基于樹莓派的課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

范魯寧　張世波　艾雨兵

摘要：該文是《網(wǎng)絡(luò)信息安全》課程教學(xué)改革研究的階段性研究報(bào)告。該課題研究目的：為了更方便的實(shí)施網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生軟硬件動手能力，提高教學(xué)效果。研究方法：根據(jù)現(xiàn)有的樹莓派開發(fā)板、nodejs服務(wù)器以及App Inventor2安卓開發(fā)平臺等相關(guān)技術(shù)資料和設(shè)備，課題組教師開發(fā)大型實(shí)驗(yàn)，并拍攝教學(xué)視頻。階段性研究結(jié)果：目前已經(jīng)成功開發(fā)了兩個(gè)大型實(shí)驗(yàn)：無線監(jiān)控樹莓派和樹莓派上的打地鼠游戲。結(jié)論：基于樹莓派開發(fā)板的對于《網(wǎng)絡(luò)信息安全》的實(shí)驗(yàn)開發(fā)是完全可行的，并且具有無限擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；樹莓派；安卓；服務(wù)器端

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）35-0058-03

《網(wǎng)絡(luò)信息安全》這門課涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、密碼技術(shù)、信息安全技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、數(shù)論、信息論等綜合性知識。為了讓學(xué)生能夠系統(tǒng)性地將這些知識串聯(lián)起來，需要有一個(gè)統(tǒng)一的集成化的平臺去實(shí)現(xiàn)或者印證這些理論。

從學(xué)校教學(xué)來看，普通本科單純的課堂理論化教學(xué)和分散的小型實(shí)驗(yàn)對大專、高職院校來說并不是十分適合。首先，學(xué)生不具備很強(qiáng)的理論學(xué)習(xí)能力，他們對深奧的數(shù)學(xué)理論和復(fù)雜的編程思想缺乏扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)起來十分費(fèi)勁。其次，大專、高職院校的學(xué)生將來要直接進(jìn)入企業(yè)第一線工作，相對實(shí)用的成套的技術(shù)對他們來說更有用，經(jīng)過一系列設(shè)備的配置、安裝以及簡單的程序編寫完成一個(gè)看得見摸得著的作品會讓他們有強(qiáng)烈的成就感。普通教材中的實(shí)驗(yàn)往往是零時(shí)安裝一個(gè)現(xiàn)成的程序，然后輸入“配置”數(shù)據(jù)、點(diǎn)擊“下一步”、“確定”。這種模式不能讓學(xué)生掌握到核心的技術(shù)，即使要做一些變通也無從下手。另外，普通學(xué)校機(jī)房缺乏有效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生機(jī)上安裝的系統(tǒng)比較單一，一般會附帶保護(hù)卡和系統(tǒng)恢復(fù)機(jī)制，不允許隨便修改系統(tǒng)設(shè)置，不僅安裝不同的系統(tǒng)是不被允許的，而且練習(xí)具備破壞性的網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)也會對機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成破壞，使得其他教學(xué)活動不能順利進(jìn)行。

樹莓派：

因此針對《網(wǎng)絡(luò)信息安全》這門課，一個(gè)新的能夠模仿物聯(lián)網(wǎng)模式連接各種不同設(shè)備、搭載不同系統(tǒng)的教學(xué)平臺以及更加集成化和項(xiàng)目化的教學(xué)模式呼之欲出。為此，本課題組成員計(jì)劃采用市面上一款叫樹莓派的新產(chǎn)品作為核心設(shè)備來嘗試實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

1 研究技術(shù)材料和方法介紹

本文會涉及一些新的技術(shù)，如：樹莓派開發(fā)板、基于java script腳本語言的用于小型服務(wù)器開發(fā)的新技術(shù)以及麻省理工大學(xué)出品的用于教育領(lǐng)域的Android應(yīng)用程序開發(fā)平臺，因此先在這個(gè)章節(jié)做一些簡單介紹。

