến trình từ Memory Dump dựa trên khung thư viện Volatility 3 (tích hợp khả năng quét tiến trình của psscan từ Volatility 2), sau đó kết nối trực tiếp với VirusTotal API để tra cứu và phát hiện mã độc.
  • Hướng tiếp cận 2: Trích xuất đặc trưng tiến trình và mối quan hệ giữa chúng từ bộ nhớ, chuyển đổi thành dữ liệu biểu diễn đồ thị và đưa vào huấn luyện mô hình mạng thần kinh đồ thị GNN để phân loại nhị phân (tiến trình độc hại / tiến trình lành tính).

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được hình thành từ việc thu thập memory dump trong các tình huống thử nghiệm tấn công (chứa các loại mã độc như Trojan, ransomware, botnet), kết hợp các tập dữ liệu mẫu phần mềm độc hại và tập tin lây nhiễm phục vụ huấn luyện trên hạ tầng Google Colab.


Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc module tích hợp giữa quy trình điều tra số và pipeline học máy đồ thị, bao gồm các thành phần công nghệ cụ thể:

1. Module trích xuất tiến trình từ Memory Dump

  • Sử dụng Volatility 3 dưới dạng thư viện lập trình nhằm khắc phục các hạn chế về hiệu năng và cú pháp dòng lệnh của Volatility 2.
  • Ứng dụng plugin quét bộ nhớ psscan để tìm kiếm các cấu trúc khối tiến trình (EPROCESS) bị hủy liên kết hoặc ẩn giấu trong bộ nhớ.
  • Tự động hóa quá trình kết xuất danh sách tiến trình, thông tin định danh (PID, PPID), chuỗi nhị phân và mã máy thực thi liên quan.

2. Module đối chiếu và xác thực mã độc (Hướng tiếp cận 1)

  • Trích xuất hàm băm nhị phân và chữ ký của từng tiến trình được lưu trữ từ Memory Dump.
  • Gửi truy vấn tự động qua VirusTotal API để kiểm tra danh sách động các tiến trình, đưa ra cảnh báo tức thì khi phát hiện tiến trình chứa mã độc đã biết (ví dụ: các mẫu Trojan).

3. Module mô hình hóa đồ thị và xử lý dữ liệu cho GNN (Hướng tiếp cận 2)

  • Tạo lập đồ thị: Mỗi tiến trình được biểu diễn thành một đỉnh (Node) trong đồ thị. Mối liên kết giữa tiến trình cha - tiến trình con, lời gọi hàm hệ thống và giao tiếp liên tiến trình được mô hình hóa thành các cạnh (Edges).
  • Trích xuất thuộc tính đỉnh (Node Features): Vector đặc trưng của mỗi đỉnh tích hợp các trường thông tin trong PE Header (các trường có mức độ ảnh hưởng cao theo thống kê như ImageBase, đặc tính kích thước section) và hành vi bộ nhớ.
  • Kiến trúc mô hình GNN: Thiết lập mạng nơ-ron đồ thị đa tầng gồm các tầng tích chập đồ thị (Graph Convolutional Layers), hàm phi tuyến ReLU, tầng gộp đặc trưng (Pooling/Aggregation Layer) và tầng phân loại đầu ra (Output Layer) với hàm tối ưu hóa Gradient Descent (Adam/SGD) nhằm giảm thiểu hàm mất mát (Loss Function).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu đề tài

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng mất an toàn thông tin do sự bùng nổ của phần mềm độc hại định dạng PE trên hệ điều hành Windows. Tác giả dẫn chứng các số liệu thống kê quốc tế từ Sophos (2023) về sự gia tăng 10% của ransomware và Fortinet (2023) về mức tăng 27% của các mạng botnet IoT.

