基于位分割的K步长多模式匹配算法的研究

【摘要】随着网络技术的高速发展和互联网的日益开放，网络应用日趋普及。与此同时，网络带来的攻击行为也引发了人们对网络安全问题的关注。作为维护网络安全的重要手段，入侵检测系统得到了广泛的应用。而模式匹配是入侵检测系统中最重要的一种检测技术，其创新性和有效性将成为提高入侵检测系统性能和效率的关键。论文对入侵检测系统进行了一个简单的概述，介绍了入侵检测的一般过程和分类，并阐述了模式匹配在入侵检测中的应用。此外，论文还对几种经典的模式匹配算法作了详细的介绍，其中包括BF、KMP、BM等单模式匹配算法和AC、AC_BM等多模式匹配算法。论文介绍了BloomFilter的原理及应用。BloomFilter是一种基于多个哈希函数映射压缩空间的数据结构，通过寻找一种优化的哈希查找算法可以提高BloomFilter的性能。针对现有哈希算法中链地址法处理冲突时存在查找效率低的问题，论文设计了一种改进的哈希表查询算法。经分析和实际测试表明，该算法在不增加消耗的同时降低了冲突时执行查询的查找长度，从而缩短了查询响应时间。针对经典AC算法构建的状态机内存利用率低且需要频繁访问外存的问题，论文设计了一种改进的K步长状态机。设计算法主要由以下四个模块组成：改进的AC算法、文本转换、映射机制和匹配查询。其中，改进的AC算法对原AC状态机中各个状态的输出进行了重新定义，映射机制则负责将改进的AC状态机中相应的状态信息映射到K步长状态机中。通过这种映射机制，最终生成的K步长状态机中只包含跳转和输出信息，没有失效函数。而且在状态存储时，改进的K步长状态机在原有链式存储的基础上，只保留出现过的子串输入，对于链表中未出现的子串，则借助查询算法进行处理。因此，和原来的K步长状态机相比，改进的K步长状态机占据更高的内存优势。尽管改进的K步长状态机解决了一些问题，但并没有达到最优的内存资源利用率。为此，在它的基础上，论文提出了一种基于位分割的K步长多模式匹配方法，即从位的角度出发，将原先的一个状态机分割成八个小状态机，每个状态机可以同时读取K个输入字符的K个比特位，当所有子状态机都输出匹配信号时才确定匹配。该算法有两个优点：首先，子状态机的每个状态最多只有2K种输入选择，这使得内存更加紧凑；其次，几个子状态机可以独立并行工作，加快了模式查询的速度。同时，为了避免一些不必要的查询，待匹配的字符可以先进入BloomFilter引擎过滤出可疑字符，由于BloomFilter存在假阳性误判，过滤后的字符要进行精确匹配。在文中，精确匹配由位分割状态机来完成。二者的结合从整体上提高了匹配查询的效率。
【作者】朱芳芳；
【导师】李训根；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】模式匹配；入侵检测；BloomFilter；位分割状态机；

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