1.1 RaspberryPi

樹莓派這個(gè)聽起來像一種國外烘培產(chǎn)品的名字其實(shí)是一種小型的卡片式的電腦主板，需要另外添加顯示屏、鍵盤、鼠標(biāo)、電源、無線網(wǎng)卡等外部設(shè)備才能夠真正的正常運(yùn)行[1]。雖然有些折騰，但是能給學(xué)生一個(gè)動手的機(jī)會，讓他們更好的理解計(jì)算機(jī)的組成。

除了提供硬件組裝的動手機(jī)會，它的軟件運(yùn)行也具備許多優(yōu)勢。普通學(xué)校機(jī)房的裝機(jī)實(shí)踐證明，即使使用虛擬機(jī)等軟件也會和某些教學(xué)管理軟件產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行，影響教學(xué)效果。

樹莓派開發(fā)板可以安裝類似于Linux的操作系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)一系列好玩的實(shí)驗(yàn)。例如：配置一個(gè)無線的監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的攝像監(jiān)控記錄動作圖片和視頻，甚至可以通過手機(jī)來訪問這個(gè)攝像監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。這當(dāng)中要涉及操作系統(tǒng)安裝、網(wǎng)絡(luò)配置、系統(tǒng)更新和插件安裝配置、攝像頭的安裝配置、自動發(fā)送郵件的配置等等一系列可以進(jìn)行教學(xué)的內(nèi)容，形成一個(gè)完整的大型實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生接觸到軟件和硬件方面的各種知識，不同于以往的簡單操作，可以在不斷地“折騰”當(dāng)中加強(qiáng)動手能力，并可以結(jié)合其他課程的內(nèi)容，達(dá)到溫故知新的效果。

另外，低廉的價(jià)格也是樹莓派的一大優(yōu)勢，現(xiàn)在市場上成套的教學(xué)設(shè)備動不動就是幾千元、上萬元。一塊最新的第二代樹莓派國內(nèi)售價(jià)僅僅二百多元人民幣，并且可以連接筆記本電腦，通過共享網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程連接軟件就可以進(jìn)行操作，可以為學(xué)校節(jié)省大筆教學(xué)設(shè)備采購的費(fèi)用。

1.2 Appinventor2

App Inventor是由麻省理工和谷歌開發(fā)的一款A(yù)ndroid開發(fā)平臺，目前發(fā)展到第二代，具有操作簡單、可視化、模塊化、事件置頂、正確性高和便于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。使用App Inventor無需具備編程知識，也不需要記憶和編寫代碼，程序的組件和功能都存儲在模塊編輯庫中，在創(chuàng)建程序時(shí)只需將其拖拽到編輯區(qū)域進(jìn)行組合即可，用戶不需要記憶如何輸入指令或參考任何編程設(shè)計(jì)手冊[3]。因此，非常適合用于教學(xué)上的項(xiàng)目快速開發(fā)，讓學(xué)生接觸到手機(jī)應(yīng)用開發(fā)的全新領(lǐng)域。

1.3 Nodejs

既然是網(wǎng)絡(luò)安全課程，肯定少不了網(wǎng)絡(luò)知識。在這里，課題組采用最新的服務(wù)器后臺框架技術(shù)Nodejs，這是一種用Java script作為編寫語言的服務(wù)器框架，使用事件驅(qū)動，非阻塞I/O模型而得以輕量和高效，非常適合用于小型網(wǎng)站或輕量級數(shù)據(jù)交換應(yīng)用的開發(fā)[4]。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹

課題組研發(fā)了以下兩個(gè)較為綜合性的大型實(shí)驗(yàn)，作為課堂教學(xué)所用。一個(gè)是偏向硬件和網(wǎng)絡(luò)配置方向的“無線監(jiān)控樹莓派”，另一個(gè)是偏向軟件編程和手機(jī)應(yīng)用開發(fā)的“樹莓派上的打地鼠游戲”。

