網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)課程中競(jìng)技教學(xué)的應(yīng)用

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摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題的日漸嚴(yán)峻，對(duì)學(xué)生能力要求不斷提高，教學(xué)理論與企業(yè)應(yīng)用實(shí)際相脫離。針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的諸多問(wèn)題，本文以虛擬云平臺(tái)技術(shù)為依托，提出競(jìng)技教學(xué)的方式，探析網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的教學(xué)模式與應(yīng)用，通過(guò)實(shí)際案例，優(yōu)化現(xiàn)有的教學(xué)體系，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：云平臺(tái)；競(jìng)技教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)模式

1前言

網(wǎng)絡(luò)安全課程是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要分支，網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論轉(zhuǎn)化為能力的重要途徑，對(duì)學(xué)生實(shí)際掌握網(wǎng)絡(luò)攻防的手段具有重要意義。但目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不甚明顯，理論與實(shí)際脫離較為明顯。競(jìng)技教學(xué)是解決上述問(wèn)題的有效方法。本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全課程所需要的基礎(chǔ)理論及系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)聯(lián)系理論與實(shí)際應(yīng)用能力效果較為明顯。

2教學(xué)現(xiàn)狀及分析

網(wǎng)絡(luò)安全教學(xué)的目的，是為了讓學(xué)生充分理解網(wǎng)絡(luò)空間安全在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的價(jià)值。因此，學(xué)生必須掌握最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法、數(shù)據(jù)庫(kù)原理、編程原理及代碼分析、病毒的原理及防范手段，然后從OSI七層模型入手，了解各層次的協(xié)議。掌握這些理論知識(shí)后，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)空間安全實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐時(shí)，才能游刃有余，知曉每個(gè)攻防實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)涉及到的理論，也能更好地發(fā)揮主觀能動(dòng)性來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的攻擊和防御。這需要學(xué)生個(gè)人足夠努力且教師能充分地把知識(shí)點(diǎn)傳達(dá)給學(xué)生[1]。但目前的教學(xué)現(xiàn)狀是兩極分化。首先是自制力足夠強(qiáng)的學(xué)生[2]，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全有興趣，能主動(dòng)學(xué)習(xí)課程，理論知識(shí)足夠充分。但是由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境限制，無(wú)法將理論充分發(fā)揮，他們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)尋找教程和視頻，才能掌握多一些實(shí)踐內(nèi)容，他們對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全的體系架構(gòu)基本能掌握八至九成。這部分學(xué)生往往只占3%-10%。另外一大部分學(xué)生由于缺少主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，對(duì)課程掌握只求及格，大多依靠考試前的沖刺掌握理論知識(shí)。在平時(shí)的課程實(shí)驗(yàn)中，也未用心研究，只根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不會(huì)主動(dòng)擴(kuò)展，教師也無(wú)太多精力去引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我拓展。因此這些學(xué)生實(shí)踐能力薄弱，達(dá)不到企業(yè)的聘任要求。

3競(jìng)技教學(xué)的應(yīng)用

3.1競(jìng)技教學(xué)的優(yōu)勢(shì)與意義

競(jìng)技教學(xué)是通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，設(shè)置各組的目標(biāo)，分別扮演入侵者和防御者角色，教師記錄學(xué)生的操作，在攻防時(shí)間結(jié)束后提供技術(shù)講解，學(xué)生使用各自在課堂外獲取的理論、實(shí)踐知識(shí)進(jìn)行對(duì)抗。攻防在一定課時(shí)之后可以進(jìn)行輪換攻守雙方的角色，達(dá)到均鍛煉攻守的目的。該方法的優(yōu)勢(shì)在于：（1）能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱忱，利用學(xué)生的求勝和獵奇心理，達(dá)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的目的。（2）課前課后提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境和理論知識(shí)的視頻，節(jié)省了學(xué)生尋找學(xué)習(xí)資源所浪費(fèi)的時(shí)間。（3）節(jié)省了教師重復(fù)講解所使用的大量時(shí)間，可以讓教師把時(shí)間更精準(zhǔn)地使用在重點(diǎn)和難點(diǎn)上。（4）在課間分析流程的時(shí)候，教師可以通過(guò)模擬環(huán)境，方便硬件、系統(tǒng)、軟件、人力等資源的管理，更為方便直觀地指出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全法，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間安全觀具有極大的益處。（5）能引導(dǎo)學(xué)生由學(xué)習(xí)向競(jìng)賽發(fā)展。通過(guò)參賽既能提高技能、知曉自身水平，又能獲得獎(jiǎng)勵(lì)增強(qiáng)自信心，還能見(jiàn)識(shí)到企業(yè)正在應(yīng)用的前沿及主流技術(shù)，讓學(xué)生在就業(yè)時(shí)能更快地融入到工作中去。