Chương này cũng tổng thuật các nghiên cứu liên quan, tiêu biểu như:

  • Nghiên cứu của Nguyễn Kim Tuấn và Nguyễn Hoàng Hà sử dụng học máy (Random Forest, AdaBoost, Decision Tree...) trên 140.297 mẫu PE header, đạt độ chính xác phân loại 99.71%.
  • Các nghiên cứu ứng dụng Graph Representation Learning trên đồ thị dòng điều khiển (CFG), đồ thị gọi hàm (FCG) và đồ thị phụ thuộc chương trình (PDG) như mô hình MAGIC (dùng DGCNN), HawkEye (dùng GNN và word2vec), MalGraph (dùng GraphSAGE), MatchGNet và Network Flow GNNs.

Từ phân tích khoảng trống học thuật, tác giả nêu rõ tính mới (kết hợp dữ liệu động từ Memory Forensics với GNN) và tính khoa học của khóa luận, đồng thời xác lập mục tiêu, phạm vi và quy trình 6 bước triển khai đề tài.

Chương 2. PE file, Graph Neural Networks và Memory Forensics

Chương 2 thiết lập nền tảng lý thuyết chuyên sâu cho toàn bộ khóa luận, chia thành ba phần chính:

  • Cấu trúc tệp PE: Phân rã chi tiết 19 trường dữ liệu trong DOS MZ Header (nhấn mạnh e_magic = 0x5A4D và e_lfanew), cấu trúc DOS Stub (128 bytes), các thành phần của PE File Header (Machine, NumberOfSections, TimeDateStamp, Characteristics), Optional Header (Magic 0x10b cho 32-bit, AddressOfEntryPoint, DataDirectories 16 mảng) và Section Headers (.text, .data, .rsrc).
  • Mạng thần kinh đồ thị (GNN): Trình bày chi tiết toán học về đồ thị (đỉnh, cạnh, bậc vào/ra, chu trình, đồ thị liên thông, đồ thị hai phía), ma trận kề, ma trận trọng số, ma trận Laplacian ($L = D - A$), danh sách kề, node features, graph pooling, multilayer node embedding và cơ chế truyền tin (Message Passing) kết hợp lan truyền ngược (Back-propagation). Đồng thời tổng hợp các ứng dụng của mạng nơ-ron trong an toàn thông tin (phát hiện lỗ hổng, phát hiện xâm nhập, phân loại thư rác, phát hiện bất thường).
  • Pháp chứng bộ nhớ (Memory Forensics): Định nghĩa cấu trúc Memory Dump, các cấu trúc dữ liệu lưu vết (Data structures & Artifacts) và phương pháp phân tích tiến trình (Process Analysis) trong RAM.

Chương 3. Phương pháp thực hiện

Chương 3 chi tiết hóa phương pháp luận và quy trình kỹ thuật cho hai hướng tiếp cận:

  • Hướng tiếp cận 1: Phân tích so sánh giữa Volatility 2 và Volatility 3. Xây dựng công cụ đọc Memory Dump bằng cách gọi thư viện Volatility 3, ứng dụng thuật toán quét psscan để bóc tách cây tiến trình, trích xuất dữ liệu nhị phân và gửi truy vấn phân tích tới VirusTotal API.
  • Hướng tiếp cận 2: Thiết kế mô hình GNN xử lý dữ liệu đồ thị tiến trình trích xuất từ bộ nhớ. Xác định cấu trúc vector đặc trưng của đỉnh và phương thức liên kết cạnh để phản ánh chính xác hành vi tương tác độc hại.

Chương 4. Hiện thực và thực nghiệm

Chương 4 mô tả quá trình cài đặt thực tế và kết quả đo lường thử nghiệm:

  • Hiện thực Hướng tiếp cận 1: Triển khai thành công công cụ trích xuất tiến trình trên các mẫu memory dump thực nghiệm; hiển thị kết quả quét plugin Windows và định danh thành công các tiến trình mang mã độc thực tế (mẫu Trojan).
  • Hiện thực Hướng tiếp cận 2: Thiết lập môi trường Google Colab với cấu hình phần cứng tiêu chuẩn; thực hiện pipeline xử lý dữ liệu thô từ bộ nhớ thành tập đồ thị chuẩn; xây dựng, huấn luyện và đánh giá mô hình GNN qua các epoch; ghi nhận các thông số đánh giá và kết quả huấn luyện mô hình.

