Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của Internet cùng các nền tảng mạng xã hội và thiết bị kết nối Internet vạn vật (IoT) đã làm thay đổi sâu sắc đời sống xã hội nhưng đồng thời cũng làm gia tăng các nguy cơ an ninh mạng. Theo số liệu từ Internet World Stats (IWS) được tác giả trích dẫn, số lượng người dùng Internet từ tháng 6 năm 2017 đến tháng 3 năm 2022 đã tăng từ 3.885 triệu lên 5.382 triệu người, chiếm hơn 67,8% dân số toàn cầu. Đi kèm với sự bùng nổ dữ liệu lưu thông là sự gia tăng của tội phạm mạng. Thống kê từ McAfee cho thấy thiệt hại kinh tế toàn cầu do tội phạm số gây ra vào năm 2018 là khoảng 500 tỷ USD, đến năm 2020 đã tăng gần gấp đôi lên mức 945 tỷ USD. Trong bối cảnh đại dịch Covid-19, việc chuyển dịch phương thức làm việc, học tập và khám chữa bệnh sang môi trường trực tuyến càng khiến các mục tiêu bị tấn công mạng gia tăng mạnh mẽ.

Hệ thống phát hiện xâm nhập mạng (IDS) được đề xuất lần đầu bởi Denning vào năm 1986 nhằm giám sát lưu lượng và phát hiện hành vi bất thường, bảo vệ ba thuộc tính an toàn thông tin cốt lõi: tính bảo mật, tính toàn vẹn và tính sẵn sàng. Tuy nhiên, các hệ thống IDS truyền thống dựa trên dấu hiệu (Signature-based) hoặc tường lửa và cơ chế kiểm soát truy cập thông thường bộc lộ nhiều hạn chế trước các cuộc tấn công phức tạp, biến đổi liên tục như tấn công từ chối dịch vụ phân tán (DDoS), đồng thời có tỷ lệ cảnh báo sai cao và không phát hiện được mối đe dọa mới. Việc tích hợp học máy (Machine Learning - ML) vào IDS cho phép hệ thống tự học và nâng cao khả năng phân loại lưu lượng bất thường. Dẫu vậy, các mô hình học máy IDS lại đối mặt với thách thức lớn từ dữ liệu mạng: số lượng thuộc tính quá lớn, chứa nhiều thông tin dư thừa và gây nhiễu. Điều này dẫn đến tình trạng suy giảm độ chính xác và kéo dài đáng kể thời gian huấn luyện.

Để giải quyết vấn đề trên, khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống phát hiện xâm nhập mạng và các kỹ thuật lựa chọn thuộc tính (Feature Selection) phục vụ tối ưu hóa mô hình học máy.
  2. Đề xuất phương pháp lựa chọn thuộc tính mới kết hợp các thuật toán học tổng hợp (Ensemble Learning: Random Forest, AdaBoost) và các thuật toán phân cụm (Clustering: K-means, Gaussian Mixture) nhằm khắc phục nhược điểm phụ thuộc ngưỡng của phương pháp lọc (Filter).
  3. Đánh giá tính hiệu quả của phương pháp đề xuất trên các bộ dữ liệu an ninh mạng chuẩn về độ chính xác và thời gian huấn luyện, đồng thời so sánh đối sánh với thuật toán tối ưu hóa bầy chim bồ câu (Pigeon Inspired Optimizer - PIO).
  4. Kiểm thử và đánh giá độ bền vững của mô hình trước các dạng tấn công tạo mẫu đối kháng (Adversarial Examples).

