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1、分类号 UDC 工学硕士学位论文 学号 密级 高效深度报文检测的研究与实现 硕士生姓名 张子文 学科专业 计算机科学与技术 研究方向计算机系统结构 指导教师 孙志刚副研究员 国防科学技术大学研究生院 二o0 八年十一月 0 6 0 6 0 0 9 4 公开 国防科学技术大学研究牛院硕十学位论文 摘要 随着目前I n t e m e t 的广泛应用，网络安全形势同益严峻，而深度报文检测( d e e p p a c k e ti n s p e c t i o n ，D P I ) 是实现内容安全的重要方法，同时它还可以更好的审计分 析用户的行为，如应用层协议识别。由于正则表达式的灵活性与强大功
2、能，在深 度报文检测中，正则表达式模式匹配日益得到广泛的应用。 目前的大部分研究和实现都是基于软件方法的，如S n o r t 和L 7 一F i l t e r ，然而由 于软件系统基于通用的体系结构，在流水、并行化处理等方面的性能较低，不能 满足骨干链路报文处理的要求。本文通过硬件实现的并行结构加速了正则表达式 的匹配，并通过与流管理的结合实现了基于流状态的高效协议识别。论文的主要 工作和贡献包括： ( 1 ) 本文设计软硬件协同的正则表达式匹配模型，其中软件将正则表达式编译 为M P D F A 并通过软硬件接口配置到状态转移表，具有较大的灵活性，无回溯线 性匹配算法简单高效，易于硬件实
3、现。本文设计多引擎并行正则表达式匹配的结 构，该加速方法达到了I P 报文的线速处理的能力。本文深入研究了多引擎结构中 报文输入输出队列的调度，通过理论分析确定了在报文不丢失情况下每个匹配引 擎的输入输出最小缓冲区大小和报文调度延时的上限。 ( 2 ) 本文提出了一种基于流状态的协议识别模型，硬件实现的P I 控制模块和P I 引擎模块的协同工作使得系统能够在流的正则表达式匹配状态基础上执行高效的 协议识别。为了支持基于流的有状态处理，本文设计了一种基于硬件的高效流生 存周期管理方法，通过分析计算证明本方法可在1 0 G b p s 网络接E 1 上实现线速的流 生存周期管理。 ( 3 ) 在
4、C I A 内容检查网卡上实现了基于流状态的高效协议识别方法，并通过协 议正则表达式集对其进行了测试。测试结果表明4 个P I M E 的并行处理可实现千兆 以太网接口报文的线速正则表达式匹配。M o d e l S i m 下的模拟证明本文设计的基于 流状态的高效协议识别方法的执行是正确的。 本文研究了报文J 下则表达式匹配和基于流的协议识别，并在实际的硬件系统 中加以实现，在高速网络环境中具有较大的应用价值。 主题词：多模式匹配，正则表达式，多引擎，协议识别，流生存周期管理 第i 页 国防科学技术大学研究，# 院硕士学位论文 A BS T R A C T W i t ht h ee x t
5、 e n s i v eu s eo fI n t e m e t ，n e t w o r ks e c u r i t ys i t u a t i o ni ss e v e r e D e e p p a c k e ti n s p e c t i o ni sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oe n s u r ec o n t e n ts e c u r i t y ，a n da l s oi t c a n a u d i ta n da n a l y z et h eb e h a v i o ro fu s e r s ，s u c
6、ha sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li d e n t i f i c a t i o n A st h er e g u l a re x p r e s s i o ni sf l e x i b l ea n dp o w e r f u l ，r e g u l a re x p r e s s i o np a t t e r nm a t c h i n g b e c o m e sw i d e l yu s e di nd e e pp a c k e ti n s p e c t i o n 。 A tp r e
7、 s e n t ，m o s to ft h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fr e g u l a re x p r e s s i o nm a t c h i n ga r e b a s e do ns o f t w a r em e t h o d s ，s u c ha sS n o r ta n dL 7 一F i l t e r H o w e v e r ，s o f t w a r es y s t e m b u i l tu po nag e n e r a la r c h i t e c t u r eu
8、 s u a l l yh a sal o wp e r f o r m a n c eo fp i p e l i n i n ga n d p a r a l l e l i s mw h i c hc a n ts a t i s f yt h ep a c k e tp r o c e s s i n gi nI S PB a c k b o n e T h er e a l i z a t i o n o fa c c e l e r a t i o no fr e g u l a re x p r e s s i o nm a t c h i n gb yh a r d w a r