Chương 5. Hướng phát triển

Chương 5 đúc kết các nội dung đã hoàn thành và đề xuất các định hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai nhằm nâng cao khả năng ứng dụng thực tế.


Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  1. Xây dựng công cụ pháp chứng tự động: Triển khai thành công công cụ trích xuất tiến trình tự động từ tập tin Memory Dump dựa trên thư viện Volatility 3, tích hợp kỹ thuật psscan và cơ chế kiểm tra mã độc qua VirusTotal API, phát hiện chính xác các tiến trình độc hại (mẫu Trojan).
  2. Hiện thực hóa pipeline GNN trên dữ liệu bộ nhớ: Chuyển đổi thành công thông tin tiến trình và mối quan hệ tương tác trong bộ nhớ thành cấu trúc đồ thị; thiết kế và huấn luyện hoàn chỉnh mô hình GNN trên nền tảng Google Colab phục vụ bài toán phân loại phần mềm độc hại PE.
  3. Tổng hợp cơ sở dữ liệu đặc trưng: Hệ thống hóa các trường dữ liệu quan trọng trong PE Header và các đặc trưng động trích xuất từ RAM phục vụ cho việc học biểu diễn đồ thị.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Chuyển dịch từ phân tích tĩnh sang phân tích bộ nhớ động kết hợp học sâu: Đề xuất các hệ thống phòng thủ mạng không nên chỉ phụ thuộc vào phân tích tĩnh PE header (dễ bị vượt qua bởi kỹ thuật đóng gói, mã hóa đa tầng), mà cần tích hợp điều tra bộ nhớ động để bắt giữ hành vi thực thi.
  • Tự động hóa quy trình phân tích: Khuyến nghị sử dụng Volatility 3 dưới dạng thư viện để nhúng trực tiếp vào các hệ thống giám sát an toàn thông tin tự động thay vì vận hành dòng lệnh thủ công.

Đóng góp mới so với các nghiên cứu trước

  • Khắc phục hạn chế của các phương pháp phân loại PE tĩnh truyền thống (như nghiên cứu của Nguyễn Kim Tuấn và Nguyễn Hoàng Hà chỉ dựa vào PE Header) vốn bất lực trước mã độc ẩn giấu trong bộ nhớ.
  • Mở rộng phạm vi biểu diễn đồ thị: Thay vì chỉ xây dựng đồ thị tĩnh từ mã nguồn hoặc file nhị phân (CFG, FCG, PDG) như các mô hình MAGIC, HawkEye hay MalGraph, đề tài trích xuất đồ thị quan hệ tiến trình trực tiếp từ dữ liệu pháp chứng bộ nhớ (Memory Forensics), mang lại góc nhìn động và phản ánh chính xác trạng thái thực thi của hệ thống trong quá trình bị tấn công.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào định dạng tệp Portable Executable (PE) trên hệ điều hành Windows, chưa mở rộng sang các định dạng thực thi trên hệ điều hành khác (như ELF trên Linux hay Mach-O trên macOS).
  • Quá trình xử lý và trích xuất tiến trình từ các tệp Memory Dump có dung lượng lớn đòi hỏi thời gian tính toán và tài nguyên bộ nhớ đáng kể trước khi có thể đưa vào mô hình GNN.
  • Tập dữ liệu thực nghiệm trên Google Colab phụ thuộc vào các kịch bản tấn công mẫu được tạo lập trong môi trường thử nghiệm.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm mô hình GNN với nhiều họ mã độc mới, bao gồm các biến thể ransomware và mã độc không dùng tệp (fileless malware) phức tạp hơn.
  • Thử nghiệm các kiến trúc đồ thị nâng cao như Graph Attention Networks (GAT), GraphSAGE hoặc Heterogeneous GNN để tối ưu hóa khả năng học mối quan hệ không đồng nhất giữa các đối tượng trong bộ nhớ.
  • Tối ưu hóa tốc độ trích xuất tạo tác bộ nhớ nhằm hướng tới khả năng phát hiện mã độc theo thời gian thực (real-time detection) trên các hệ thống giám sát an ninh doanh nghiệp.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:

