Метод динамической контентной фильтрации сетевого трафика на основе анализа текстов на естественном языке Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.023

И. А. Тихомиров И. В. Соченков

Институт системного анализа РАН пр. 60-летия Октября, 9, Москва, 117312, Россия

E-mail: 1 [email protected]

МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ КОНТЕНТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ СЕТЕВОГО ТРАФИКА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТЕКСТОВ НА ЕСТЕСТВЕННОМ ЯЗЫКЕ

В статье рассмотрен метод динамической контентной фильтрации сетевого трафика, основанный на алгоритмах автоматической классификации и анализе текстов на естественном языке. Предложен новый метод классификации гипертекстовых документов с использованием относительной значимости терминов.

Ключевые слова: контентная фильтрация, защита сетей, автоматическая классификация, анализ текста, обработка естественного языка.

Введение

Рост количества и объема ресурсов сети Интернет обусловливает необходимость поиска новых эффективных методов решения задачи ограничения доступа к ресурсам нежелательной тематики и содержания. Современные исследования показывают, что около 39 % рабочих компьютеров пользователей имеют неограниченный доступ в сеть Интернет [1]. При этом около 90 % пользователей признают использование служебного компьютера в личных целях, причем тратят на посещение ресурсов нежелательной тематики вплоть до 20 % своего рабочего времени [1]. Отсюда возникает потребность выявления нарушений корпоративного регламента, связанных с доступом в рабочее время вполне легитимных приложений пользователей (web-браузеров) к сайтам знакомств, сайтов «для взрослых», анекдотов и т. п.

Современные системы ограничения доступа к сетевым ресурсам применяют комплекс различных методов, направленных на предотвращение доступа пользователя к нежелательной, нецелевой информации. Они имеют возможность контролировать по заданным ограничениям не только пакеты, но и их содержимое - контент.

Одним из самых распространенных типов трафика в Интернет является HTTP-трафик, его доля составляет 46 % [2]. Задача систем контентной фильтрации заключается в блокировании доступа приложений пользователя к сетевым ресурсам, содержимое которых тематически определено как нежелательное.

Одной из современных тенденций развития систем контентной фильтрации, в части контроля web-трафика, является переход от использования предопределенных баз данных категорий сайтов (web-ресурсов) к определению категории web-ресурса по содержимому его страниц (документов) [3]. Это стало особенно важным с развитием различных сетевых порталов, которые могут содержать наполнение различных категорий.

В статье предложен метод решения задачи контентной фильтрации web-ресурсов, основанный на анализе гипертекстового содержания документов, с применением методов автоматической классификации и обработки текстов на естественном языке (ЕЯ).

Подходы к решению задачи контентной фильтрации

В настоящее время в системах контентной фильтрации применяются следующие методы фильтрации web-контента: по имени DNS или конкретному URL-адресу, по ключевым словам внутри web-контента и по типу файла. Фильтры представляют собой правила, ограничивающие или запрещающие доступ к ресурсам. Однако нельзя предугадать заранее все воз-

1818-7900. Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2008. Том 6, выпуск 2 © И. А. Тихомиров, И. В. Соченков, 2008

можные неприемлемые URL-адреса. Тем более, что некоторые web-узлы с сомнительным информационным наполнением работают не с URL, а исключительно с IP-адресами.

Для разрешения или блокирования доступа к сетевым ресурсам в современных системах фильтрации содержимого применяются следующие подходы [3]:

1) использование предопределенных баз категорий ресурсов;

2) категоризация данных в момент обращения пользователя;

3) предоставление web-ресурсом своей категории.

Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки.

Предопределенные базы категорий ресурсов

Использование заранее подготовленных баз адресов ресурсов и связанных с ними категорий - давно используемый и хорошо зарекомендовавший себя метод. В настоящее время такие базы предоставляют многие компании - Websence, Surfcontrol, ISS/Cobion, Astaro AG, NetStar и др. [3]. Категоризация данных и формирование баз категорий обычно производится в полуавтоматическом режиме. На первом этапе выполняется анализ содержимого документа и определяется его категория с помощью средств классификации. На втором этапе полученная информация проверяется экспертами.

Преимуществом применения предопределенных баз категорий ресурсов является принятие решения о предоставлении или запрете доступа на этапе обращения к ресурсу (посылки запроса), что может существенно снизить нагрузку на каналы передачи данных. Главный недостаток использования данного подхода - задержки в обновлении баз категорий ресурсов. Кроме того, некоторые web-ресурсы достаточно часто меняют свое наполнение, из-за чего информация о категории, хранящаяся в базе адресов, становится неактуальной.

Классификация ресурса на этапе обращения

Другой подход к решению задачи состоит в фильтрации содержимого пакетов, возвращаемых в ответ на запрос пользователя. Для этого в системе контентной фильтрации назначается специальное правило, блокирующее документы, получаемые по протоколу HTTP, содержащие нежелательную строку или ключевое слово. Если нежелательная строка обнаруживается в HTTP-ответе web-сервера, страница будет блокирована [4].

