周 琰,馬 強(qiáng)

(國家氣象信息中心,北京 100081)

0 引言

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)入侵技術(shù)的快速發(fā)展，防火墻、用戶身份驗證和數(shù)據(jù)加密等傳統(tǒng)安全技術(shù)已無法充分保障網(wǎng)絡(luò)安全[1]。網(wǎng)絡(luò)入侵檢測系統(tǒng)(NIDS)作為對網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行即時監(jiān)視的防御機(jī)制，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性[2]。NIDS可分為兩類[3]：基于異常的檢測和基于模式的檢測。其中，基于異常的檢測將入侵者不同于正常網(wǎng)絡(luò)的異常行為識別為惡性攻擊，從而可以檢測到未知和已知攻擊，但檢測結(jié)果假陽性率高[4]；基于模式的檢測通過匹配預(yù)定義的攻擊模式來檢測異常，具有操作簡單、誤報率低的優(yōu)點，但無法檢測新型入侵攻擊模式[5]。

通常，當(dāng)數(shù)據(jù)包有效載荷中識別出任何異常模式，NIDS將發(fā)出警告并攔截該數(shù)據(jù)包，從而保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的正常資源[6]。當(dāng)采用基于模式的檢測設(shè)計NIDS時，模式匹配過程占NIDS執(zhí)行時間約70%[7]，設(shè)計出高效的模式匹配算法對模式識別至關(guān)重要。模式匹配消耗系統(tǒng)執(zhí)行時間的70%，是影響NIDDS系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵因素。模式匹配算法可以分為單模式匹配和多模式匹配。其中，單模式匹配是在一個字符串內(nèi)找到單一模式，例如，字符串查找(KMP)算法[8]和字符串匹配(BM)算法[9]；多模式匹配可以同時識別一個字符串中的多個模式，例如，Wu-Manber(WM)算法[10]和Aho-Corasick匹配(AC)算法[22]。

利用硬件處理的模式匹配算法主要通過可編程門陣列(FPGA)[11]、內(nèi)容可尋址存儲器(CAM)[12]和特定應(yīng)用集成電路(ASIC)[13]，從而實現(xiàn)高效匹配速度。然而相比硬件實現(xiàn)算法相比，在通用處理器(GPP)[14]上通過軟件實現(xiàn)算法具有成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點。目前，單獨利用中央處理器(CPU)運(yùn)算能力無法滿足高速網(wǎng)絡(luò)條件下模式識別速度，現(xiàn)有研究側(cè)重于在軟件平臺部署具有更高并行處理能力的圖形處理單元(GPU)來實現(xiàn)模式匹配算法[15]。盡管GPU比CPU具有更強(qiáng)的處理能力，但基于GPU的模式匹配算法在內(nèi)核啟動和數(shù)據(jù)傳輸方面具有延遲，導(dǎo)致整體性能受到限制[16]。此外，CPU所支持的單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)操作可用于加速模式匹配。因此，在CPU和GPU之間設(shè)計高效的協(xié)同模式匹配算法已成為研究熱點。文獻(xiàn)[17]提出了基于拋物線Radon變換的CPU/GPU協(xié)同模式匹配算法，通過CPU多線程與多個GPU協(xié)同并行提高網(wǎng)絡(luò)流量檢測的吞吐量。文獻(xiàn)[18]利用基于隊列的混合調(diào)度策略設(shè)計了CPU/GPU協(xié)同模式匹配算法，縮短了CPU與GPU完成各自計算任務(wù)后的等待時間，加快了網(wǎng)絡(luò)流量檢測的整體延遲。文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]根據(jù)CPU處理后的數(shù)據(jù)包加載到GPU平臺的移植過程，分別設(shè)計了非確定性有窮自動機(jī)(NFA)和確定性有窮自動機(jī)(DFA)，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)接口與CPU和GPU的并行性，從而提高了僵尸網(wǎng)絡(luò)檢測處理性能。文獻(xiàn)[21]設(shè)計了基于CPU/GPU混合模式匹配算法(HPMA)的NIDS，實現(xiàn)CPU與GPU任務(wù)分配平衡，但具有不同長度的輸入流量數(shù)據(jù)包會導(dǎo)致GPU并行處理多線程執(zhí)行時間的增加，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量檢測的吞吐量下降。