    • Sinh viên và học viên chuyên ngành An toàn Thông tin, Mạng máy tính và Kỹ thuật Phần mềm: Là tài liệu tham khảo có cấu trúc rõ ràng về phương pháp kết hợp giữa kỹ thuật điều tra số (Digital Forensics) và Trí tuệ nhân tạo (AI/Deep Learning).
    • Kỹ sư phân tích mã độc (Malware Analyst) và chuyên gia ứng cứu sự cố (Incident Responder - DFIR): Cung cấp quy trình thực hành chi tiết về phân tích tệp PE, kỹ thuật sử dụng Volatility 3 và trích xuất tiến trình từ Memory Dump.
    • Nhà nghiên cứu về Mạng thần kinh đồ thị: Cung cấp khung lý thuyết toán học hoàn chỉnh về GNN (ma trận Laplacian, Message Passing, Node Embedding) áp dụng trong bài toán an ninh mạng.
  • Các phần nội dung nổi bật:

    • Chương 2: Bản mô tả chuẩn xác, chi tiết về cấu trúc tệp nhị phân PE (từng trường dữ liệu trong DOS Header, File Header, Optional Header, Section Header) và cơ sở toán học của GNN.
    • Chương 3 & Chương 4: Hướng dẫn thực hành xây dựng công cụ với Volatility 3 và pipeline tiền xử lý dữ liệu đồ thị trên Google Colab.

Câu hỏi thường gặp

1. Hai trường dữ liệu quan trọng nhất trong DOS MZ Header của tệp PE là gì và chúng có vai trò như thế nào?

Trong cấu trúc DOS MZ Header (chiếm 64 bytes đầu tiên của tệp PE), hai thành phần đáng chú ý nhất là e_magic và e_lfanew:

  • e_magic: Nằm ở vị trí đầu tiên (offset +00), chứa hai giá trị byte 4Dh và 5Ah (tương ứng hai ký tự "MZ", tên của lập trình viên Mark Zbikowsky). Đây là chữ ký ma thuật bắt buộc để hệ điều hành nhận diện tệp thực thi.
  • e_lfanew: Nằm ở vị trí cuối cùng của DOS Header (offset +3Ch / byte thứ 60), có kích thước DWORD (4 bytes), lưu trữ giá trị địa chỉ lệch (offset) trỏ trực tiếp đến vị trí bắt đầu của PE Header (IMAGE_NT_HEADERS).

2. Sự khác biệt giữa hai hướng tiếp cận được tác giả triển khai trong khóa luận là gì?

  • Hướng tiếp cận thứ nhất: Tập trung vào kỹ thuật pháp chứng truyền thống kết hợp API bên ngoài. Tác giả xây dựng công cụ đọc Memory Dump dựa trên thư viện Volatility 3 (sử dụng cơ chế quét của psscan), trích xuất các tiến trình và mã máy đang chạy, sau đó gửi yêu cầu truy vấn đến VirusTotal API để xác định tiến trình có chứa mã độc hay không.
  • Hướng tiếp cận thứ hai: Tập trung vào ứng dụng học sâu đồ thị. Tác giả mô hình hóa toàn bộ danh sách tiến trình và mối quan hệ phụ thuộc trong bộ nhớ thành một biểu đồ đồ thị (đỉnh là tiến trình mang vector đặc trưng PE/bộ nhớ, cạnh là mối liên kết), sau đó xây dựng và huấn luyện mô hình GNN để tự động phân loại tiến trình độc hại mà không cần phụ thuộc vào dịch vụ tra cứu ngoài.

