張滬寅, 陳 晶, 黃建忠, 彭紅梅
(武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院; 網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院,武漢 430072)
2013年教育部發(fā)布文件[1-3]著重強(qiáng)調(diào)要逐步建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,同時伴隨大規(guī)模開放在線課程(MOOC和MOOE)的快速發(fā)展,近幾年遠(yuǎn)程開放式虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式越來越得到關(guān)注和重視[4]。目前,國內(nèi)多所高校已經(jīng)建成了可支撐網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,成果顯著。但新的問題也隨之而來,諸如虛擬仿真專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系不完備、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享度低、有效利用率低等問題愈發(fā)明顯,最為突出的是,由于缺乏教學(xué)思路的匠心設(shè)計(jì)、研發(fā)技術(shù)不成熟等因素的限制,導(dǎo)致能夠真正鍛煉和提升學(xué)生網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)水平和職業(yè)勝任力的精良設(shè)計(jì)型、綜合型、創(chuàng)新研究型等復(fù)雜實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不足,這對于充分鍛煉學(xué)生的動手能力、思維能力、創(chuàng)新能力、利用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力,教學(xué)效果并不理想,也有悖于OBE工程科技人才培養(yǎng)理念[5-6]。因此,研發(fā)如何集知識性、趣味性、挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性于一體的復(fù)雜實(shí)驗(yàn),打造網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真“金課”,將成為網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的重中之重。本文將重點(diǎn)探討網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心針對該課題的建設(shè)成效,以及在網(wǎng)絡(luò)安全復(fù)雜實(shí)驗(yàn)研發(fā)和教學(xué)改革方面的探索嘗試和階段性創(chuàng)新成果。
網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺是一套支持大規(guī)模并發(fā)的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺,并內(nèi)置云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、信息安全等多學(xué)科的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,方便學(xué)院組建多學(xué)科交叉融合的課程體系,結(jié)合系統(tǒng)完善的學(xué)習(xí)路徑和行為、教學(xué)管理等大數(shù)據(jù)分析功能,可有效促進(jìn)和提升教師“以學(xué)生個性和興趣為基礎(chǔ)”的“因材施教”教學(xué)質(zhì)量。平臺提供的院校級教務(wù)管理決策支持服務(wù),可有效助力學(xué)校教育信息化、工程教育教學(xué)改革和高素質(zhì)泛IT技術(shù)人才培養(yǎng)。平臺特有的強(qiáng)大云融合技術(shù),支持學(xué)校建設(shè)院級、校級、區(qū)域級教學(xué)資源共享服務(wù)中心,高效推進(jìn)泛IT領(lǐng)域優(yōu)秀工程科技人才培養(yǎng),驅(qū)動武漢市、湖北省乃至全國泛IT產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
平臺是基于OpenStack云架構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn),融合SDN、KVM等虛擬化技術(shù),并根據(jù)教學(xué)場景做了大量二次開發(fā),構(gòu)建的高性能、高并發(fā)、彈性可擴(kuò)展的大規(guī)模云融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[7-10],其業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖
該平臺的云服務(wù)層由兩部分構(gòu)成:基礎(chǔ)硬件資源子層和虛擬資源子層。基礎(chǔ)硬件資源子層主要包含控制節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、存儲服務(wù)器、交換機(jī)等硬件設(shè)備及相關(guān)組網(wǎng);虛擬資源子層主要為OpenStack+KVM提供實(shí)驗(yàn)所需的虛擬資源調(diào)度、監(jiān)控,虛擬機(jī)的生命周期管理等。虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊主要實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)資源管理,以及虛擬網(wǎng)絡(luò)的二層/三層組網(wǎng)管控服務(wù)[11-14]。
網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對比實(shí)體實(shí)驗(yàn),最大的區(qū)別在于用虛擬的手段模擬了成本昂貴的實(shí)體實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)場地,節(jié)省了資金,同時帶來了教學(xué)的靈活性;避免破壞性。因此網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真教學(xué)平臺教學(xué)價值的重要性不言而喻,并具備以下優(yōu)勢和特點(diǎn):
(1) 教學(xué)方式靈活。所有實(shí)驗(yàn)資源及實(shí)驗(yàn)環(huán)境均部屬于云端,用戶無需在本地部屬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,只要網(wǎng)絡(luò)環(huán)境暢通既可啟動云端虛擬機(jī),一鍵式部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
