Luận văn Nghiên cứu mạng thư điện tử và ứng dụng trong lọc thư rác - Bùi Ngọc Lan

- 1 - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Ngọc Lan NGHIÊN CỨU MẠNG THƯ ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG LỌC THƯ RÁC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUI Ngành: Công nghệ thông tin Hà Nội - 2006 - 2 - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Ngọc Lan NGHIÊN CỨU MẠNG THƯ ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG LỌC THƯ RÁC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUI Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ Trần Quang Anh Cán bộ đồng hướng dẫn: Tiến sĩ Hà Quang Thụy Hà Nội - 2006 - 3 - LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Trần Quang Anh (Trường Đại học Thanh Hoa Trung Quốc) và Tiến sĩ Hà Quang Thụy (Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội) đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khoá luận này. Em xin chân thành cám ơn các thầy lãnh đạo Viện CNTT - ĐHQGHN, anh Nguyễn Việt Cường (Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN) và anh Phan Bá Hùng (Viện Công nghệ Thông tin - ĐHQGHN) đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em tiến hành có kết quả các thử nghiệm trên mail-server thực. Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô trong trường Đại học Công nghệ đã dạy dỗ và tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá trình học tập tại trường. Em cũng muốn gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, anh chị và các bạn trong nhóm xê-mi-na “Khai phá dữ liệu và khám phá tri thức” thuộc bộ môn Các hệ thống thông tin, Trường Đại học Công nghệ đã ủng hộ và khuyến khích em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện khoá luận này. Và lời cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn vô hạn tới bố, mẹ, anh chị những người đã có công sinh thành, nuối nấng, dạy dỗ và luôn động viên, khuyến khích em trong cuộc sống, trong học tập và làm việc. Sinh viên Bùi Ngọc Lan - 4 - Tóm tắt Vấn đề thư rác từ lâu đã gây không ít phiền nhiễu cho người sử dụng thư điện tử và là vấn đề đau đầu của những người quản lý mạng. Có rất nhiều giải pháp chống thư rác đã được đưa ra và áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, các phương pháp này đều tỏ ra chưa thực sự hiệu quả và mang những nhược điểm cố hữu của nó. Trong luận văn này, trên cơ sở nghiên cứu cấu trúc và các tính chất đặc trương của mạng thư điện tử (Email Networks) từ đó đề xuất một phương pháp lọc thư rác mới dựa trên mạng thư điện tử. Khác với phương pháp lọc thư rác dựa trên mạng thư điện tử trước đây [1], phương pháp đưa ra đã khai thác được tính chất có hướng của đồ thị mạng thư điện tử và xem xét đồ thị mạng thư điện tử là đồ thị có trọng số để xây dựng một công thức tính độ phân cụm (clustering coefficient) mới. Để kiểm chứng phương pháp đưa ra, khóa luận thực hiện thí nghiệm trên log files của máy chủ e-mail thực của Đại học Quốc gia Hà Nội. Kết quả thực nghiệm cho thấy được tính đúng đắn của phương pháp và phương pháp này có thể khắc phục được nhiều nhược điểm cố hữu của các giải pháp trước đây. - 5 - Mục lục LỜI CẢM ƠN ............................................................................................3 MỞ ĐẦU.....................................................................................................8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THƯ RÁC .........................................10 1.1 Khái niệm thư rác ............................................................................10 1.1.1 Thư rác là gì ?..............................................................................................10 1.1.2 Các đặc điểm của thư rác. ...........................................................................11 1.1.3 Phân loại thư rác .........................................................................................12 1.1.4 Những thiệt hại do thư rác gây ra................................................................13 