本文提出了一種具有長度約束的CPU/GPU混合模式匹配算法(LHPMA)來設(shè)計NIDS。當(dāng)傳入數(shù)據(jù)包加載到CPU時，LHPMA根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有效載荷長度約束對數(shù)據(jù)包進(jìn)行提前分類。長度超過約束的數(shù)據(jù)包直接分配給CPU進(jìn)行快速預(yù)過濾；否則，數(shù)據(jù)包直接分配給GPU進(jìn)行全模式匹配。通過減少有效載荷長度的多樣性，提升了CPU/GPU協(xié)同檢測網(wǎng)絡(luò)入侵的性能。

1 CPU/GPU混合模式匹配算法(HPMA)

文獻(xiàn)[21]提出的HPMA將網(wǎng)絡(luò)入侵檢測任務(wù)分為兩部分：數(shù)據(jù)包預(yù)過濾和全模式匹配。利用CPU執(zhí)行預(yù)過濾對“正?！焙汀翱梢伞睌?shù)據(jù)包進(jìn)行分類，結(jié)合GPU對可疑數(shù)據(jù)包進(jìn)行全模式匹配。HPMA的整體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 HPMA的整體架構(gòu)

首先，傳入數(shù)據(jù)包發(fā)送至CPU的主存儲器中，CPU訪問數(shù)據(jù)包并根據(jù)查找表(表名、基本信息表、間接尋址表和字段說明)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)過濾。當(dāng)表的大小足夠小時，可以降低內(nèi)存訪問延遲并減少預(yù)過濾時間，從而提高過濾率并降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。然后，將預(yù)過濾后的可疑數(shù)據(jù)包發(fā)送至GPU進(jìn)行全模式匹配。由于GPU紋理內(nèi)存的訪問延遲比設(shè)備內(nèi)存的訪問延遲低得多，采用AC算法[22]對GPU紋理內(nèi)存中存儲的可疑數(shù)據(jù)包進(jìn)行全模式匹配，并將查找表(狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、接受狀態(tài)表和失敗狀態(tài)表)復(fù)制到GPU紋理內(nèi)存中，從而加快檢測速度。最后，當(dāng)全模式匹配完成后，將數(shù)據(jù)包匹配結(jié)果復(fù)制并返回CPU主存儲器。

通過在HPMA中使用預(yù)過濾方法，CPU可以進(jìn)行快速的預(yù)過濾并達(dá)到較高的過濾率，從而減少GPU的延遲，提升網(wǎng)絡(luò)流量檢測效率。然而，在以下條件下，HPMA性能會受到限制：①所有傳入數(shù)據(jù)包最終都傳送至GPU，造成多余操作[23]；②網(wǎng)絡(luò)流量由不同長度的數(shù)據(jù)包組成，造成GPU并行處理中每個線程的執(zhí)行時間不一致[24]。針對限制①，文獻(xiàn)[25]提出了基于性能的CPU/GPU混合模式匹配算法(CHPMA)，CHPMA首先估計系統(tǒng)的CPU和GPU處理能力，在運(yùn)行期間，CHPMA根據(jù)CPU的歷史過濾率和GPU處理能力自動進(jìn)行處理選擇。針對限制②，本文提出了LHPMA來提升CPU/GPU協(xié)同檢測網(wǎng)絡(luò)入侵的性能。

2 具有長度約束的HPMA(LHPMA)

2.1 整體架構(gòu)和程序

與文獻(xiàn)[21]中的HPMA不同，本文提出的LHPMA在CPU對數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)過濾期間，增加了長度約束分離算法(LBSA)，即傳入數(shù)據(jù)包發(fā)送至CPU主存儲器之前，通過LBSA處理后進(jìn)入預(yù)過濾緩沖區(qū)。LBSA主要用于檢查數(shù)據(jù)包有效載荷長度并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類。在經(jīng)過LBSA處理后，部分?jǐn)?shù)據(jù)包存儲在CPU主存儲器中的預(yù)過濾緩沖區(qū)中，從而直接交付給CPU作預(yù)過濾的準(zhǔn)備；剩余數(shù)據(jù)包則直接發(fā)送至CPU主存儲器中的全匹配緩沖區(qū)，用于存儲要由GPU處理的全模式匹配數(shù)據(jù)包。LHPMA的整體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 LHPMA的整體架構(gòu)

