基于虛擬仿真技術的網絡安全實驗教學研究

摘 要：實驗教學是應用型網絡安全人才培養(yǎng)工作中不可或缺的重要組成部分，文章針對網絡安全實踐教學的困境，對政法類院校網絡安全虛擬仿真實驗中心的建設進行了探索。在虛擬仿真實驗平臺構建、實驗教學體系設計、實驗中心管理等方面給出了建議，對網絡安全實驗教學改革有一定的促進和借鑒作用。

關鍵詞：虛擬仿真；實踐教學；實驗中心；網絡安全

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.195

1 引言

2013 年 8 月，教育部印發(fā)《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，在全國范圍內開啟了虛擬仿真實驗教學中心和示范性教學項目的建設工作。隨后，教育部于2013-2015連續(xù)三年公示立項了300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，以及2017、2018兩年對403個示范性虛擬仿真實驗教學項目的認定。這些工作大力推動了學術界、教育界、企業(yè)界對虛擬仿真實驗中心建設、虛擬仿真實踐教學模式改革等方面的研究和探索。

虛擬仿真實驗教學是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產物，不僅有助于提高學生創(chuàng)新精神和實踐能力，提高人才培養(yǎng)質量，同時也是促進高校實驗中心建設和實驗實踐教學改革。

2 網絡安全類實驗教學的發(fā)展現狀

網絡空間安全是強調實踐創(chuàng)新的專業(yè)，具有非常強的實踐性，對于新的安全技術和手段學生需要在實踐中學習、應用。目前的教學體系中普遍存在著重理論、輕實踐的現象，缺少對學生攻防實戰(zhàn)能力的培養(yǎng)；教學過程中也往往理論與實驗分離，學生不能在實驗實訓中及時得到有效的理論指導，教學效果不理想。高校的實驗室條件落后，特別是在虛擬仿真實驗室的建設上投入不足，是網絡空間安全專業(yè)的實踐教學體系難以落地的主要原因。

網絡安全實驗本身存在著一定的安全風險，很容易出現安全漏洞，如果在真實網絡中開展病毒注入、網絡攻擊等破壞性實驗，會嚴重威脅實驗室中的設備安全和管理安全，甚至釀成災難性后果。歷史上也曾有過病毒實驗樣本流出到公共網絡，造成危害的先例。將虛擬仿真技術引入安全類的實驗教學，不僅可以解決安全類實驗搭建網絡環(huán)境復雜、實驗成本高，規(guī)避潛在安全風險的難題，也能夠實現理論與實踐教學內容的一體化，對提高學生的學習興趣，實現知識的掌握與動手技能的提升。因此，在網絡安全專業(yè)的實踐教學中引入虛擬仿真實驗技術是十分必要的，也是未來實驗教學發(fā)展的必然趨勢。

隨著全社會對網絡安全重要性認識的不斷提升，安全人才的實踐能力培養(yǎng)得到了前所未有的高度重視，國內許多學者對虛擬仿真技術在網絡安全中的應用開展了相關的研究。周緋菲，潘杰等結合防火墻的工作原理和DOS nuke攻擊的特點，提出了在OPNET 環(huán)境下設計和模擬 DOS nuke 攻擊的攻防模型；陳顯濤等將NS3和HTML5、JavaScript等WEB技術結合開發(fā)了虛擬網絡實驗室及在線可視化。在云計算技術研究領域，康辰、朱志祥使用KVM虛擬機和Openstack設計了一種基于云計算技術的網絡攻防實驗平臺；底曉強等提出了基于超融合架構云計算的網絡安全實驗教學平臺建設方案，利用 Web 平臺提供實驗環(huán)境，既方便實驗資源的共享，也便于實驗平臺的維護和管理。這些成果對應用型高校網絡安全虛擬仿真實驗中心的建設工作，具有很好的參考借鑒作用。

3 網絡安全虛擬仿真實驗中心建設

基于虛擬仿真技術的實驗教學模式是適應新時代發(fā)展的實踐教學新模式，是高校當前實驗教學改革的重要課題。網絡安全虛擬仿真實驗教學中心的建設不僅是實現傳統(tǒng)網絡安全實驗教學與互聯網技術的融合，也是創(chuàng)造新的實驗教學模式，包括了實驗平臺的建設、實驗教學體系的建設、實驗項目開發(fā)和中心的開放與管理工作。

