網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的綜合教學(xué)實(shí)踐研究

摘要：網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議是信息安全方向的核心課程。安全協(xié)議的設(shè)計(jì)和分析是教學(xué)實(shí)踐的兩大目標(biāo)，但目前國(guó)內(nèi)安全協(xié)議的專業(yè)教材寥寥無(wú)幾，給教學(xué)和實(shí)踐帶來(lái)較大困難。文章提出一套綜合教學(xué)實(shí)踐方法，緊扣安全協(xié)議設(shè)計(jì)和分析的教學(xué)目標(biāo)，涵蓋安全協(xié)議的形式化分析理論、安全協(xié)議的工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及協(xié)議的性能分析等實(shí)踐方法，可使學(xué)生全面了解和掌握安全協(xié)議的理論框架，并從工程角度獲得安全協(xié)議的實(shí)施技術(shù)。

關(guān)鍵詞：安全協(xié)議；協(xié)議分析；協(xié)議設(shè)計(jì)；性能分析

0 引言

安全協(xié)議理論與技術(shù)是信息安全的基礎(chǔ)和核心內(nèi)容之一也是信息安全領(lǐng)域最復(fù)雜的研究和應(yīng)用難題。安全協(xié)議融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和密碼學(xué)兩大應(yīng)用。教學(xué)實(shí)踐表明，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程教學(xué)碰到的最大問(wèn)題在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議的抽象性無(wú)法使學(xué)生徹底理解和掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作流程；密碼學(xué)課程的教學(xué)則容易陷入密碼算法的理論學(xué)習(xí)而使學(xué)生無(wú)法體會(huì)密碼技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，有效開(kāi)展安全協(xié)議設(shè)計(jì)和分析的教學(xué)實(shí)踐不僅可作為信息安全的入門(mén)基礎(chǔ)，還可成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和密碼學(xué)課程內(nèi)容相結(jié)合的深化教學(xué)。

1 安全協(xié)議的教學(xué)現(xiàn)狀

近幾年，信息安全作為一個(gè)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)在國(guó)內(nèi)興起，對(duì)信息安全的產(chǎn)、學(xué)、研一體化發(fā)展起到較大推動(dòng)作用，使我國(guó)的信息安全技術(shù)突飛猛進(jìn)，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是，由于信息安全是一個(gè)新興的方向，專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)方面尚無(wú)太多的積累，還處于不斷的摸索和改革之中。概括地講，目前關(guān)于安全協(xié)議的教學(xué)存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)安全協(xié)議的教學(xué)定位不明確

當(dāng)前，有關(guān)信息安全的教材層出不窮，普遍被認(rèn)同的教學(xué)內(nèi)容主要包括：密碼學(xué)、密鑰管理、訪問(wèn)控制、防火墻、入侵檢測(cè)、信息安全模型與管理，以及信息安全相關(guān)法律等。安全協(xié)議滲透在密碼學(xué)、密鑰管理、訪問(wèn)控制等教學(xué)內(nèi)容中，提出作為獨(dú)立課程者甚少。縱使學(xué)生理解密碼學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，也難以系統(tǒng)掌握安全協(xié)議的原理與技術(shù)。

(2)缺乏通俗易懂的安全協(xié)議教材

目前為止，面向信息安全專業(yè)的安全協(xié)議教材僅出現(xiàn)過(guò)兩本。一為中科院信息安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室撰寫(xiě)的《安全協(xié)議理論與技術(shù)》，全面介紹安全協(xié)議的形式化分析理論和方法；另一本為國(guó)內(nèi)信息安全專家卿斯?jié)h編著的《安全協(xié)議》，主要內(nèi)容包含了作者多年來(lái)從事安全協(xié)議的研究成果。兩本教材的共同點(diǎn)是內(nèi)容相對(duì)集中在較高的學(xué)術(shù)研究水平上，主要圍繞形式化理論分析技術(shù)，忽視了作為大學(xué)教材的通讀性特點(diǎn)。因此，針對(duì)安全協(xié)議的設(shè)計(jì)和分析，尚無(wú)適合基礎(chǔ)教學(xué)的教程。

(3)安全協(xié)議教學(xué)的實(shí)用性不強(qiáng)

眾多高校開(kāi)展安全協(xié)議相關(guān)內(nèi)容教學(xué)，通常以詳細(xì)介紹流行的安全協(xié)議實(shí)例為主，如講解SSL、SET、PKI協(xié)議等原理和流程，尚未給出實(shí)現(xiàn)安全協(xié)議的工程方法及安全協(xié)議設(shè)計(jì)的要點(diǎn)等實(shí)踐方法。這使學(xué)生停留在安全協(xié)議理論模型的認(rèn)識(shí)上，無(wú)法掌握實(shí)現(xiàn)安全協(xié)議的相關(guān)技術(shù)。

因此，基于安全協(xié)議課程的重要性和教學(xué)現(xiàn)狀，有必要尋求一種綜合教學(xué)實(shí)踐方法，倡導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)安全協(xié)議、靈活運(yùn)用理論和工程相結(jié)合的方法分析安全協(xié)議，幫助學(xué)生快速掌握安全協(xié)議的基本原理與應(yīng)用技術(shù)。

