項(xiàng)目背景及可行性分析

項(xiàng)目名稱：基于SNORT規(guī)則集的高速網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)用背景

誤用入侵檢測(cè)系統(tǒng)作為當(dāng)前主流的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)，有判斷準(zhǔn)確性高、誤報(bào)率低等特點(diǎn)，此類系統(tǒng)是建立在對(duì)過去各種已知網(wǎng)絡(luò)入侵方法和系統(tǒng)缺陷知識(shí)的積累之上，根據(jù)對(duì)這些已知模式的檢測(cè)來達(dá)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(cè)系統(tǒng)的核心。隨著網(wǎng)絡(luò)速度的迅速提高，誤用入侵檢測(cè)系統(tǒng)逐漸暴露其在性能上的致命缺陷：檢測(cè)速率低、資源消耗大。尤其當(dāng)入侵模式庫不斷增大時(shí)，此類軟件系統(tǒng)更是難有較佳表現(xiàn)。因此，誤用入侵檢測(cè)系統(tǒng)在某些網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高的環(huán)境下不得不放棄對(duì)一些網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的檢測(cè)，這種策略嚴(yán)重影響了誤用入侵檢測(cè)系統(tǒng)在功能上的完整性。

誤用入侵檢測(cè)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(duì)來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行字符串模式匹配。在許多誤用入侵檢測(cè)系統(tǒng)中（如Snort入侵檢測(cè)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(dá)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(xiàn)[1]指出在誤用入侵檢測(cè)系統(tǒng)的模式匹配中，正則表達(dá)式匹配占了CPU計(jì)算時(shí)間的90%以上。因此，本項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟硬結(jié)合的基于SNORT規(guī)則集的高速網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)。

研究現(xiàn)狀

軟件模式匹配引擎為達(dá)到較高的匹配效率，通常采用一些多模式匹配算法，文獻(xiàn)[2]中作者指出，目前絕大多數(shù)的正則表達(dá)式匹配算法都是由GAC（Generalization of the Aho-Corasick）算法改進(jìn)而來。文獻(xiàn)[3]中給出了GAC算法設(shè)計(jì)細(xì)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(jī)的狀態(tài)數(shù)成指數(shù)級(jí)增長，因此增大了對(duì)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(dá)式的規(guī)模，并且在無法增大規(guī)模的同時(shí)也降低了系統(tǒng)的性能。

在硬件模式匹配引擎的設(shè)計(jì)上，目前主要采用NFA和DFA兩類模式匹配的方法，文獻(xiàn)[4]中，作者應(yīng)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(xiàn)[5]的作者依據(jù)圖論算法對(duì)多狀態(tài)轉(zhuǎn)移進(jìn)行合并，將DFA轉(zhuǎn)化成，從而減小了95%的存儲(chǔ)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(duì)NFA來說，DFA實(shí)現(xiàn)中的狀態(tài)數(shù)成指數(shù)級(jí)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(dá)式匹配的任務(wù)。文獻(xiàn)[6]首次提出了一種利用NFA機(jī)制實(shí)現(xiàn)的基于FPGA硬件的正則表達(dá)式匹配引擎，該引擎可以每周期匹配一個(gè)字符，并采用模塊化設(shè)計(jì)思想給出了幾種基本模塊的設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目中的基于SNORT規(guī)則集中的正則表達(dá)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(duì)其改進(jìn)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)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(xiàng)目針對(duì)傳統(tǒng)軟件入侵檢測(cè)系統(tǒng)中存在正則表達(dá)式模式檢測(cè)這一系統(tǒng)瓶頸問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟硬結(jié)合的基于SNORT規(guī)則集的高速網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)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(dá)式規(guī)則模式匹配引擎（硬件入侵檢測(cè)模式加速器）、底層硬件傳輸平臺(tái)及軟件（驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）面向正則表達(dá)式的多模式匹配硬件引擎的設(shè)計(jì)；

（2）基于PCI-E的CPU與FPGA的通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)；

（3）基于硬件的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的抓取；

（4）軟件驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。