當(dāng)CPU主存儲器中的預(yù)過濾緩沖區(qū)變滿時，則由CPU訪問數(shù)據(jù)包并根據(jù)查找表(表名、基本信息表、間接尋址表和字段說明)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)過濾，預(yù)過濾的數(shù)據(jù)包也發(fā)送至全匹配緩沖區(qū)；當(dāng)全匹配緩沖區(qū)變滿時，緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)包就會轉(zhuǎn)移到GPU設(shè)備內(nèi)存中，采用AC算法[22]對GPU紋理內(nèi)存中存儲的可疑數(shù)據(jù)包進(jìn)行全模式匹配，并將查找表(狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、接受狀態(tài)表和失敗狀態(tài)表)復(fù)制到GPU紋理內(nèi)存中，從而加快檢測速度。最后，當(dāng)全模式匹配完成后，將數(shù)據(jù)包匹配結(jié)果復(fù)制并返回CPU主存儲器。LHPMA的整體過程，如圖3所示。

圖3 LHPMA整體過程

2.2 長度約束分離算法(LBSA)

LBSA的偽代碼，如算法1所示。LBSA算法根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有效載荷長度約束對傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類，從而減少GPU并行處理的有效載荷長度多樣性。給定數(shù)據(jù)包有效載荷集P和長度約束Lb，LBSA算法可以用Lb確定P中的有效載荷。

算法1：長度約束分離算法(LBSA)

輸入：數(shù)據(jù)包有效載荷集P和長度約束Lb

輸出：數(shù)據(jù)包有效載荷匹配結(jié)果

1)TPB←空；//預(yù)過濾緩沖區(qū)

2)TFB←空；//全匹配緩沖區(qū)

3)Pf←空；//預(yù)過濾有效載荷

4)idxPB←0；//預(yù)過濾緩沖區(qū)的索引

5)for每個Pido

6)Li←Pi的有效載荷長度

7)ifLi>Lbthen

8)TPB[idxPB]←Pi；//將Pi存儲在預(yù)過濾緩沖區(qū)中

9)idxPB←idxPB+1；

10)else

11)TFB←TFB∪Pi；//將Pi存儲在全匹配緩沖區(qū)中

12)end

13)

14)ifTPB變滿時then

15)Pf←預(yù)過濾的TPB；//執(zhí)行預(yù)過濾算法

16)TFB←TFB∪Pf；//將Pf存儲在全匹配緩沖區(qū)中

17)Pf←空；

18)TPB←空；

19)idxPB←0；

20)end

21)

22)ifTFB變滿時then

23) 結(jié)果←全匹配的TFB；//執(zhí)行全匹配算法

24)TFB←空；//匹配結(jié)果復(fù)制并返回

25)end

26)end

最初，預(yù)過濾緩沖區(qū)TPB和全匹配緩沖區(qū)TFB為空。同時，設(shè)置有效載荷集Pf用于臨時存儲預(yù)過濾結(jié)果，也是空(第1～3行)。預(yù)過濾緩沖區(qū)的索引idxPB設(shè)置為0(第4行)。對于P中的每個有效載荷，LBSA測量數(shù)據(jù)包Pi的有效載荷長度Li，從而與長度約束Lb進(jìn)行比較(第5～6行)。如果有效載荷長度Li超過長度約束Lb，則系統(tǒng)將數(shù)據(jù)包Pi存儲在預(yù)過濾緩沖區(qū)TPB中，并等待CPU執(zhí)行預(yù)過濾過程(第7～8行)。在數(shù)據(jù)包Pi存儲在TPB后，預(yù)過濾緩沖區(qū)的索引idxPB將增加 (第9行)。否則，數(shù)據(jù)包Pi將存儲在全匹配緩沖區(qū)TFB中，并等待GPU執(zhí)行全模式匹配(第10～11行)。

當(dāng)預(yù)過濾緩沖區(qū)TPB變滿時，則緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù)包由CPU執(zhí)行預(yù)過濾得到有效載荷集Pf，并將其存儲在全匹配緩沖區(qū)TFB中(第14～16行)，系統(tǒng)清除存儲在Pf、TPB和idxPB中的數(shù)據(jù)并繼續(xù)處理下一批傳入數(shù)據(jù)包(第17～19行)。同時，當(dāng)全匹配緩沖區(qū)TFB變滿時，緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù)包將復(fù)制到GPU設(shè)備內(nèi)存中并由GPU執(zhí)行全模式匹配過程。最后，將數(shù)據(jù)包匹配結(jié)果復(fù)制并返回CPU主存儲器，系統(tǒng)會清除存儲在TFB的數(shù)據(jù)(第22～24行)。