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm các thuật toán học máy phân cụm và học tổng hợp, các thư viện hỗ trợ học máy (TensorFlow, Keras, Scikit-learn), cùng quy trình xây dựng phương pháp chọn lọc thuộc tính cho hệ thống phát hiện xâm nhập mạng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giai đoạn tiền xử lý dữ liệu trong quy trình học máy; dữ liệu thực nghiệm được giới hạn trên các bộ dữ liệu lưu lượng mạng chuẩn gồm KDD Cup 99, NSL-KDD, UNSW-NB15 và CIC-IDS2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận phân loại hệ thống phát hiện xâm nhập theo hai tiêu chí chính: môi trường triển khai (gồm IDS dựa trên mạng - NIDS và IDS dựa trên máy chủ - HIDS) và kỹ thuật phát hiện (gồm phát hiện dựa trên dấu hiệu - Signature-based và phát hiện dựa trên hành vi bất thường - Anomaly-based). Cơ sở lý thuyết về lựa chọn thuộc tính được tác giả hệ thống hóa qua ba cách tiếp cận chính: phương pháp Filter, phương pháp Wrapper và phương pháp Embedded.

Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm
Filter Độc lập với thuật toán học; tốc độ tính toán nhanh; phù hợp với dữ liệu có số chiều thấp. Không xem xét mối tương quan giữa các bộ phân loại và giữa các đặc trưng; dễ bỏ sót mẫu phù hợp.
Wrapper Xem xét tương quan giữa đặc tính và nhãn lớp; độ chính xác cao hơn phương pháp Filter. Chi phí tính toán phức tạp; lặp lại nhiều lần; dễ gây hiện tượng quá khớp (overfitting).
Embedded Tính toán hiệu quả hơn Wrapper; độ chính xác cao hơn cả Filter và Wrapper. Không thích hợp cho dữ liệu có số chiều cao; tính tổng quát thấp.

Bên cạnh các mô hình học máy cơ bản như Hồi quy tuyến tính (Linear Regression), K láng giềng gần nhất (KNN), Cây quyết định (Decision Tree) và Máy vector hỗ trợ (SVM), khóa luận tập trung sâu vào lý thuyết học tổng hợp (Ensemble Learning). Các kỹ thuật tổng hợp được phân chia thành nhóm đơn giản (Max Voting, Averaging, Weighted Averaging) và nhóm nâng cao (Stacking, Blending, Bagging, Boosting). Hai thuật toán nòng cốt được chọn lựa gồm:

  • Random Forest: Hoạt động dựa trên nguyên lý Bagging và lấy mẫu Bootstrap kết hợp nhiều cây quyết định độc lập, đưa ra kết quả phân loại dựa trên biểu quyết đa số nhằm giảm phương sai và hạn chế quá khớp.
  • AdaBoost: Hoạt động theo cơ chế Boosting tuần tự, liên tục cập nhật và tăng trọng số cho các mẫu bị phân loại sai ở các bộ phân loại yếu (weak learners) nhằm tập trung tối ưu hóa các mẫu khó nhận dạng, xây dựng nên bộ phân loại mạnh.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm của đề tài áp dụng mô hình luồng dữ liệu hai giai đoạn:

  1. Giai đoạn tạo tập thuộc tính tối ưu: Lấy mẫu ngẫu nhiên các tập con thuộc tính từ dữ liệu gốc; huấn luyện và đánh giá trên các mô hình Ensemble; thu thập kết quả đánh giá thành một tập dữ liệu trung gian; sử dụng thuật toán phân cụm (K-means đối với cụm phân bố hình cầu hoặc Gaussian Mixture đối với phân bố phức tạp) để định vị nhóm thuộc tính cho hiệu năng cao và thời gian huấn luyện thấp; xác định tập thuộc tính cuối cùng dựa trên tần suất xuất hiện cao nhất trong cụm tối ưu.
  2. Giai đoạn phân loại và kiểm chứng: Đưa tập thuộc tính tối ưu vào mô hình học sâu tích chập (Convolutional Neural Network - CNN) cùng các bộ phân loại học máy để đánh giá hiệu năng phát hiện xâm nhập.
  3. Giai đoạn kiểm thử tấn công đối kháng: Giả lập các cuộc tấn công sinh mẫu đối nghịch bằng Fast Gradient Sign Method (FGSM), Basic Iterative Method (BIM), Jacobian-based Saliency Map Attack (JSMA) và DeepFool để kiểm nghiệm tính bền vững của mô hình.