Серьезным недостатком подхода является принятие решения о характере документа по вхождению какого-либо слова лишь в некоторый его фрагмент, что может значительно повысить число заблокированных страниц, не относящихся на самом деле к нежелательной тематике. Альтернативой является определение тематики документов с применением автоматического классификатора, который производит полнотекстовый анализ гипертекстового представления запрошенного документа и на его основе принимает решение об отнесении документа к одной из заранее предопределенных категорий.

Для категоризации ресурсов при обращении к ним пользователя используются методы, основанные на статистическом подходе к анализу гипертекстового содержания. Категоризация данных «на лету» позволяет быстро реагировать на появление новых web-документов и сетевых ресурсов. Но такой подход имеет и недостатки - необходимо проводить анализ всех передаваемых данных, что вызывает некоторое снижение производительности системы в целом.

Категоризация как самоидентификация ресурса

Этот подход состоит в том, что ресурс сам сообщает о том, к какой категории он относится. Существует несколько путей реализации [3]:

• PICS (Platform for Internet Content Selection) - спецификация, разработанная консорциумом W3Q цель - обеспечение надежности рейтинговой системы; для контроля может использоваться специальное разработанное программное обеспечение, доступное для загрузки со страницы проекта;

• ICRA (Internet Content Rating Association) - инициатива, разрабатываемая независимой некоммерческой организацией с тем же названием; основная цель - защита детей от доступа к запрещенному содержимому.

К достоинствам этого подхода необходимо отнести то, что для обработки данных нужно только специальное программное обеспечение и нет необходимости обновлять базы адресов и / или категорий, так как вся информация передается самим сайтом. Но недостатком является то, что сайт может указывать неправильную категорию или не указывать категорию вообще, а это приведет к неправильному предоставлению или запрещению доступа к данным.

Как мы видим, каждый из рассмотренных подходов имеет достоинства и недостатки. Это означает, что наиболее эффективное решение задачи контентной фильтрации должно реализовывать комплексный подход, сочетающий все вышеизложенные методы. Таким образом, исследования в области автоматической классификации и интеллектуальной обработки текстов ЕЯ для создания системы категоризации текстовой и гипертекстовой информации являются весьма перспективными. Интеграция системы автоматической категоризации с системами контентной фильтрации позволит эффективно решить задачу динамического определения тематики web-документов и разграничения доступа к ним.

Метод контентной фильтрации на основе автоматической классификации документов

Предложенный нами метод динамической контентной фильтрации опирается на список доступа и систему автоматической классификации. Рассмотрим алгоритм, приведенный на рис. 1.

С )

т

Рис. 1. Алгоритм динамической контентной фильтрации

От вызывающей системы принимается входящий запрос к НТТР-серверу, проверяется наличие запрошенного URL документа в списке доступа. Решение о блокировке ресурса принимается в соответствии с принадлежностью его URL к классу допустимых / нежелательных ресурсов.

Если категория запрошенного документа не известна системе, необходимо:

1) получить гипертекстовое представление документа;

2) выделить из гипертекстового представления документа текст на ЕЯ;

3) подвергнуть выделенный текст лингвистическому анализу для преобразования текста в структурное представление;

4) классифицировать структурное представление в соответствии с выбранным методом классификации.

После классификации адрес документа помещается в список доступа. Это позволяет не классифицировать документы / ресурсы при повторном обращении к ним пользователя, что позволяет снизить нагрузку на систему классификации и сетевую нагрузку.

Предложенный подход обладает масштабируемостью и определенной гибкостью. Он может быть реализован как в системах контентной фильтрации, функционирующих на оборудовании пользователя (например, в виде подключаемого модуля для web-браузера), так и в системах, обеспечивающих фильтрацию трафика в локальной сети на промежуточном сетевом оборудовании.

Важным требованием, предъявляемым к автоматическому классификатору, является соответствующий уровень качества классификации (высокие точность и полнота классификации), а также скорость классификации. Наибольшую вычислительную трудоемкость в процессе классификации электронного гипертекстового документа представляют лингвистический анализ и процедура классификации. В зависимости от выбранной модели представления документа и метода классификации лингвистический анализ может быть морфологическим, синтаксическим и семантическим.

Возможность регулировать уровни полноты и точности классификации представляет собой важный механизм настройки классификатора. Оптимальное решение зависит от практических задач применения фильтра. В одних случаях потребность в доступе к информации является наиболее важной, поэтому недопустимы «ложные» срабатывания системы фильтрации: точность важнее полноты.