3.2競(jìng)技教學(xué)平臺(tái)的搭建

考慮到網(wǎng)絡(luò)空間安全教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需求，要求學(xué)生使用的平臺(tái)具有自由性、安全性和管理便捷，可以考慮采用綠盟的ISTS信息安全實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭配ISCS信息安全攻防競(jìng)技平臺(tái)。該套設(shè)備基于KVM+Openstack技術(shù)的虛擬化調(diào)度和管理，通過(guò)對(duì)運(yùn)算資源和存儲(chǔ)設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)度及管理，達(dá)到開(kāi)機(jī)即用、結(jié)束即還原資源的效果。最重要是采用虛擬機(jī)搭配私有地址的形式，達(dá)到與原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)隔離的目的[3]。在實(shí)際使用時(shí)，可以保證網(wǎng)絡(luò)的安全，不受實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的影響。教學(xué)的設(shè)計(jì)思路可以分為三個(gè)部分：課前、課中、課后[4]。課前，可以提供給學(xué)生上課所需要的理論基礎(chǔ)內(nèi)容，可以由任課老師提前錄制好該課程的視頻上傳至云端，提供虛擬機(jī)以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，供學(xué)生課前課后使用，綠盟開(kāi)發(fā)的攻防實(shí)訓(xùn)平臺(tái)ISTS能提供此類功能。課間，同過(guò)使用綠盟的攻防競(jìng)技平臺(tái)ISCS，可以讓學(xué)生模擬掃描、分析、攻擊、收尾等入侵和防御的整個(gè)流程。對(duì)于設(shè)備的管理，將設(shè)備架設(shè)在24小時(shí)運(yùn)行的服務(wù)器機(jī)房之后，只需提供定期的安全檢查和使用資源的清單，再加上對(duì)使用用戶的增、刪、改、查，就能滿足基本的運(yùn)行條件。課中，如需采用競(jìng)技教學(xué)方式，只需通過(guò)實(shí)驗(yàn)機(jī)房的PC，再通過(guò)指定的web端[5]，就能登錄競(jìng)技平臺(tái)開(kāi)啟競(jìng)賽。設(shè)備管理員通過(guò)設(shè)置不同的登錄賬戶，分為學(xué)生、教師及管理員三個(gè)角色，達(dá)到對(duì)競(jìng)技教學(xué)實(shí)驗(yàn)的管理。而且無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)操作，只需通過(guò)遠(yuǎn)程或者提前預(yù)設(shè)，便能方便地完成教學(xué)任務(wù)。