Các chỉ số thống kê toán học được sử dụng để định lượng kết quả gồm: Độ chính xác (Accuracy), Độ chuẩn xác (Precision), Độ thu hồi (Recall), Điểm F1 (F1-score) và Thời gian huấn luyện (Training time). Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu là 4 bộ dữ liệu chuẩn quốc tế: KDD Cup 99, NSL-KDD, UNSW-NB15 và CIC-IDS2017.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày bối cảnh phát triển của mạng máy tính toàn cầu, sự phổ biến của các cuộc tấn công mạng quy mô lớn và sự cần thiết của hệ thống phát hiện xâm nhập ứng dụng học máy. Tác giả chỉ ra vấn đề nghẽn cổ chai trong việc xử lý tập dữ liệu nhiều chiều, nhiều nhiễu, từ đó xác định mục tiêu nghiên cứu là xây dựng thuật toán chọn lọc thuộc tính hiệu quả kết hợp Random Forest, AdaBoost và phân cụm. Chương này cũng phân định cụ thể đối tượng nghiên cứu (thuật toán phân cụm, học tổng hợp, NIDS) và phạm vi nghiên cứu (tiền xử lý dữ liệu và thực nghiệm trên các bộ dữ liệu lưu lượng mạng chuẩn).

Chương 2. Tổng quan về hệ thống phát hiện xâm nhập

Chương 2 cung cấp cơ sở lý luận chi tiết về kiến trúc IDS, phân biệt giữa NIDS và HIDS, giữa hệ thống phát hiện theo dấu hiệu và phát hiện bất thường. Tiếp đó, chương phân tích nguyên lý ứng dụng học máy trong IDS và các hướng tối ưu mô hình, tập trung vào kỹ thuật lựa chọn thuộc tính (Filter, Wrapper, Embedded). Tác giả phân tích chi tiết cơ chế hoạt động, ưu điểm và nhược điểm của các thuật toán cơ sở (Linear Regression, KNN, Decision Tree, SVM) và các thuật toán học tổng hợp (Bagging, Boosting, Stacking, Blending, Random Forest, AdaBoost). Cuối chương là phần khảo cứu các công trình liên quan: phương pháp GA-SVM của Paulo M. Mafra (độ chính xác 80%); mô hình CFSBA trên CIC-IDS2017 của L. Zhuo (độ chính xác 96,76%, phát hiện 94,04%, báo động giả 2,38%); mô hình kết hợp SVM, K-Medoids và Naive Bayes của Rikhtegar (độ chính xác 91,5%); mô hình lai kết hợp Vote Algorithm và Information Gain của Shadi Aljawarneha trên NSL-KDD (đạt 99,81% cho phân loại nhị phân); và mô hình kết hợp FGLCC, CFA với Decision Tree của Ghazizadeh-Ahsaee và H. Karimipour trên KDD Cup 99 (độ chính xác 95,03%).