2.1 無線監(jiān)控樹莓派

這個(gè)大型實(shí)驗(yàn)由兩部分組成，一個(gè)是“無線”，另一個(gè)是“監(jiān)控”。這里所謂的“無線”，就是可以脫離網(wǎng)線、電源線、顯示屏、鍵盤、鼠標(biāo)的鏈接，獨(dú)立運(yùn)行，并可以通過遠(yuǎn)程以可視化或字符狀態(tài)登錄系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)“無線”的操作步驟如下：

1）更新系統(tǒng)，首先要保證樹莓派上的系統(tǒng)是最新版的Raspbian，通過命令$sudoapt-get update實(shí)現(xiàn)。

2）架設(shè)遠(yuǎn)程桌面服務(wù)，這一步是為了移除顯示器的連接線，原來我們剛使用樹莓派的時(shí)候，都是通過HDMI高清線連接在電視機(jī)上的，使用非常不方便。這里我們使用VNC服務(wù)器，通過這個(gè)遠(yuǎn)程連接，使用者可以在筆記本電腦上可視化登陸樹莓派的操作界面。

3）為樹莓派添加無線網(wǎng)卡。我們從樹莓派專賣店中采購了專用的無線網(wǎng)卡EP-N8508GS，以便開發(fā)板能夠輕松識別它。通過USB接口連接以后，需要通過網(wǎng)絡(luò)配置文件配置無線網(wǎng)卡的IP地址。最好設(shè)置成靜態(tài)的IP地址，以便我們每次登錄的時(shí)候直接連接，不需要再通過ARP命令查詢樹莓派的IP地址。

4）最后要移除電源插頭。由于樹莓派使用的是5V的電源和1到2A的電流，我們可以使用充電寶來代替電源插頭。做完以上這些，樹莓派就真的可以揣在口袋里到處走了。

實(shí)現(xiàn)“監(jiān)控”則更加有趣和實(shí)用一些，它的步驟如下：

1）安裝攝像頭，可以是普通的USB攝像頭，也可以是樹莓派專用的串口攝像頭。連接上以后通過dmesg命令查看設(shè)備連接和辨識情況。一般攝像頭在系統(tǒng)中以文件video0的名字出現(xiàn)。

2）安裝和配置motion運(yùn)動捕捉應(yīng)用程序。使用sudoapt-get install motion命令，自動從網(wǎng)上下載并安裝程序。安裝完畢后，需要設(shè)置照片和視頻的存放地址、調(diào)整畫面的高度、寬度和幀率，默認(rèn)是每秒鐘捕捉兩張圖片，圖片大小為320像素×240像素，文件大小約為12KB。另外還要配置捕捉的敏感度threshold，也就是有多大幅度的動作才會被攝像頭抓拍下來，有一個(gè)數(shù)值來控制它，當(dāng)motion發(fā)現(xiàn)圖像的變化超過該值時(shí)將會捕捉畫面，數(shù)值越大，敏感度越低。

3）為了讓以上這些步驟實(shí)現(xiàn)自動化，我們還需要設(shè)計(jì)一個(gè)腳本程序?qū)崿F(xiàn)以下目標(biāo)[2]：只發(fā)送最新由motion捕捉的圖像，程序可以一直在后臺運(yùn)行，刪除已經(jīng)發(fā)送的圖片，避免空間浪費(fèi)。腳本采用系統(tǒng)自帶的shell語言編寫，按順序集成了一系列的系統(tǒng)命令，監(jiān)控存放圖片的文件夾，并及時(shí)發(fā)送到設(shè)置好的郵箱地址當(dāng)中，然后刪除已經(jīng)發(fā)送的圖片。

這個(gè)大型實(shí)驗(yàn)需要5次課程的實(shí)驗(yàn)來完成，其中涉及操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、硬件組裝技術(shù)等知識點(diǎn)，是一個(gè)較為全面和綜合的內(nèi)容。期間需要學(xué)生大量的動手和解決出現(xiàn)的各種問題。后續(xù)也可以加入其他內(nèi)容，如添加溫度濕度傳感器、被動紅外傳感器，通過命令行的方式遠(yuǎn)程測試環(huán)境[2]。