在本文設(shè)計的LBSA算法中，較短的數(shù)據(jù)包有效載荷由GPU處理，從而提高整體效率。由于使用較短數(shù)據(jù)包是一種典型的攻擊方式，大量的數(shù)據(jù)包可以在較短的時間內(nèi)生成并發(fā)送，如果將此類數(shù)據(jù)包直接發(fā)送至GPU，則可以減少由此類數(shù)據(jù)包引起的CPU預(yù)過濾的冗余操作。此外，GPU可以對較短數(shù)據(jù)包進(jìn)行較強(qiáng)的并行處理。同時，較長數(shù)據(jù)包由CPU進(jìn)行預(yù)過濾而不發(fā)送至GPU進(jìn)行全模式匹配檢測，從而減輕了GPU處理負(fù)擔(dān)并減少數(shù)據(jù)傳輸延遲。

3 實驗分析

3.1 實驗設(shè)置

本文設(shè)計的預(yù)過濾和全模式匹配分別基于CPU和GPU組成的通用并行計算架構(gòu)(CUDA)平臺實現(xiàn)多線程并行處理。實驗的硬件規(guī)格，如表1所示。

表1 實驗的硬件規(guī)格

CUDA平臺中配置的GPU塊數(shù)和每塊的線程數(shù)分別為128和64。同時，設(shè)置的預(yù)過濾緩沖區(qū)和全匹配緩沖區(qū)分別為1 MB和256 MB。利用文獻(xiàn)[21]中的HPMA算法的源代碼創(chuàng)建LHPMA算法的源代碼，結(jié)合算法1創(chuàng)建LBSA算法的源代碼，所有源代碼采用GCC4.8.4進(jìn)行編譯，操作系統(tǒng)利用64位的Ubuntu14.04(內(nèi)核版本3.13)。

本文從Snort入侵檢測系統(tǒng)提取并生成實驗所需的模式集。Snort構(gòu)成的模式集包含的模式數(shù)量最多，但字符數(shù)最少。模式集中的數(shù)據(jù)包長度從1到208 bytes不等，平均為13.8 bytes。如果輸入數(shù)據(jù)流中的字符串是模式集中任何模式的重要前綴字符串，則視為惡意攻擊。如果前綴字符串覆蓋了整個字符串的80%以上，則視為正常流量。對于每個輸入數(shù)據(jù)流量，根據(jù)匹配率，從模式集中隨機(jī)選擇適當(dāng)?shù)那熬Y，并嵌入正常流量中。對于Snort構(gòu)成的模式集采用HTML格式，并在Linux服務(wù)器中的/usr/bin下的所有文件連接起來作為正常數(shù)據(jù)流。同時，利用模式集生成預(yù)過濾和全模式匹配的查詢表，并加載到檢測系統(tǒng)中。從谷歌、亞馬遜和雅虎的門戶網(wǎng)站提取的網(wǎng)絡(luò)流量中選取真實的數(shù)據(jù)包檢測作為傳入數(shù)據(jù)包的輸入。輸入流量中的數(shù)據(jù)包有效載荷長度信息，如表2所示。

表2 輸入流量的數(shù)據(jù)包有效載荷長度信息

3.2 CPU與GPU之間的數(shù)據(jù)傳輸性能

在分析LHPMA的結(jié)果之前，還需分析影響GPU處理性能的因素。不同全匹配緩沖區(qū)中CPU和GPU之間的數(shù)據(jù)平均傳輸速率，如圖4所示。其中，x軸表示全匹配緩沖區(qū)的大小，y軸表示以Gbps為單位的數(shù)據(jù)平均傳輸速率，AC-GPU表示利用GPU通過AC算法檢測數(shù)據(jù)包的匹配方法。

圖4 全匹配緩沖區(qū)中CPU和GPU之間的數(shù)據(jù)平均傳輸速率

由圖4可以看出，當(dāng)全匹配緩沖區(qū)較小時，數(shù)據(jù)傳輸率非常低，即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包有效載荷很少。例如，當(dāng)全匹配緩沖區(qū)為0.25 MB時，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.95 Gbps。當(dāng)全匹配緩沖區(qū)較大時，更多的數(shù)據(jù)包有效載荷在同一時間被傳輸，GPU執(zhí)行的數(shù)據(jù)傳輸速率會更高。例如，當(dāng)全匹配緩沖區(qū)為256 MB時，數(shù)據(jù)傳輸速率為35.1 Gbps。最佳方案的并不是將全匹配的緩沖區(qū)大小設(shè)置的越大越好，這是由于過大的緩沖區(qū)會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包有效載荷等待時間過長，從而影響整體性能。因此，選擇位于數(shù)據(jù)傳輸速率收斂的轉(zhuǎn)折點作為全匹配緩沖區(qū)的臨界值，本文選取全匹配緩沖區(qū)為256 MB。