1.2 Các giải pháp cho vấn đề lọc thư rác ...............................................16 1.2.1 Ban hành các bộ luật chống thư rác ............................................................16 1.2.2 Các phương pháp lọc thư rác trước đây......................................................16 CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC CƠ SỞ .......................................................26 2.1 Mạng phức hợp (Complex Networks) ..............................................26 2.1.1 Độ dài đường dẫn trung bình.......................................................................30 2.1.2 Độ phân cụm ................................................................................................31 2.1.3 Độ phân bố bậc ............................................................................................31 2.2 Các mô hình của mạng phức hợp ....................................................33 2.2.1 Mạng cặp thông thường (Regular coupled networks) .................................33 2.2.2 Đồ thị ngẫu nhiên (Random Graphs)...........................................................34 2.2.3 Các mô hình Small-world ............................................................................36 2.2.4 Các mô hình Scale-free ................................................................................39 2.3 Mạng xã hội (Social Networks).......................................................41 2.4 Mạng thư điện tử (Email Networks)................................................43 2.4.1 Mạng thư điện tử scale-free. .........................................................................43 2.4.2 Tính chất Small-world của mạng thư điện tử. .............................................44 2.4.3 Mạng thư điện tử là mạng có hướng............................................................46 2.4.4 Sự lan rộng của virus trong mạng thư điện tử .............................................48 2.4.5 Mạng thư điện tử khi bị spam tấn công .......................................................49 - 6 - CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MẠNG THƯ ĐIỆN TỬ TRONG LỌC THƯ RÁC.................................................................................................50 3.2 Đề xuất phương pháp.......................................................................51 3.3 Đặc điểm của phương pháp .............................................................53 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM TRÊN LOG FILES............................55 4.1 Đặc điểm dữ liệu..............................................................................55 4.2 Kết quả thực nghiệm và phân tích ...................................................57 4.3 Nhận xét ..........................................................................................60 KếT LUậN...................................................................................................61 - 7 - Bảng từ viết tắt Từ hoặc cụm từ Viết tắt Unsolicited Commercial Email UCE Internet Service Provider ISP Short Message Service SMS Email Service Provider ESP Realtime Black hole List RBL Multiple Address Processing System MAPS eXtensible Markup Language XML Domain Name Server DNS Sender Policy Framework SPF - 8 - MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự toàn cầu hóa việc kết nối thông tin, thư điện tử (Email) đã trở thành một phần quan trọng trong đời sống và trong cả các hoạt động kinh doanh thương mại. Thư điện tử cho phép tiết kiệm thời gian và khắc phục mọi vấn đề về khoảng cách địa lí, về chi phí trong trao đổi thông tin liên lạc. Chính những thuận tiện trong trao đổi thư điện tử lại tạo ra một số sơ hở để cho các loại thư không mong muốn (thư rác: spam mail) hoạt động gây phiền toái cho người dùng. Trong một vài năm gần đây, những thư điện tử không mong muốn như vậy phát triển và gây ra không ít thiệt hại cho người dùng nói riêng và cho nền kinh tế - xã hội nói chung. Theo nhiều bản thống