3.1 實驗平臺建設

以“211工程”“985工程”“雙一流”高校為代表的重點大學虛擬仿真實驗中心建設起步早，在國家和地方層面都獲得了比較多的政策支持和財政投入，這些高校具有先進的實驗教學理念，較強的技術實力，在實驗平臺的建設中多采用自主研發(fā)的方式，網絡安全實驗室建設水平位于全國前列，如武漢大學，電子科技大學等。但作為地方高校的一般大學，特別是文科院校，多會采用購買基于虛擬仿真技術的商用網絡攻防系統(tǒng)，用于實驗教學。商用系統(tǒng)集成度高，在教學呈現、教學管理、實驗管理方面功能全面，但在實訓環(huán)境方面存在不足，特別是對特定行業(yè)的網絡環(huán)境針對性不強。實驗中心在選擇時一方面要充分調研教學需求和安全市場技術現狀；另一方面要有一定的前瞻性和開放性，便于后期擴充和與真實物理環(huán)境的交互。

3.2 實驗教學體系建設

根據應用型網絡安全人才的培養(yǎng)目標和政法院校在“電子取證”方向培養(yǎng)特色人才的定位，我們構建了“6平臺4模塊”的網絡安全實驗教學體系，具體包括了網絡互連安全、移動終端安全、網絡攻防實戰(zhàn)、安全態(tài)勢感知、信息安全等級保護測評、電子物證取證分析6個虛擬仿真實驗平臺，可以開設物理安全、網絡安全、系統(tǒng)安全、應用安全4個領域的虛擬仿真實驗。

網絡安全領域的新技術發(fā)展迅速，針對應用實戰(zhàn)型人才的培養(yǎng)，我們將學科競賽引入實驗教學中，不僅在平臺中建有CTF模塊用于教學和競賽訓練，還在網絡攻防技術等課程的教學、考核中引入賽制環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學生的安全實戰(zhàn)對抗能力。同時，也積極嘗試校企合作共建實驗室項目，與企業(yè)聯合培養(yǎng)、評價學生，鼓勵引導學生開展課外科研項目，通過科研創(chuàng)新類實驗，實現對學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.3 實驗中心的開放與管理

“共享”即開放服務，合作共贏，這既是各級教育主管部門對虛擬仿真實驗中心建設工作中的指導要求，也是網絡安全專業(yè)自身發(fā)展的需要。實驗中心的開放一方面可以將實驗課程擴展到課外，使學生能夠線上線下同時學習，利用平臺的資源進行自主學習，參與競賽在線訓練與科學研究。另一方面，可以實現校內外、跨地區(qū)的實驗教學資源共享，滿足多地區(qū)、多學校網絡安全專業(yè)的虛擬仿真實驗需求，突出虛擬網絡與實體網絡相結合、虛擬對象與實體對象相結合、虛擬手段與實際手段相結合等實驗技術，服務于高校、企業(yè)在網絡空間安全領域的教學、科研需求，更好地實現學校的社會服務與助力區(qū)域經濟發(fā)展的職能。

傳統(tǒng)的實驗室建設和管理需要大量的人力物力，從設備的采購、維護、升級，到實驗室的管理，有時受成本預算制約，也會影響實驗教學的開展。借助虛擬仿真教學可以減少經費投入，有效控制實驗成本，開放實驗使學生、教師可以不受時空限制開展實驗學習、實施管理，將極大提高優(yōu)質實驗資源利用率。

4 結束語

實驗教學的質量關系著應用型網絡安全人才的工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力。虛擬仿真技術本身的沉浸性、交互性、逼真性等特點為網絡安全實驗教學理念、模式、方法與手段的變革提供了有利條件。結合網絡空間安全專業(yè)的建設，我們在虛擬仿真實驗中心建設、實驗教學模式改革、實驗資源開發(fā)方面積極探索，將虛擬仿真技術與教學深度融合，以期提高應用型網絡安全人才的工程實踐能力。

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基金項目：教育部產學合作協同育人項目（No.201802190014）山東省本科高校教學改革研究項目（No.M2018X279）、山東政法學院教學研究與改革項目（No.2018JGA002， No.2017JYB009）

作者簡介：尚蕾（1979-），女，山東濟南人，碩士，副教授，研究方向：網絡安全、軟件安全。