3.3 GPU處理性能

不同全匹配緩沖區(qū)中GPU性能，如圖5所示。其中，x軸表示全匹配緩沖區(qū)的大小，y軸表示以Gbps為單位的平均吞吐量，AC-GPU-100和AC-GPU-1460分別表示較短(100 bytes)和較長(1 460 bytes)數(shù)據(jù)包有效載荷集。

圖5 全匹配緩沖區(qū)中GPU性能

由圖5可以看出，在全匹配緩沖區(qū)中，AC-GPU-1460比AC-GPU-100的吞吐量低，較長的數(shù)據(jù)包有效載荷集在全匹配緩沖區(qū)的吞吐量較小，這是由于LBSA算法將較長的數(shù)據(jù)包過濾后直接發(fā)送至全匹配緩沖區(qū)，等待GPU的處理，造成了GPU性能降低。當(dāng)全匹配緩沖區(qū)較小時，GPU性能較低，尤其是在全匹配緩沖區(qū)為2 MB的AC-GPU-1460情況下。數(shù)據(jù)包有效載荷的數(shù)量很少，導(dǎo)致GPU線程利用率低，從而降低了整體性能。即輸入有效載荷集的長度也會影響GPU效率。較短的數(shù)據(jù)包可收集成更多的數(shù)據(jù)包，有利于GPU的并行處理能力。因此，AC-GPU-100的效率表現(xiàn)為5.37 Gbps到9.03 Gbps，高于 AC-GPU-1460從2.71 Gbps到6.10 Gbps的效率。

不同有效載荷長度中GPU性能，如圖6所示。

圖6 有效載荷長度中GPU性能

由圖6可以看出，較短的數(shù)據(jù)包有利于GPU效率。這是由于GPU具有較強(qiáng)的并行處理能力，可將較短的數(shù)據(jù)包中的有效載荷集在GPU紋理內(nèi)存中集中收集狀態(tài)轉(zhuǎn)換表并做統(tǒng)一識別處理，加速了并行處理較短的數(shù)據(jù)包的能力。當(dāng)有效載荷集長度為250 bytes時，GPU最多可以完成高達(dá)8.0 Gbps的吞吐量。隨著有效載荷長度的增加，GPU的吞吐量逐漸下降。這是由于GPU設(shè)備內(nèi)存中較短的有效載荷數(shù)量多于較長的有效載荷數(shù)量，同時，GPU內(nèi)核的數(shù)量遠(yuǎn)大于CPU內(nèi)核的數(shù)量，從而GPU利用多線程并行處理提高檢測流量的吞吐量。

3.4 LHPMA性能

不同有效載荷長度約束中LHPMA性能，如圖7所示。其中，x軸表示有效載荷長度約束Lb，y軸表示以Gbps為單位的平均吞吐量，LHPMA-AC表示LHPMA通過AC算法檢測數(shù)據(jù)包的匹配方法。

圖7 有效載荷長度約束中LHPMA性能

由圖7可以看出，當(dāng)Lb=0時，所有傳入數(shù)據(jù)包都以12.7 Gbps的吞吐量通過預(yù)過濾緩沖區(qū)，即數(shù)據(jù)包通過LBSA算法后所有數(shù)據(jù)包都沒有通過預(yù)過濾緩沖區(qū)就被發(fā)送至CPU。隨著Lb的增加，吞吐量提升至14.0 Gbps。當(dāng)Lb=750時，這與圖6的結(jié)果相對應(yīng)。即通過LBSA算法將較長的數(shù)據(jù)包存儲在CPU主存儲器中的預(yù)過濾緩沖區(qū)中，CPU訪問較長的數(shù)據(jù)包并根據(jù)查找表(表名、基本信息表、間接尋址表和字段說明)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)過濾，降低內(nèi)存訪問延遲并減少預(yù)過濾時間，同時，較短的數(shù)據(jù)包存儲在CPU主存儲器中的全匹配緩沖區(qū)中，當(dāng)全匹配緩沖區(qū)變滿時，全匹配緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)包就會轉(zhuǎn)移到GPU設(shè)備內(nèi)存中，采用AC算法對GPU紋理內(nèi)存中存儲的可疑數(shù)據(jù)包進(jìn)行全模式匹配，AC算法通過插入許多模式，從前往后遍歷數(shù)據(jù)包的整個字符串，要插入的字符其節(jié)點再先前已經(jīng)建成，直接去考慮下一個字符即可，當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前要插入的字符沒有再其前一個字符所形成的樹下沒有節(jié)點，就要創(chuàng)建一個新節(jié)點來表示這個字符，接下往下遍歷其他的字符。并將查找表(狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、接受狀態(tài)表和失敗狀態(tài)表)復(fù)制到GPU紋理內(nèi)存中，使得有效載荷長度的多樣性減少，從而提高過濾率并降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。LHPMA提高了檢測流量的吞吐量。當(dāng)Lb=1 460時，吞吐量下降至5.9 Gbps，這是由于AC算法從數(shù)據(jù)包的根節(jié)點開始，每次根據(jù)讀入的字符沿著自動機(jī)向下移動。當(dāng)讀入的字符，在分支中不存在時，遞歸走失敗路徑。如果走失敗路徑走到了根節(jié)點，則跳過該字符，處理下一個字符。因為AC自動機(jī)是沿著輸入文本的最長后綴移動的，所以在讀取完所有輸入文本后，最后遞歸走失敗路徑，直到到達(dá)根節(jié)點，這樣可以檢測出所有的模式。所有傳入數(shù)據(jù)包都沒有通過預(yù)過濾緩沖區(qū)就被發(fā)送至GPU，從而數(shù)據(jù)傳輸延遲和有效載荷長度多樣性導(dǎo)致LHPMA性能的下降。