В других случаях, напротив, важнее не пропустить нежелательную информацию. В такой ситуации необходимо обеспечить максимальную полноту фильтрации, а точность может находиться в пределах заранее заданных допустимых значений [5]. Поэтому необходима самостоятельная «пользовательская» настройка алгоритма классификации.

Далее описан метод классификации, опирающийся на понятие относительной значимости терминов ЕЯ (отдельных слов или словосочетаний). Для применения этого метода требуется проведение морфологического и частичного синтаксического анализа текста.

Метод автоматической классификации документов на основе характеристики относительной значимости терминов

В основе рассматриваемого метода автоматической классификации гипертекстовых документов лежат законы Ципфа - Мандельброта [6].

Пусть T = [t, | I = 1..M} - множество текстов на ЕЯ (коллекция текстовых документов). Каждый текст tj, i = 1..M представляет собой множество терминов (слов или словосочетаний ЕЯ): t, = [wj I j = 1..Kj}.

Рассмотрим статистические величины, выражающие информационную значимость терминов в T.

Частота встречаемости термина Wj в тексте t,

countW, t,)

TF (Wj, tj) = log2 ---,

£ count(w^, t,)

k=1

где count(Wj, t) - количество вхождений термина Wj в текст t,. Частота встречаемости есть вероятность выбрать термин Wj в тексте t, при случайном выборе из множества всех вхождений терминов, составляющих этот текст.

Инверсная частота встречаемости (IDF) термина Wj в коллекции текстов T:

м

1БР(м,, Т) = 1оя2------—

{ £ Т | ^ £ /}|

ГОР определяет количество информации, получаемое при снятии неопределенности наступления события: «встретить термин в некотором документе из множества Т». Заметим, |Т|

что ,-----1------г > 1, следовательно, ГОР(У,, Т) > 0 .

{ £ Т|М] £ 0| ]

Для терминов, которые встречаются в большей части текстов коллекции, величина 1БР(, Т) близка к 0; для редких терминов она стремится к 1од2 |т| слева:

0 < ГОР^., Т) < 1оя2 |Т|

Рассмотрим подмножество текстов Т'с Т , объединяющее тексты по некоторой тематике.

Пусть t 6 Т и 1 - слово в документе. Величина ГОР^, Т), вычисленная относительно

этого множества Т, есть тематическая ГОР термина М].

Разность

М0(м’1 , Т, Т ') = ГОР(м1 , Т) - ГОР(м1 , Т) (1)

определяет изменение информативности термина при отнесении t' к подмножеству Т. Величина 10(М], Т, Т) может быть как положительной, так и отрицательной. Поскольку отнесение t' к подмножеству Т означает снятие некоторой информационной неопределенности относительно тематики документа (а следовательно, и о его содержании), то

Д/(М], Т, Т') = и (Д/0(^1, Т, Т')) . (Д/0 (М], Т, Т')) (2)

определяет величину изменения количества информации при отнесении t' к подмножеству Т. Здесь и (г) = Ц <0 - индикаторная функция Хевисайда.

Заметим, что в силу формул (1), (2), поскольку ШР(, Т) > 0, имеет место соотношение

0 <Д/(^, Т, Т') < ГОР^., Т). (3)

Введем в рассмотрение понятие значимости термина. Согласно [6; 7] под значимостью термина в тексте t, входящего в множество документов Т понимается величина:

ТРГОР^., t, Т) = ТР(м] , t) • ГОР(^ , Т). (4)

По аналогии с (4) рассмотрим величину

ТРДВР^, t, Т, Т’) = ТР^., t) • Д/(^, Т, Т'),

которая характеризует значимость термина в тексте ¿, входящего в множество документов Т, с учетом того, что текст t также относится к подмножеству Т'с Т . Величину ТРЯБР будем называть характеристикой значимости термина относительно множества документов Т (или просто характеристикой относительной значимости (ХОЗ) термина).

В силу формулы (3) справедливо соотношение

ТРДВР^., t, Т, Т') < ТРГОР^., t, Т). (5)

Характеристика относительной значимости термина аналогично ТРГОР-значимости позволяет выделять значимые, т. е. обладающие наибольшей информативностью, термины -ключевые слова классов текстов. Термин, для которого выполнено соотношение

Д/(М], Т, Т') > 0 будем называть значимым термином класса документов Т' с Т .

Опишем далее применение введенных величин для решения задачи автоматической классификации. Пусть С = {с- | г = 1..Л^} - множество априорно заданных классов текстовых документов. Каждому классу с, г = 1. N множества С соответствует структурное описание Si, г = 1.^ из множества структурных описаний классов S, построенное на основе текстовых документов обучающей выборки. Каждое описание si = {^;- |] = 1..Кг} есть множество значи-

N

мых терминов соответствующего класса с; s' - структурное метаописание для ^ есть

г=1

множество терминов описаний всех классов, для которых на этапе обучения классификатора вычислены величины ШР(Wj, 5'). Будем считать, что для терминов каждого метаописания

г = 1..Nна этапе обучения также рассчитаны величины А/(М], 5, 5' ).

