項目背景及可行性分析

項目名稱：基于SNORT規(guī)則集的高速網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)

應用背景

誤用入侵檢測系統(tǒng)作為當前主流的網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)，有判斷準確性高、誤報率低等特點，此類系統(tǒng)是建立在對過去各種已知網(wǎng)絡入侵方法和系統(tǒng)缺陷知識的積累之上，根據(jù)對這些已知模式的檢測來達到保障安全的目的。因此，模式庫和模式匹配是誤用入侵檢測系統(tǒng)的核心。隨著網(wǎng)絡速度的迅速提高，誤用入侵檢測系統(tǒng)逐漸暴露其在性能上的致命缺陷：檢測速率低、資源消耗大。尤其當入侵模式庫不斷增大時，此類軟件系統(tǒng)更是難有較佳表現(xiàn)。因此，誤用入侵檢測系統(tǒng)在某些網(wǎng)絡負載高的環(huán)境下不得不放棄對一些網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的檢測，這種策略嚴重影響了誤用入侵檢測系統(tǒng)在功能上的完整性。

誤用入侵檢測系統(tǒng)性能的主要瓶頸在于模式匹配引擎的效率上。模式匹配引擎根據(jù)入侵規(guī)則庫中的規(guī)則模式對來自網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包進行字符串模式匹配。在許多誤用入侵檢測系統(tǒng)中（如Snort入侵檢測系統(tǒng)），這些用以描述入侵特征的字符串模式是以正則表達式形式給出的，將其作為判斷規(guī)則的一部分存放于入侵模式規(guī)則庫中。文獻[1]指出在誤用入侵檢測系統(tǒng)的模式匹配中，正則表達式匹配占了CPU計算時間的90%以上。因此，本項目主要設計實現(xiàn)一個軟硬結(jié)合的基于SNORT規(guī)則集的高速網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)。

研究現(xiàn)狀

軟件模式匹配引擎為達到較高的匹配效率，通常采用一些多模式匹配算法，文獻[2]中作者指出，目前絕大多數(shù)的正則表達式匹配算法都是由GAC（Generalization of the Aho-Corasick）算法改進而來。文獻[3]中給出了GAC算法設計細節(jié)。此類軟件多模式匹配算法在由NFA（Nondeterministic Finite Automata）構(gòu)建DFA（Deterministic Finite Automata）的過程中，狀態(tài)機的狀態(tài)數(shù)成指數(shù)級增長，因此增大了對內(nèi)存等硬件資源的消耗，其結(jié)果是制約了此類系統(tǒng)所能匹配的正則表達式的規(guī)模，并且在無法增大規(guī)模的同時也降低了系統(tǒng)的性能。

在硬件模式匹配引擎的設計上，目前主要采用NFA和DFA兩類模式匹配的方法，文獻[4]中，作者應用DFA理論提出了一種新的結(jié)構(gòu)，并通過壓縮編碼的方式來提高密度；文獻[5]的作者依據(jù)圖論算法對多狀態(tài)轉(zhuǎn)移進行合并，將DFA轉(zhuǎn)化成，從而減小了95%的存儲器占用。但這些利用DFA理論的方法都不可避免面臨著硬件資源有限的難題，由于相對NFA來說，DFA實現(xiàn)中的狀態(tài)數(shù)成指數(shù)級增長，這使得目前現(xiàn)有的FPGA硬件很難滿足大規(guī)模正則表達式匹配的任務。文獻[6]首次提出了一種利用NFA機制實現(xiàn)的基于FPGA硬件的正則表達式匹配引擎，該引擎可以每周期匹配一個字符，并采用模塊化設計思想給出了幾種基本模塊的設計方法。本項目中的基于SNORT規(guī)則集中的正則表達式規(guī)則模式匹配引擎（硬件加速）部分，參考了此篇文章的思想并對其改進，采用模塊化設計方法，設計實現(xiàn)一款數(shù)據(jù)流驅(qū)動的高速的硬件匹配引擎，解決了NFA引擎中的數(shù)據(jù)回溯問題。

主要內(nèi)容

本項目針對傳統(tǒng)軟件入侵檢測系統(tǒng)中存在正則表達式模式檢測這一系統(tǒng)瓶頸問題，設計實現(xiàn)一個軟硬結(jié)合的基于SNORT規(guī)則集的高速網(wǎng)絡入侵檢測系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由三部分組成，即基于SNORT規(guī)則集中的正則表達式規(guī)則模式匹配引擎（硬件入侵檢測模式加速器）、底層硬件傳輸平臺及軟件（驅(qū)動和應用程序）的設計與實現(xiàn)。

關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

（1）面向正則表達式的多模式匹配硬件引擎的設計；

（2）基于PCI-E的CPU與FPGA的通信平臺的設計；

（3）基于硬件的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的抓??；

（4）軟件驅(qū)動程序的設計。