kê [10,15], thư rác đã chiếm tới ¾ tổng số thư điện tử lưu thông trên toàn thế giới. Có không ít người dùng đã hạn chế sử dụng thư điện tử như một phương tiện liên lạc, và điều đó đã gây ra sự trở ngại đáng kể cho liên lạc giữa các người dùng cũng như hạn chế việc phát sinh lợi nhuận chính đáng của nền kinh tế nhờ phương tiện liên lạc này. Hiện nay, thư rác đang là một trong những vấn đề nhức nhối của xã hội. Nhiều phương pháp, công cụ lọc thư rác đã được đề xuất, tuy nhiên nhìn chung các công cụ lọc thư rác hiện nay vẫn tỏ ra chưa thực sự hiệu quả. Chính vì lý do đó, nhiều hướng tiếp cận lọc thư rác mới đã được đề xuất [39], kể cả các hướng tiếp cận kết hợp các phương pháp khác nhau, trong đó hướng tiếp cận theo mạng xã hội là một trong các hướng nổi bật nhất. Ý thức được điều này, hướng nghiên cứu về các phương pháp lọc thư rác, tập trung theo hướng tiếp cận mạng thư điện tử đề tài của khóa luận với tên gọi "Nghiên cứu mạng thư điện tử và ứng dụng trong lọc thư rác". Khóa luận được tổ chức thành 4 chương như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về thư rác và một số hướng tiếp cận điển hình trước đây trong việc lọc thư rác. Chương 2 trình bày về một số tính chất quan trọng của mạng phức hợp, mạng xã hội, mạng thư điện tử. Đây là cơ sở kiến thức để phát triển nội dung của khóa luận trong các chương sau. Chương 3 trình bày một phương pháp mới ứng dụng các tính chất của mạng thư điện tử vào vấn đề lọc thư rác thông qua việc tính hạng phân cụm của các địa chỉ thư. Các nội dung đề xuất được trình bày chi tiết trong chương này. - 9 - Chương 4 trình bày về thực nghiệm tiến hành với logs file của máy chủ email tại Đại học Quốc gia Hà Nội. Kết quả thực nghiệm cho thấy địa chỉ thư với độ phân cụm thấp có khả năng cao là địa chỉ thư rác . Phần kết luận tổng kết các kết quả chủ yếu của khóa luận và phương hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển, cải tiến phương pháp mạng thư điện tử được đề xuất. Cho dù đã cố gắng song không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn. - 10 - Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THƯ RÁC Từ lâu, thư điện tử (Email) đã trở thành một ứng dụng không thể thiếu khi Internet và công nghệ mạng phát triển. Đây là điều mà thực tế đã chứng minh qua những đóng góp của ứng dụng này trong nhiều lĩnh vực như kinh doanh, thương mại, viễn thông và các dịch vụ cá nhân. Tuy nhiên trong những năm gần đây, một hình thức mới của thư điện tử đã xuất hiện với số lượng lớn gây phiền hà cho người nhận và những thiệt hại không nhỏ cho nền kinh tế gọi là thư rác. Chương này sẽ khái quát các vấn đề về khái niệm thư rác, ảnh hưởng của thư rác trong cuộc sống của chúng ta và các phương pháp ngăn chặn thư rác. 1.1 Khái niệm thư rác 1.1.1 Thư rác là gì ? Thư rác (spam) là một loại thư được gửi với số lượng lớn, theo chủ ý của người gửi, hoàn toàn không có sự liên hệ gì với người nhận. Đứng trên quan điểm của người gửi, đó là một hình thức giửi thư theo số lượng lớn (nên gọi là bulk email) cho một danh sách địa chỉ chọn lọc ra từ các diễn đàn (Usenet discussion group), các danh sách thư (mailing list)… Hiện nay cũng có nhiều công ty mà công việc kinh doanh chính là nhận gửi thư rác cho khách hàng của họ. Về phía người nhận, đa phần các bức thư này không có giá trị và thật sự không được mong muốn, chúng bị coi như một thứ rác rưởi, tạp nham (xuất phát từ cụm junk email). Phần lớn các thư này có nội dung quảng cáo thương mại cho một loại sản phẩm hay dịch vụ nào đó, những bức thư này được gọi là UCE (Unsolicited Commercial Email). Thư rác hiện nay thường có nội dung: quảng cáo thương mại và dịch vụ, quấy nhiễu, phát tán virus và những nội dung không lành mạnh (khiêu dâm, chống phá chính trị…). - 11 - Việc gửi thư rác làm cho người nhận phải mất thời gian và phải trả tiền cho nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP (Internet Service Provider) để đọc những bức thư không liên quan. Đôi khi những bức thư có chứa virus có thể phá hủy cả