Характеристика значимости текста документа t относительно класса с есть

К1С(/, , 5') = ^ TFtIDF(w, t, 5г., 5').

nt

ХОЗ - это суммарная значимость терминов текста документа в контексте некоторого класса.

Учитывая, что Ц- п ¿| < |/| и принимая во внимание соотношение (5) , получаем нормированный вариант ХОЗ:

^ TFtIDF(w, t, , 5 ’)

(t, А) , 5 ') = -------------- ,

^ TFIDF(w, t, 5')

wеt

для которого справедливо соотношение

0 < RICN (t,, 5') < 1. (6)

Соотношение (6) позволяет использовать ХОЗ в решающем правиле классификации:

текст документа t относится к классу сг тогда и только тогда, когда выполнено условие

RICN (Г, 5-, 5 ’) > Ес ,

где Ес - пороговая константа, подбираемая на этапе настройки классификатора.

Заключение

В статье рассмотрен подход к задаче динамической контентной фильтрации НТТР-трафика, основанный на применении автоматической классификации запрашиваемых документов. Предложен метод классификации гипертекстовых документов, учитывающий относительную значимость терминов. Введено понятие характеристики относительной значимости текста документа при отнесении к некоторому классу. Показано, что ХОЗ может быть применена в решающем правиле классификации для принятия решения об отнесении текста документа к одному или нескольким классам документов нежелательной тематики.

Пороговая константа Ес является настроечным параметром и предоставляет механизм настройки классификатора на необходимый уровень соотношения точности и полноты.

Предложенный метод классификации требует выделения текста на ЕЯ из гипертекстового представления документа и проведения морфологического и синтаксического анализа текста.

Процедура классификации имеет линейную вычислительную сложность: трудоемкость линейно зависит от количества терминов, входящих в состав текста и от количества классов нежелательной тематики. Это позволяет говорить о высокой скорости классификации, что в свою очередь дает возможность рассматривать предложенный метод как универсальный: классификация и динамическая контентная фильтрация могут производиться как на рабочих станциях пользователей, так и на выделенных серверах фильтрации, обеспечивающих безопасность локальных сетей.

Направлениями дальнейших исследований являются:

1) модификация модели представления документа и расчет веса терминов с учетом окружающей теговой разметки в гипертекстовом представлении документа с целью представления ХОЗ в виде взвешенной суммы произведения тегового веса термина и его относительной значимости;

2) исследования в области ссылочного ранжирования гипертекстовых документов для разработки механизмов автоматической классификации, учитывающих ссылки на документы известной тематики;

3) оценка эксплуатационных характеристик предложенного метода в реальных условиях функционирования крупных СПД.

Список литературы

1. Маркетинговые исследования сети Интернет [Электронный документ]. http://www.romir.ru. Проверено 31.03.2008.

2. Anderson N. The YouTube Effect: HTTP traffic now eclipses P2P / Ars Technica [Электронный документ]. http://arstechmca.com/news.ars/post/20070619-the-youtube-effect-http-traffic-now-eclipses-p2p.html. Проверено 28.02.2008.

3. Отт А. О Контентной фильтрации // Jet Info. 2006. № 10 (261) [Электронный документ]. http://www.jetinfo.ru/2006/10/2006.10.pdf. Проверено 28.03.2008.

4. Хилл Б. Решения для фильтрации Web-контента / Открытые системы: [Электронный документ]. http://www.osp.ru/win2000/2004/05/177073/. Проверено 28.11.2007.

5. Ашманов И. С, Власова А. Е. и др. Технология фильтрации содержания для Интернет // Труды международного семинара «Диалог 2002» по компьютерной лингвистике и ее приложениям / К. П. Зоркий, А. П. Иванов, А. Л. Калинин [Электронный документ]. http://www.dialog-21.ru/materials/archive.asp?id=7519&y=2002&vol=6078. Проверено 30.03.2008.

6. Попов А. Поиск в Интернете - внутри и снаружи [Электронный документ]. http://www.citforum.ru/pp/search_03.shtml. Проверено 02.03.2008.

7. Han E., Karypis G., Kumar V. Text Categorization Using Weight Adjusted k-Nearest Neighbor Classification // Proc. of the 16th International Conference on Machine Learning. Denver, 1999. P. 41-56.

Материал поступил в редколлегию 13.07.2008

I A. Tikhomirov, I V. Sochenkov

Method for Network Traffic Dinamic Filtering Based on Natural Language Analysis

The paper presents method for network traffic dinamic filtering, based on automatic text classification and natural language processing. Suggested new method for web-document classification using relative terms meanings.

Keywords: content filtering, networks protection, automatic classification, text analysis, natural language processing.