Chương 3. Nội dung và phương pháp

Chương 3 mô tả chi tiết đề xuất giải pháp của nhóm tác giả. Quy trình bắt đầu bằng việc trích chọn các tập con thuộc tính ngẫu nhiên, đưa vào huấn luyện thử nghiệm với AdaBoost và Random Forest. Dữ liệu thực nghiệm trên tập KDD cho thấy Random Forest đạt độ chính xác cao hơn AdaBoost nhưng thời gian huấn luyện dài hơn. Tác giả thực hiện phân tích đối sánh giữa việc chọn tập con 9 thuộc tính (độ chính xác ổn định 75% - 80%) và 11 thuộc tính, từ đó nhận thấy 11 thuộc tính mang lại sự ổn định hơn về mặt thời gian thực thi. Tiếp theo, các kết quả đánh giá (độ chính xác và thời gian) được tập hợp thành một không gian dữ liệu mới để phân cụm bằng K-means hoặc Gaussian Mixture. Trên tập CIC-IDS2017, thuật toán Gaussian Mixture cho kết quả phân tách rõ ràng hơn K-means. Thuộc tính có tần suất xuất hiện vượt trội trong cụm tối ưu sẽ được giữ lại làm tập thuộc tính sau cùng. Bên cạnh đó, chương 3 thiết kế khung đánh giá mô hình trước các dạng tấn công mẫu đối kháng (White-box, Grey-box, Black-box), trình bày các kỹ thuật tấn công như FGSM, BIM, JSMA, DeepFool, Carlini & Wagner, và ứng dụng phương pháp hồi quy quá trình Gaussian (Gaussian Process Regression) để nhận diện mẫu độc hại.

Chương 4. Thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 thiết lập môi trường thực nghiệm và kiểm thử phương pháp đề xuất trên 4 bộ dữ liệu: KDD Cup 99, NSL-KDD, UNSW-NB15 và CIC-IDS2017. Kết quả huấn luyện mô hình học sâu CNN trên tập thuộc tính tối ưu được đánh giá qua ma trận nhầm lẫn (Confusion Matrix), điểm Precision, Recall và F1-score trên từng lớp tấn công của từng bộ dữ liệu. Tác giả thực hiện so sánh hiệu năng giữa thuật toán đề xuất với phương pháp tối ưu hóa bầy chim bồ câu (PIO) trên hai tập dữ liệu KDD Cup 99 và NSL-KDD, chứng minh giải pháp đề xuất đạt độ chính xác vượt trội. Cuối cùng, chương 4 trình bày kết quả thử nghiệm mô hình phát hiện mẫu đối kháng dựa trên Gaussian Process kết hợp Decision Tree, SVM và các kỹ thuật học tổng hợp Max Voting, Blending, ghi nhận khả năng thích ứng và phát hiện tốt trước các mẫu bị can nhiễu bởi FGSM, BIM và JSMA.

Chương 5. Tổng kết và hướng phát triển

Chương 5 tóm lược các đóng góp khoa học của đề tài trong việc cải thiện tốc độ và độ chính xác của các mô hình phát hiện xâm nhập mạng. Tác giả chỉ ra các hạn chế thực tế trong việc chưa tự động hóa hoàn toàn khâu lựa chọn thuật toán phân cụm, đồng thời đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai nhằm nâng cao tính ứng dụng thực tiễn của giải pháp.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả thực nghiệm cụ thể được ghi nhận qua các bảng số liệu trong văn bản:

Hạng mục kiểm chứng Phương pháp / Mô hình so sánh Bộ dữ liệu thực nghiệm Kết quả ghi nhận từ văn bản
Lựa chọn thuộc tính cơ sở Thử nghiệm tập con 9 thuộc tính vs. 11 thuộc tính (AdaBoost) KDD Tập con 9 thuộc tính đạt độ chính xác ổn định 75% - 80%; tập con 11 thuộc tính giữ vững độ chính xác và ổn định thời gian huấn luyện tốt hơn.
Phân cụm không gian tham số K-means vs. Gaussian Mixture CIC-IDS2017 Gaussian Mixture phân cụm rõ nét hơn K-means đối với phân phối dữ liệu phi tuyến tính phức tạp.
Độ chính xác phân loại Thuật toán đề xuất vs. Pigeon Inspired Optimizer (PIO) KDD Cup 99 & NSL-KDD Phương pháp đề xuất đạt độ chính xác cao hơn phương pháp PIO trên cả hai tập dữ liệu.
Phát hiện mẫu đối kháng Gaussian-based kết hợp DT và SVM; mô hình tổng hợp Max Voting và Blending Mẫu đối kháng sinh bởi FGSM, BIM, JSMA Nhận diện thành công các mẫu bị can nhiễu, khắc phục hiện tượng đánh lừa mô hình phân loại học sâu.