3.3競(jìng)技教學(xué)案例分析

2019年5月，在設(shè)備架設(shè)完畢之后，導(dǎo)入了17級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)187名學(xué)生和17級(jí)網(wǎng)絡(luò)工程238名學(xué)生。就目前在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)展的教學(xué)實(shí)驗(yàn)有MySQL和SQLserver兩種數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、Linux操作系統(tǒng)、Windowsserver系列配置與管理、數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)、掃描技術(shù)、KALI滲透、病毒分析與防護(hù)、密碼學(xué)、漏洞掃描工具、應(yīng)用系統(tǒng)安全、CSRF跨站請(qǐng)求偽造、Web安全工具、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備攻擊與防御技術(shù)、wireshark工具使用及分析、入侵檢測(cè)、防火墻實(shí)戰(zhàn)等。一系列從網(wǎng)絡(luò)硬件到操作系統(tǒng)再到軟件應(yīng)用等大部分信息安全的主干課程已經(jīng)在平臺(tái)開(kāi)展。目前使用過(guò)該平臺(tái)的班級(jí)有2017級(jí)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、電子支付與安全和2018級(jí)的Linux操作系統(tǒng)等幾門課程?，F(xiàn)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的教學(xué)為例進(jìn)行分析：（1）課前：直接開(kāi)放信息安全實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的MySQL和SQLserver、目標(biāo)主機(jī)掃描、kali滲透、密碼學(xué)、操作系統(tǒng)安全、系統(tǒng)安全策略配置技術(shù)共計(jì)7門在線實(shí)訓(xùn)課程，另外結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)內(nèi)容即可完成信息收集→掃描→入侵→反思→檢測(cè)→修復(fù)的教學(xué)流程。該部分內(nèi)容，可以由學(xué)生于課前自行在網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的虛擬系統(tǒng)完成學(xué)習(xí)。（2）課中：教師可以簡(jiǎn)單講解次此課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)和手段并開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò)安全競(jìng)技平臺(tái)，開(kāi)啟單兵作戰(zhàn)模式，以兩人或單人為一組，確保所有學(xué)生能得到網(wǎng)絡(luò)隔離相對(duì)獨(dú)立的攻擊機(jī)和靶機(jī)，然后開(kāi)始在課前預(yù)習(xí)所學(xué)的攻擊流程。針對(duì)教學(xué)的時(shí)間，修改給予學(xué)生的攻擊時(shí)間。當(dāng)自由攻擊時(shí)間結(jié)束之后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的分析，從使用的攻擊手段，結(jié)合課程教學(xué)的理論進(jìn)行流程分析，并指引學(xué)生以相對(duì)應(yīng)的手段對(duì)所攻擊的系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，達(dá)到教學(xué)目的。目前已開(kāi)展的競(jìng)技教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖2所示。（3）課后：可以給學(xué)生布置作業(yè)，以回憶、記錄課堂中的攻擊和防御手段以及優(yōu)化方法為主，并提供給學(xué)生關(guān)于網(wǎng)絡(luò)信息安全競(jìng)賽的CTF大賽的一些相關(guān)網(wǎng)站，讓學(xué)生在該網(wǎng)站注冊(cè)賬號(hào)并練習(xí)。一方面熟悉理論知識(shí)，另一方面能結(jié)合理論知識(shí)對(duì)現(xiàn)今企業(yè)需求的前沿技術(shù)進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，做到回憶加深、學(xué)以致用的目的。該環(huán)節(jié)也能引起學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的思考，在持續(xù)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)之后，可以掌握基本的理論知識(shí)及前沿技術(shù)，就能嘗試對(duì)現(xiàn)有的體系進(jìn)行突破，對(duì)未知區(qū)域進(jìn)行探索，并有朝一日能發(fā)現(xiàn)更多的問(wèn)題和答案。

3.4競(jìng)技教學(xué)效果

從2019年5月設(shè)備架設(shè)至今，已經(jīng)使用競(jìng)技教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)課程統(tǒng)計(jì)425人。以電子商務(wù)安全獨(dú)立實(shí)驗(yàn)為例，班級(jí)人數(shù)34人，其中90分以上的優(yōu)秀學(xué)生為41.18%，平均分87.1，效果顯著。學(xué)生應(yīng)用能力明顯提高。通過(guò)課堂交涉獲悉，學(xué)生于課外利用碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)，使得學(xué)習(xí)時(shí)間更為充裕，重復(fù)多次學(xué)習(xí)強(qiáng)化記憶，達(dá)到熟悉理論知識(shí)的目的。并通過(guò)使用虛擬機(jī)進(jìn)行實(shí)際操作，對(duì)技術(shù)部分應(yīng)用更為嫻熟，大部分學(xué)生能達(dá)到學(xué)以致用的目的。競(jìng)技教學(xué)的應(yīng)用，充分提高了學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性，使得網(wǎng)絡(luò)安全的教學(xué)更為簡(jiǎn)潔和高效。圖3為2017級(jí)計(jì)算機(jī)9班同學(xué)成績(jī)統(tǒng)計(jì)。由于開(kāi)展競(jìng)技教學(xué)時(shí)間尚短，但已經(jīng)取得良好的教學(xué)效果。從2017級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)派出參賽學(xué)生有幾十名，已有16名進(jìn)入線下賽，或選拔賽與全國(guó)學(xué)生同臺(tái)競(jìng)技。有四位學(xué)生獲得第十二屆全國(guó)大學(xué)生信息安全競(jìng)賽創(chuàng)新實(shí)踐能力競(jìng)賽三等獎(jiǎng)。學(xué)生獲獎(jiǎng)項(xiàng)目如圖4所示。

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作者：楊欽明 顧艷春 單位：佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院