基于FPGA的高速网络数据包过滤方法研究与实现

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1、密级桂林电子科技大学硕士学位论文题目基于FPGA的高速网络数据包过滤方法研究与实现（英文）ResearchandImplementationoftheHigh-speedNetworkDataPacketFilteringMethodbasedonFPGA研究生学号:122081908研究生姓名:曾小宝指导教师姓名、职务:王勇教授申请学位门类:工学硕士学科、专业名称:控制科学与工程提交论文日期:2015年4月论文答辩日期:2015年6月摘要摘要随着互联网的高速发展，各种网络应用类型层次不穷，信息量以摩尔定律的速度快速增长，信息安全日益成为信息系统的关

2、键点之一。为解决病毒、网络攻击等带来安全问题，数据包过滤技术应运而生。对于网络带宽快速升级，现有软件方式的数据包过滤方法难以适应高速网络过滤需求，因此，人们提出了基于硬件的过滤方法。但对于硬件实现而言，存储空间不足是一个瓶劲。为此，本文将设计一种基于FPGA的网络数据包过滤系统，该系统采用位存储和双CAM存储方法解决了存储空间不足问题。本文的基于FPGA的网络数据包过滤系统采用两级串行过滤方式。第一级根据数据包IP地址进行过滤，采用位存储过滤规则集。采用IP地址直接寻址方式读取过滤控制位，上位机实时在线配置过滤规则集，同时网络特征从FPGA传输到上位

3、机实时显示，使得系统具有较强的灵活性，可以快速过滤网络数据包；第二级通过检测TCP流状态完整性进行过滤，设计出一种双CAM存储TCP流状态信息的方法以实现状态完整性检测，其中双CAM的内容和地址相互访问，充分高效利用有限的CAM空间，实现海量TCP流的完整性检测。本论文的主要工作内容和创新点如下：（1）论述安全过滤系统的背景及国内外研究现状，分析和比较各种网络数据包过滤方法优缺点。（2）介绍斯坦福大学设计NetFPGA硬件平台上网络数据处理模型思想及关键技术。（3）设计一种采用基于IP地址直接寻址位存储空间的网络数据包过滤方法，上位机可在线配置过滤规

4、则集和实时统计显示网络特征。（4）提出一种基于双CAM的TCP流状态完整性检测方法，双CAM的地址和内容相互访问，提高了CAM存储空间利用效率，可满足大量流状态检测。（5）在斯坦福大学开发的NetFPGA2.1平台上实现了基于IP直接寻址位存储过滤规则集的数据包过滤和网络特征实时显示。（6）搭建测试环境，对实现的数据包过滤过滤系统进行测试，分析和总结了测试结果，最后总结本论文所完成的工作及展望。本文是在斯坦福大学设计的NetFPGA2.1平台上进行原型系统设计与实现，从系统设计到各个模块的硬件实现细节进行了详细的描述，测试结果显示，与纯软件相比具有较

5、高的吞吐量，过滤正确率较高，延时小，在千兆网络环境下可实时在线过滤。关键字：FPGA、NetFPGA、数据包过滤、状态检测、网络安全。IAbstractAbstractWiththerapiddevelopmentofInternet,allkindsofnetworkapplicationtypesappear，theamountofinformationshowsasharpincreaseatthespeedofMoore'slaw，informationsecurityhasbecomeoneofkeypointsoftheinformati

6、onsystem.Inordertosolvethesecurityproblembroughtbyvirusesandnetworkattacksdatapacketfilteringtechnologyemerged.However,inthefaceoftherapidupgradingofnetworkbandwidth,theexistingsoftwareimplementationmodeisdifficulttoadapttohigh-speednetworkfilteringrequirement.Thus,filteringmet

7、hodbasedonhardwarewasproposed.Butforhardwarerealizationmethod,theinsufficientstoragespaceisalwaysabottleneck.Forthat,thispaperwilldesignanetworkpacketfilteringsystembasedonFPGA,whichusesbitstorageanddoubleCAMstoragemethodtosolvetheproblemofinadequatestoragespace.Inthispaper,the

8、networkpacketfilteringsystembasedonFPGAwhichadoptstwol