hệ thống dữ liệu trong máy tính. Ngoài ra, tài nguyên (đường truyền, máy chủ) của ISP cũng bị chiếm dụng nhiều khi gửi thư rác. 1.1.2 Các đặc điểm của thư rác. Các loại thư rác hiện nay có một số đặc điểm sau: ¾ Thư rác được gửi đi một cách tự động: Mục đích của những kẻ gửi thư rác (spammer) là có thể phát tán lượng thư rác tới người dùng càng nhiều càng tốt. Do vậy, chúng thường viết ra những phần mềm tự động gửi một lượng lớn thư rác trong một khoảng thời gian ngắn. ¾ Thư rác được gửi đến những địa chỉ ngẫu nhiên trên một diện rộng. Địa chỉ email của người bị nhận thư rác rất ngẫu nhiên và dường như giữa họ không có mối quan hệ với nhau. Có nhiều phương pháp và thủ thuật khác nhau mà những kẻ gửi thư rác áp dụng trong việc dò tìm địa chỉ email của người dùng như: ƒ Dùng chương trình tự động dò tìm địa chỉ email trên mạng Internet, các trang chủ, Newsgroup, Chat room.... ƒ Mua địa chỉ email từ những công ty đã xây dựng danh sách khách hàng của họ nhưng vì lý do nào đó phải bán đi hoặc đối tác của công ty được phép truy cập danh sách khách hàng của công ty này để gửi thông tin về dịch vụ hay sản phẩm. ƒ Email chuỗi (Chain letter) từ bạn bè và người thân, yêu cầu gửi thư cho càng nhiều người càng tốt vì lý do thương người, ủng hộ một chương trình nào đó, hoặc mời chào người dùng nếu gửi cho nhiều người sẽ được nhận nhiều tiền hơn. ƒ Dùng chương trình đoán tên tự động: Những kẻ gửi thư rác dùng chương trình này gửi email liên tục vào một nơi để đoán địa chỉ email qua những phương pháp như E-pending, Dictionary hay Alphabet. Bên cạnh đó, những kẻ gửi thư rác còn có thể có được địa chỉ email của người dùng do: - 12 - ƒ Các nhà cung cấp dịch vụ ISP không có chính sách và công nghệ bảo mật, dẫn đến các tin tặc (hacker) ăn cắp địa chỉ của khách hàng để buôn bán và quấy nhiễu. Hoặc có thể do chính nhà cung cấp ISP buôn bán địa chỉ email của khách hàng để kiếm lợi nhuận. Nhân viên của các ISP đã tiết lộ thông tin về khách hàng cho các đối thủ cạnh tranh của chính ISP đó, hoặc cho những công ty muốn quảng cáo cho những khách hàng riêng biệt. ƒ Chính người dùng cung cấp địa chỉ email của mình qua những lần đăng kí thành viên trên Internet hoặc trên giấy tờ các dịch vụ mà chẳng bao giờ dùng, những cuộc xổ số mà chẳng bao giờ biết quả, hoặc những bản tin điện tử (newsletter) vô nghĩa. ¾ Nội dung của thư rác thường là những nội dung bất hợp pháp, gây phiền hà cho người dùng. Phần lớn nội dung của thư rác là những thông tin mời chào về thương mại, quảng cáo sản phẩm. Bên cạnh đó, phải kể đến những thư rác có nội dung xấu (như khiêu dâm, chống phá chính trị...) gây tâm lý lo ngại cho người làm công nghệ thông tin. Lượng thư rác phát tán virus cũng không nhỏ. Trong những thư này thường được gắn kèm những con virus nguy hiểm có thể làm tê liệt hoàn toàn máy tính của người dùng, ăn cắp những thông tin cá nhân hoặc làm hỏng dữ liệu lưu trên máy. Hiện nay, những thư rác với nội dung hứa hẹn mang đến một khoản tiền lớn cho người đọc thư rác đã tăng nhanh. Những người dùng kém hiểu biết, cả tin thường bị lừa bởi hình thức này. ¾ Địa chỉ của người gửi thư rác thường là những địa chỉ trá hình. Để tránh sự nghi ngờ của người nhận, một số kẻ gửi thư rác thường giả dạng địa chỉ của một người dùng bình thường trong một máy chủ email nào đó một cách bất hợp pháp hoặc dùng một địa chỉ ảo nào đó để gửi thư rác. 1.1.3 Phân loại thư rác Việc phân loại thư rác rất quan trọng không chỉ trong lĩnh vực tạo những bộ lọc thư rác phù hợp cho hiệu quả cao mà còn giúp cho việc ban hành các bộ luật chống thư rác thích hợp. Có rất nhiều cách phân loại thư rác. Dưới đây là một số loại điển hình nhất. 1> Dựa trên kiểu phát tán thư rác - 13 - Tính tới thời điểm hiện tại, thư rác có thể bị gửi thông qua những hình thức thư điện tử, nhóm thảo luận (newsgroups), điện thoại di động (Short Message Service - SMS) và các dịch vụ gửi tin nhắn trên mạng (như Yahoo Messenger, Windows Messenger...). 