Các đóng góp chính của đề tài được tác giả xác định bao gồm:

  1. Xây dựng thành công quy trình chọn lọc thuộc tính lai (Hybrid Feature Selection) kết hợp linh hoạt giữa kỹ thuật học tổng hợp (Random Forest, AdaBoost) và kỹ thuật phân cụm dữ liệu (K-means, Gaussian Mixture), giải quyết được bài toán khó khăn trong việc chọn ngưỡng cắt cố định của các phương pháp Filter truyền thống.
  2. Giảm thiểu tài nguyên tính toán và rút ngắn thời gian huấn luyện mô hình học máy bằng cách loại bỏ triệt để các thuộc tính dư thừa, không liên quan và thuộc tính gây nhiễu trong lưu lượng mạng.
  3. Chứng minh tính hiệu quả vượt trội về độ chính xác khi đối sánh trực tiếp với phương pháp tối ưu hóa bầy đàn PIO trên các bộ dữ liệu an ninh mạng chuẩn KDD Cup 99 và NSL-KDD.
  4. Đánh giá toàn diện độ bền vững của mô hình phát hiện xâm nhập trước các cuộc tấn công tạo mẫu đối kháng (Adversarial Attacks), mở rộng khả năng phòng thủ của hệ thống bằng phương pháp hồi quy quá trình Gaussian kết hợp cơ chế biểu quyết tổng hợp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã thẳng thắn chỉ ra các hạn chế trong quá trình thực nghiệm:

  • Thuật toán chưa thiết lập được một tiêu chuẩn chung có tính tổng quát hóa tuyệt đối để tự động áp dụng cho mọi bộ dữ liệu mạng khác nhau. Mỗi tập dữ liệu có phân phối và số chiều khác nhau dẫn đến hình thái phân cụm khác nhau.
  • Quá trình lựa chọn thuật toán phân cụm (giữa K-means và Gaussian Mixture) cũng như việc xác định các tham số đầu vào (số lượng tập dữ liệu con, số lượng thuộc tính tối thiểu/tối đa, ngưỡng giới hạn thời gian huấn luyện) vẫn phụ thuộc vào sự quan sát, đánh giá thủ công của người làm thực nghiệm.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả vạch ra trong tương lai:

  • Xây dựng cơ chế tự động hóa hoàn toàn khâu phân tích hình thái dữ liệu để tự động lựa chọn thuật toán phân cụm tối ưu mà không cần sự can thiệp của con người.
  • Mở rộng thử nghiệm phương pháp trên nhiều cấu trúc mạng học sâu phức tạp hơn và thử nghiệm với các tập dữ liệu tấn công mạng thời gian thực nhằm kiểm tra độ trễ thực tế của hệ thống.

Giá trị tham khảo

Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực hành rõ ràng:

  • Đối tượng hưởng lợi: Sinh viên, học viên cao học, kỹ sư và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành An toàn thông tin, Mạng máy tính và Truyền thông, Khoa học dữ liệu và Trí tuệ nhân tạo.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Quy trình thiết kế thuật toán tiền xử lý dữ liệu và trích chọn đặc trưng kết hợp giữa Ensemble Learning và Clustering tại Chương 3.
    • Phương pháp luận và kỹ thuật thiết lập mô hình kiểm thử độ bền vững trước các kỹ thuật tấn công mẫu đối kháng (FGSM, BIM, JSMA) kết hợp hồi quy quá trình Gaussian tại Chương 3 và Chương 4.
    • Các bảng tổng hợp so sánh phương pháp trích chọn đặc trưng và khảo sát các công trình quốc tế liên quan tại Chương 2.