9、 ei m p l e m e n t a t i o no ft h e p a r a l l e ls t r u c t u r ei sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r W i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h es t r u c t u r ea n d n e t w o r kf l o wm a n a g e m e n t ，a ne f f i c i e n tp r o t o c o li d e n t i f i c a t i o nb a s e do nf l o ws t
10、a t ei s i m p l e m e n t e d T h em a i nw o r ka n d c o n t r i b u t i o no ft h et h e s i si n c l u d ea sf o l l o w s ( 1 ) A tf i r s t ，t h em o d e lo fr e g u l a re x p r e s s i o nm a t c h i n gw h i c hw o r k su n d e rt h e c o o p e r a t i o nb e t w e e ns o f t w a r ea n dh
11、 a r d w a r ei sp r e s e n t e d T h es y s t e ms o f t w a r ec o m p i l e s r e g u l a re x p r e s s i o nt ot h eM P D F Aa n dc o n f i g u r e st h es t a t e t r a n s i t i o nt a b l e st h r o u g h h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t e r f a c e sw h i c ho f f e rag r e a t e r
12、f l e x i b i l i t y A n dt h e n o n b a c k t r a c t i n gl i n e a rm a t c h i n ga l g o r i t h mi ss i m p l ea n de f f i c i e n tw h i c hi se a s yt o r e a l i z eb yh a r d w a r e W ed e s i g nm u l t i e n g i n e ss t r u c t u r ew h i c hp a r a l l e l ym a t c hr e g u l a r e
13、 x p r e s s i o n T h i sm e t h o dr e a c h e sw i r e s p e e dc o n t e n ti n s p e c t i o nt o I Pp a c k e t s Q u e u e s c h e d u l i n go fi n p u ta n do u t p u ti nm u l t i e n g i n e ss t r u c t u r e i sr e s e a r c h e di n d e p t h B y p r o v i n gi nt h e o r y ，w ea c q u
14、 i r et h es m a l l e s tb u f f e rs i z eo f e a c he n g i n e Si n p u ta n do u t p u t q u e u ew i t h o u tl o s so fp a c k e t ，a sw e l la sd e l a y Su p p e rl i m i to fp a c k e t s i n p u ta n do u t p u t p r o c e s s ( 2 ) Am o d e lo fp r o t o c o li d e n t i f i c a t i o nb
15、 a s e do nn e t w o r kf l o ws t a t ei sp r o p o s e di n t h i st h e s i s P Ic o n t r o la n dP Ie n g i n eb yh a r d w a r er e a l i z a t i o nc o m b i n et oi m p l e m e n t h i g h p e r f o r m a n c ep r o t o c o li d e n t i f i c a t i o no nt h eb a s i so ff l o ws t a t eo fr
16、 e g u l a re x p r e s s i o n m a t c h i n g I no r d e rt os u p p o r ts t a t e f u lp r o c e s sb a s e do nn e t w o r kf l o w ，am e h o do ff l o w l i f e t i m em a n a g e m e n ti sp u tf o r w a r d A n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ns h o wt h a tt h em e t h o dc a n ，s u p p o r tl i n e r a t ef l o wl i f e t i m em a n a g e m e n ta tt h en e t w o r ki n t e r f a c eo f1 0 G b p s ( 3 ) A tl a s t ，t h ei m p l e m e n t a t i o no