2> Dựa vào quan hệ với người gửi thư rác Các mối quan hệ với người gửi thư rác bao gồm người lạ mặt, bạn bè, người quen và các dịch vụ quyên góp giúp đỡ… 3> Dựa vào nội dung của thư rác. Các kiểu nội dung phổ biến như thư về thương mại, thư về chính trị, thư về công nghệ, chuỗi thư (chain email) và các loại khác (như thư phát tán virus...). 4> Dựa trên động lực của người gửi Thông thường, thư rác được gửi đi cho những mục đích quảng bá thông tin. Ngoài ra, còn có một số loại thư rác được gửi tới một người nhận xác định nào đó nhằm mục đích phá vỡ và gây cản trở công việc của người nhận hay mạng của nhà cung cấp dịch vụ thư điện tử ESP (Email Service Provider) được gọi là “bom thư”. Thư rác còn được cố ý gửi đi nhằm thông báo tin sai lệch, làm xáo trộn công việc và cuộc sống của người nhận. 1.1.4 Những thiệt hại do thư rác gây ra Các khảo sát cho thấy thư rác hiện chiếm hơn một nửa số email qua lại hàng ngày trên Internet và chính thư rác là nguồn lây lan virus nhanh nhất. Thiệt hại do chúng gây ra rất lớn. Năm 2003, báo cáo của Hội thảo Thương mại và Phát triển của Liên Hiệp Quốc cho thấy thiệt hại do thư rác gây ra khoảng 20,5 tỷ USD. Các hãng diệt virus cũng đưa ra ước tính thiệt hại của các cuộc tấn công do virus năm 2001 là 13 tỷ USD, năm 2002 khoảng từ 20 - 30 tỷ USD. Chi phí để khắc phục sự cố do virus gây ra trong các doanh nghiệp được điều tra ngẫu nhiên ở Mỹ năm 2002 là 81.000 USD, đến năm 2003 đã tăng lên 100.000 USD. Trên 3/4 số doanh nghiệp cho rằng sự cố virus đã gây tổn hại nhất định đến năng suất làm việc và 2/3 cho biết ảnh hưởng chủ yếu của mỗi vụ tấn công là làm cho máy tính không thể truy cập được. Những ảnh hưởng khác của virus là làm hỏng file và không thể truy xuất dữ liệu. - 14 - Theo thống kê toàn cầu của hãng nghiên cứu Ferris Research (San Francisco), thư rác gây thiệt hại 50 tỷ USD trong năm 2005. Chỉ tính riêng ở Mỹ, thiệt hại do thư rác gây ra đối với các doanh nghiệp ước tính khoảng 17 tỷ USD/năm. Không chỉ gây thiệt hại về tiền bạc, thư rác còn làm giảm hiệu quả làm việc, gây stress, tiêu tốn thời gian của nhân viên... Những điều này cũng đồng nghĩa với việc, năng suất lao động giảm, ảnh hưởng tới tình hình kinh doanh và doanh thu của công ty. Báo cáo mới công bố của Tổ chức hợp tác phát triển kinh tế OECD cho thấy thư rác đang là vấn nạn toàn cầu, nhưng ảnh hưởng tới người sử dụng Internet ở thế giới thứ ba (các nước đang pháp triển) nhiều hơn tại các quốc gia phát triển. Theo phân tích của OECD một phần nguyên nhân của việc người sử dụng máy tính ở các nước đang phát triển hay bị virus và thư rác tấn công là do họ thường mua hệ điều hành và phần mềm chống virus không có bản quyền (do điều kiện kinh tế không cho phép) nên không thể được cập nhật một cách đầy đủ, không đối phó với những kỹ thuật liên tục thay đổi của những tên tin tặc (hacker) và những tên gửi thư rác (spammer). Bênh cạnh đó phải kể đến nguyên nhân thiếu kiến thức, công nghệ và tài chính để đối phó với sự gia tăng thư rác trên hệ thống liên lạc trong nước, gây thất thoát đáng kể nguồn lực công nghệ vốn đã yếu và thiếu tại những nơi này. Các ISP nội địa thì thiếu những chính sách ngăn chặn và xử lý thư rác, trong khi đó, những kênh tiếp vận (relay) và proxy “mở toang” cùng với vô số máy tính bị nhiễm virus hoặc Trojan trong mạng đã trở thành những nguồn phát tán thư rác lớn. Hậu quả là người sử dụng phải hứng chịu tình trạng bất ổn định dịch vụ, gây cản trở quá trình thu hẹp khoảng cách số toàn cầu. Từ những con số thống kê trên ta có thể thấy, việc thông qua các chế tài pháp lý quốc tế, đầu tư mạnh vào hệ thống lọc thư rác, thiết lập những trung tâm phản ứng nhanh liên kết các ISP toàn cầu, đồng thời tăng cường các chiến dịch tuyên truyền cộng đồng về sự nguy hại và cách đối phó với thư rác là công việc rất quan trọng và cần thiết. Ngày nay, spam không phải đơn giản chỉ nằm trong thư điện tử mà còn có cả trong blog1, còn gọi là spam blogs hay splogs, trên các tin nhắn trực tuyến. Những xu thế này chính là những hình thức mới của spam có thể phát triể