3. Ma trận Laplacian của đồ thị được tính toán như thế nào và có ý nghĩa gì trong mô hình GNN?

Ma trận Laplacian $L$ của đồ thị $G$ được xây dựng từ Ma trận kề $A$ và Ma trận độ bậc $D$ theo công thức: $$L = D - A$$ Trong đó, $A_{ij} = 1$ nếu tồn tại cạnh nối giữa đỉnh $i$ và $j$ (ngược lại bằng 0); $D_{ii}$ bằng bậc của đỉnh $i$ và $D_{ij} = 0$ khi $i \neq j$.

Về mặt ý nghĩa phân tích:

  • Các giá trị riêng (eigenvalues) của ma trận Laplacian phản ánh cấu trúc liên kết và độ phân tán của đồ thị.
  • Giá trị riêng nhỏ liên quan đến các cấu trúc cụm nhỏ (Cluster Structure), hỗ trợ các thuật toán như phân vùng phổ (Spectral Partitioning).
  • Giá trị riêng lớn phản ánh cấu trúc toàn cục (Global Structure) và mức độ liên kết tổng thể của toàn bộ đồ thị.

4. Nghiên cứu tham chiếu nào về phân loại PE Header bằng học máy được tác giả so sánh và kết quả ra sao?

Tác giả dẫn chứng nghiên cứu của Nguyễn Kim Tuấn và Nguyễn Hoàng Hà. Nghiên cứu này phân tích cấu trúc PE header và áp dụng các thuật toán học máy truyền thống (Random Forest, AdaBoost, Gradient Boosting, Decision Tree, Extra Tree) trên tập dữ liệu gồm 140.297 mẫu PE header, đạt độ chính xác phân loại là 99.71%. Nghiên cứu của khóa luận kế thừa hiểu biết về các trường đặc trưng quan trọng trong PE header từ nghiên cứu này để làm thuộc tính đỉnh cho mô hình GNN.

5. Quy trình 6 bước thực hiện phương pháp của khóa luận bao gồm những giai đoạn nào?

Quy trình thực hiện gồm 6 bước tuần tự:

  1. Bước 1: Thu thập Memory Dump từ hệ thống bị tấn công hoặc các kịch bản tấn công giả lập;
  2. Bước 2: Trích xuất tiến trình từ Memory Dump bằng công cụ pháp chứng bộ nhớ để lấy danh sách tiến trình, mã máy và liên kết;
  3. Bước 3: Chuẩn bị dữ liệu cho GNN bằng cách chuyển đổi thông tin thành đồ thị (đỉnh đại diện cho tiến trình, cạnh đại diện cho quan hệ);
  4. Bước 4: Xây dựng và huấn luyện mô hình GNN trên tập dữ liệu đã gán nhãn;
  5. Bước 5: Đánh giá và tinh chỉnh mô hình dựa trên các độ đo (độ chính xác, độ nhạy, độ đặc hiệu);
  6. Bước 6: Triển khai và theo dõi mô hình trên các tập dữ liệu memory dump mới trong thực tế.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Thanh Duẫn đã giải quyết bài toán phát hiện phần mềm độc hại PE trên hệ điều hành Windows bằng cách kết hợp kỹ thuật Pháp chứng bộ nhớ (Memory Forensics) và Mạng thần kinh đồ thị (GNN). Nghiên cứu đã xây dựng thành công công cụ trích xuất tiến trình tự động từ Memory Dump qua thư viện Volatility 3 và thiết lập pipeline mô hình hóa tương tác tiến trình thành cấu trúc đồ thị phục vụ huấn luyện GNN trên Google Colab. Giải pháp đề xuất mang lại hướng tiếp cận toàn diện, khắc phục hạn chế của các phương pháp phân tích tĩnh truyền thống trước mã độc đa hình và tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng AI vào công tác giám sát an toàn thông tin.