2 安全協(xié)議的綜合教學(xué)實(shí)踐方法

鑒于安全協(xié)議的設(shè)計(jì)和分析兩個(gè)關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)的融合，綜合教學(xué)和實(shí)踐框架。型庫(kù)。根據(jù)各個(gè)安全協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，提煉和總結(jié)安全協(xié)議設(shè)計(jì)的一般方法，并作為設(shè)計(jì)規(guī)則歸入安全協(xié)議設(shè)計(jì)方法集以傳授給學(xué)生；同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上，由教師簡(jiǎn)化協(xié)議模型，設(shè)計(jì)完成特定安全功能的安全協(xié)議需求，供安全協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)參考，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建安全協(xié)議自主設(shè)計(jì)命題庫(kù)。

從自主設(shè)計(jì)題庫(kù)中選取安全協(xié)議設(shè)計(jì)需求，在通用的安全協(xié)議設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)下，學(xué)生開(kāi)始自主設(shè)計(jì)安全協(xié)議。當(dāng)然，有必要時(shí)需在安全協(xié)議設(shè)計(jì)之前開(kāi)展相關(guān)的密碼學(xué)預(yù)備知識(shí)講解。

學(xué)生在完成安全協(xié)議的設(shè)計(jì)雛形后，開(kāi)始學(xué)習(xí)運(yùn)用各種形式化分析方法，如模態(tài)邏輯、代數(shù)系統(tǒng)等，對(duì)自己設(shè)計(jì)的安全協(xié)議進(jìn)行安全性邏輯分析，找到安全不足之處，并反饋回協(xié)議設(shè)計(jì)階段重新修改協(xié)議模型，直到在形式化分析工具的支持下，安全協(xié)議滿足預(yù)定的安全需求時(shí)得到最終的協(xié)議設(shè)計(jì)框架。

針對(duì)自主設(shè)計(jì)的安全協(xié)議，進(jìn)一步利用現(xiàn)有的密碼開(kāi)發(fā)工具包，包括開(kāi)源的密碼庫(kù)如openssl、cryptlib等(或自主開(kāi)發(fā)密碼包)，開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)已設(shè)計(jì)的安全協(xié)議，并在相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行和測(cè)試安全協(xié)議。

安全性分析對(duì)安全協(xié)議至關(guān)重要，而協(xié)議執(zhí)行的性能和穩(wěn)定性分析在工程實(shí)踐上是必要的。因此，學(xué)生需配套學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析的方法，主要通過(guò)協(xié)議分析工具如著名的sniffer等，在安全協(xié)議的測(cè)試平臺(tái)上對(duì)協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)抓包分析，并運(yùn)用基于網(wǎng)絡(luò)原理的各種分析和統(tǒng)計(jì)方法，給出自主設(shè)計(jì)的安全協(xié)議執(zhí)行性能分析報(bào)告。若安全協(xié)議在執(zhí)行性能和穩(wěn)定性方面無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，則重新回到協(xié)議設(shè)計(jì)階段修正安全協(xié)議設(shè)計(jì)。

通過(guò)安全協(xié)議設(shè)計(jì)和分析的綜合實(shí)踐過(guò)程，最終得到符合設(shè)計(jì)要求的安全協(xié)議集。鑒于教學(xué)積累考慮，可將自主設(shè)計(jì)的安全協(xié)議模型添加到安全協(xié)議自主設(shè)計(jì)命題庫(kù)，以備后續(xù)教學(xué)實(shí)踐。

3 綜合教學(xué)方法的特點(diǎn)

(1)發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺(jué)性

以自主設(shè)計(jì)命題的形式引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)安全協(xié)議的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)，可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主思維和相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)積極性。如安全協(xié)議的設(shè)計(jì)過(guò)程利于學(xué)生學(xué)習(xí)一般的協(xié)議設(shè)計(jì)方法；協(xié)議的分析過(guò)程幫助學(xué)生理解和掌握形式化分析技術(shù)；協(xié)議的測(cè)試和性能分析則培養(yǎng)學(xué)生利用密碼技術(shù)開(kāi)發(fā)安全協(xié)議的工程設(shè)計(jì)能力。

(2)支持學(xué)生的學(xué)習(xí)協(xié)作性

安全協(xié)議綜合實(shí)踐的過(guò)程既可指定學(xué)生單獨(dú)完成，也可讓學(xué)生分組合作，共同完成協(xié)議的設(shè)計(jì)和分析任務(wù)。如四個(gè)學(xué)生可分別擔(dān)任協(xié)議設(shè)計(jì)、安全分析、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試、性能分析四項(xiàng)工作，以此鍛煉學(xué)生的自主研究和項(xiàng)目協(xié)作能力。

(3)知識(shí)點(diǎn)的綜合和交叉

自主安全協(xié)議設(shè)計(jì)和分析過(guò)程包括標(biāo)準(zhǔn)模型簡(jiǎn)化、協(xié)議設(shè)計(jì)、形式化分析技術(shù)、密碼庫(kù)開(kāi)發(fā)和調(diào)用技術(shù)，及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析等技術(shù)，可充分體現(xiàn)安全協(xié)議技術(shù)涵蓋知識(shí)面的綜合性，使學(xué)生全面認(rèn)識(shí)信息安全的實(shí)施過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議課程教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)教學(xué)面臨的問(wèn)題，給出了綜合的集成式教學(xué)實(shí)踐方案，有效地將安全協(xié)議相關(guān)的理論和技術(shù)實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生全面理解和掌握網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的模型和應(yīng)用。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明，使用綜合教學(xué)方法可使學(xué)生快速把握安全協(xié)議的設(shè)計(jì)和分析方法，利于引導(dǎo)參與相關(guān)科研項(xiàng)目的研究。