Câu hỏi thường gặp

Khóa luận giải quyết nhược điểm cụ thể nào của phương pháp lựa chọn thuộc tính dạng Filter?

Phương pháp Filter truyền thống chọn lọc thuộc tính dựa trên kỹ thuật xếp hạng biến và ngưỡng cắt cố định. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là hiệu suất phụ thuộc chặt chẽ vào ngưỡng dữ liệu cụ thể, khiến việc tìm ra ngưỡng chính xác cho từng tập dữ liệu là rất khó khăn. Khóa luận giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp thuật toán học tổng hợp (AdaBoost, Random Forest) và thuật toán phân cụm để tự động gom nhóm và lọc ra các thuộc tính có tần suất đóng góp hiệu năng cao nhất mà không cần ấn định ngưỡng cứng ban đầu.

Trong quy trình đề xuất, khi nào nên sử dụng thuật toán K-means và khi nào dùng Gaussian Mixture?

Theo phân tích thực nghiệm của nhóm tác giả tại Chương 3, việc lựa chọn thuật toán phân cụm phụ thuộc vào hình thái phân phối của dữ liệu kết quả: đối với các tập dữ liệu mà các nhóm điểm phân bố có dạng hình cầu đơn giản, thuật toán K-means là lựa chọn tối ưu nhất; đối với các tập dữ liệu có cấu trúc cụm phi tuyến, hình học phức tạp hơn (như thực nghiệm trên bộ dữ liệu CIC-IDS2017), thuật toán Gaussian Mixture mang lại hiệu quả phân tách rõ ràng và chính xác hơn.

Thuật toán đề xuất được đối sánh trực tiếp với phương pháp tối ưu hóa nào và trên những tập dữ liệu nào?

Phương pháp đề xuất của nhóm tác giả được so sánh trực tiếp với thuật toán tối ưu hóa bầy chim bồ câu (Pigeon Inspired Optimizer - PIO, bao gồm hai biến thể Sigmoid_PIO và Cosine PIO). Quá trình đối sánh được thực hiện trên cùng hai bộ dữ liệu chuẩn là KDD Cup 99 và NSL-KDD, với kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp của khóa luận đạt độ chính xác cao hơn.

Khóa luận đã thử nghiệm mô hình trước những dạng tấn công mẫu đối kháng cụ thể nào?

Khóa luận đã nghiên cứu và kiểm thử mô hình trước các kỹ thuật tấn công tạo mẫu đối nghịch gồm: Fast Gradient Sign Method (FGSM), Basic Iterative Method (BIM), Jacobian-based Saliency Map Attack (JSMA), DeepFool, đồng thời khảo cứu các phương thức Carlini & Wagner, L-BFGS và GAN-based. Mô hình phòng thủ sử dụng kỹ thuật hồi quy quá trình Gaussian kết hợp Decision Tree, SVM, Max Voting và Blending để phân loại ảnh/mẫu sạch và mẫu bị can nhiễu.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Phước Cường và Nguyễn Quốc Trung đã xây dựng thành công giải pháp lựa chọn thuộc tính lai kết hợp giữa học tổng hợp và phân cụm dữ liệu, giải quyết hiệu quả bài toán tối ưu hóa thời gian huấn luyện và độ chính xác cho hệ thống phát hiện xâm nhập mạng. Thông qua các thực nghiệm trên 4 bộ dữ liệu an ninh mạng chuẩn KDD Cup 99, NSL-KDD, UNSW-NB15 và CIC-IDS2017, phương pháp đề xuất chứng minh được tính ưu việt về độ chính xác so với thuật toán PIO và duy trì khả năng nhận diện tin cậy trước các kỹ thuật tấn công mẫu đối kháng. Đây là công trình kỹ thuật an toàn thông tin có phương pháp luận chặt chẽ, đóng góp thiết thực cho hướng nghiên cứu gia cố độ bền vững của mô hình học máy ứng dụng trong giám sát an ninh mạng.