將本文提出的LHPMA與HPMA[21]、僅使用CPU[26]、僅使用GPU[27]的性能進(jìn)行對比，如圖8所示。其中，HPMA-AC和AC-CPU分別表示HPMA和CPU通過AC算法檢測數(shù)據(jù)包的匹配方法，同時，LHPMA-AC選擇的長度約束Lb=750。

圖8 LHPMA與其他方法的性能對比

由圖8可以看出，LHPMA-AC、HPMA-AC、AC-GPU和AC-CPU的吞吐量分別為13.8、12.7、5.9和4.6 Gbps，表明LHPMA-AC比HPMA-AC增強(qiáng)了性能。這是由于LHPMA-AC比HPMA-AC增加了LBSA算法，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有效載荷長度約束對傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類，較長的數(shù)據(jù)包分配至CPU主存儲器中的預(yù)過濾緩沖區(qū)中，憑借CPU更強(qiáng)的處理能力可以對較長的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測，而較短的數(shù)據(jù)包分配至CPU主存儲器中的全匹配緩沖區(qū)中，憑借GPU更強(qiáng)的多線程并行處理能力可以對較短的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測，從而減少GPU并行處理的有效載荷長度多樣性。同時，LHPMA-AC分別比僅適用GPU-AC和僅適用CPU-AC方法高出了2.3和3.0倍。這是由于LHPMA-AC綜合了CPU較強(qiáng)的處理能力和GPU并行處理能力，提升了CPU/GPU協(xié)同檢測網(wǎng)絡(luò)入侵的性能。

4 結(jié)束語

本文提出了一種具有數(shù)據(jù)包有效載荷長度約束的CPU/GPU混合模式匹配算法(LHPMA)來設(shè)計NIDS，提高了輸入流量中各種有效載荷長度情況下的入侵檢測效率。通過預(yù)先設(shè)定長度約束分離算法(LBSA)對傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類，減少有效載荷長度的多樣性。將較長的數(shù)據(jù)包分配給CPU主存儲器的預(yù)過濾緩沖區(qū)中，直接由CPU訪問數(shù)據(jù)包并根據(jù)查找表對數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)過濾，并將預(yù)過濾的數(shù)據(jù)包也發(fā)送至全匹配緩沖區(qū)。同時，將較短的數(shù)據(jù)包分配給CPU主存儲器的全匹配緩沖區(qū)中，并發(fā)送至GPU設(shè)備內(nèi)存中，結(jié)合AC算法對GPU紋理內(nèi)存中存儲的可疑數(shù)據(jù)包進(jìn)行全模式匹配，提升了CPU/GPU協(xié)同檢測網(wǎng)絡(luò)入侵的性能。實驗結(jié)果表明，在LBSA算法中選擇適當(dāng)?shù)拈L度約束，可以有效提升LHPMA的性能，并且LHPMA的性能優(yōu)于HPMA以及CPU和GPU的單獨處理方法。未來的研究中，將致力于分析輸入流量中不同有效載荷長度分布情況，改進(jìn) LHPMA方法對CPU/GPU協(xié)同處理網(wǎng)絡(luò)入侵的性能。