2.2 樹莓派上的打地鼠游戲

本實(shí)驗(yàn)結(jié)合了打地鼠游戲，Nodejs服務(wù)器，MySQL數(shù)據(jù)庫，以及樹莓派這些軟硬件組件。游戲本身由MITAppinventor2開發(fā)，它的服務(wù)器現(xiàn)在已經(jīng)移植到廣州教育局的服務(wù)器上（app.gzjkw.net），訪問速度比以前快了很多。Nodejs服務(wù)器和MySQL數(shù)據(jù)庫將會部署在樹莓派上記錄游戲者分?jǐn)?shù)從高到低的排列，保證在WIFI環(huán)境下任何手機(jī)都能訪問該服務(wù)器，并保證數(shù)據(jù)記錄不丟失。

1）經(jīng)典老游戲的復(fù)活

“打地鼠”游戲的靈感來自一款經(jīng)典的街機(jī)游戲，其中的小動物會突然從洞中冒出，玩家則用木槌擊打它們，擊中得分。

手機(jī)上的“打地鼠”應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)以下功能：一只地鼠隨機(jī)出現(xiàn)在屏幕上，每秒鐘移動一次；如果手指觸碰到地鼠，則讓設(shè)備震動，顯示的命中數(shù)加1，地鼠隨機(jī)移動到一個(gè)新位置；添加另一個(gè)地雷的圖片：用戶不許碰到它，如果碰到將會受到懲罰，減少得分或結(jié)束游戲；點(diǎn)擊“重新開始”按鈕，游戲重新開始，命中和失敗的計(jì)數(shù)歸零。界面組件設(shè)計(jì)如下圖所示，而邏輯設(shè)計(jì)部分的功能模塊主要包括：游戲界面初始化、地鼠隨機(jī)移動、游戲倒計(jì)時(shí)和游戲結(jié)束這幾個(gè)模塊，充分利用計(jì)時(shí)器的功能來控制圖片的移動和游戲的計(jì)時(shí)。

2）在樹莓派上架設(shè)服務(wù)器和部署MySQL數(shù)據(jù)庫

為了讓游戲者的得分紀(jì)錄能夠長期保存，并且讓網(wǎng)絡(luò)中的其他參與人員看到得分排行，就需要用到服務(wù)器端來查詢和存儲數(shù)據(jù)。為了減輕樹莓派的負(fù)擔(dān)，加快運(yùn)行速度，我們應(yīng)用了小型的基于Nodejs技術(shù)的服務(wù)器端，并創(chuàng)建MySQL數(shù)據(jù)表來存儲游戲得分，當(dāng)游戲結(jié)束并存儲得分后，服務(wù)器會將重新得到的記錄進(jìn)行排序[5]，得出一個(gè)從高到低的得分排名。

樹莓派功耗小，占用體積少，只要在WIFI環(huán)境下連接電源就可以開啟服務(wù)器，當(dāng)然要在系統(tǒng)中設(shè)置好自動啟動服務(wù)器應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

3 總結(jié)和展望

以上介紹的這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都強(qiáng)調(diào)了硬件和軟件的動手能力，從趣味性和實(shí)用性兩方面對原有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)。為了讓學(xué)生更好地在課后完成實(shí)驗(yàn)，用最新的視頻制作軟件Camtasiastudio8.5錄制的教學(xué)視頻也已經(jīng)完成。實(shí)驗(yàn)課程的成功開發(fā)，證明在其他課程內(nèi)容上采用樹莓派作為平臺是可行的。課題組將會繼續(xù)探索和開發(fā)合適的內(nèi)容作為《網(wǎng)絡(luò)信息安全》這門必修課的項(xiàng)目化教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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