(2) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境獨(dú)立。使用虛擬機(jī)來構(gòu)造各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境,使用Vlan、Vxlan虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境的獨(dú)立。
(3) 危險、極端實(shí)驗(yàn)環(huán)境仿真??商摂M仿真各種不可逆的危險網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
(4) 教學(xué)可實(shí)時跟蹤。提供實(shí)驗(yàn)實(shí)時錄屏功能,可記錄學(xué)生所有操作步驟,老師可以隨時檢查并糾正學(xué)生的操作錯誤。
(5) 支持實(shí)驗(yàn)快照。實(shí)驗(yàn)操作過程中可以隨時保存實(shí)驗(yàn)狀態(tài),下次可以恢復(fù)快照,繼續(xù)實(shí)驗(yàn)流程。
(6) 寫時拷貝技術(shù)。平臺使用稀疏文件技術(shù)和COW(寫時拷貝)技術(shù),最大限度節(jié)省硬件磁盤成本。
(7) 高效學(xué)習(xí)行為分析??筛鶕?jù)學(xué)生操作記錄進(jìn)行學(xué)習(xí)行為分析,形成學(xué)習(xí)用戶畫像,便于老師掌握教學(xué)效果、查漏補(bǔ)缺和因材施教,便于學(xué)生了解自己學(xué)習(xí)的優(yōu)勢和不足等具體情況。
(8) 支持區(qū)域教學(xué)資源共享服務(wù)中心功能。實(shí)現(xiàn)了校內(nèi)、校際間教學(xué)資源服務(wù)共享,打造以武漢大學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院為中心,服務(wù)于全校、武漢市乃至整個湖北區(qū)域的優(yōu)秀教學(xué)資源共享平臺。
遵循學(xué)?!昂竦螺d物”的辦學(xué)思想和“創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新人格”的教育理念,緊密結(jié)合當(dāng)前社會環(huán)境對人才需求,學(xué)院設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了覆蓋網(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)全過程的“四類型六環(huán)節(jié)”網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系,如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)4年的本科工程技術(shù)人才培養(yǎng),需要充分思考學(xué)生的入學(xué)基礎(chǔ)和個性化學(xué)習(xí)心理,制定符合學(xué)生接受水平的由易到難階梯漸進(jìn)式專業(yè)課程教學(xué)計(jì)劃。因此學(xué)院根據(jù)具體課程和集中實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的難易程度和學(xué)科知識技能范圍覆蓋度,將專業(yè)整體實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)細(xì)分為:認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和科研競賽六個環(huán)節(jié),完成四種類型實(shí)驗(yàn),分別是:專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)核心能力實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。
圖2 網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系
依托網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和多年積累的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn),學(xué)院開發(fā)了多種虛擬仿真復(fù)雜實(shí)驗(yàn)課程,基于網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)效果得到明顯提升。
網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真包括以下維度:設(shè)備仿真、場景仿真、結(jié)構(gòu)流程仿真。每種網(wǎng)絡(luò)安全試驗(yàn)仿真環(huán)境由虛擬機(jī)、設(shè)備仿真,通過拓?fù)浣M件連接,形成一套完整的仿真試驗(yàn)環(huán)境[15]。
網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的主要場景軟硬件資源編排和部署方式如圖3所示,每種實(shí)驗(yàn)場景都部署了仿真典型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)場景的設(shè)備(虛擬主機(jī))、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、軟件系統(tǒng)環(huán)境和完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)所需的多種實(shí)驗(yàn)工具[16]。
圖3 網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景軟硬件資源編排和部署原理圖
為切實(shí)保障優(yōu)質(zhì)的教學(xué)質(zhì)量和效果,網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域虛擬仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)遵循以下原則:
(1) 遵循教育心理學(xué)規(guī)律,從學(xué)習(xí)任務(wù)的利用性價值激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。
(2) 要求學(xué)生在充分理解并掌握網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)知識和技能的基礎(chǔ)上,階段性完成每個實(shí)驗(yàn)的幾個任務(wù)。完成這些任務(wù),既需要學(xué)生積極思考,又能激發(fā)學(xué)生解決網(wǎng)絡(luò)安全問題的探索欲望和學(xué)習(xí)興趣。
(3) 每門課程所有實(shí)驗(yàn)的知識技能點(diǎn)全面覆蓋課程知識技能點(diǎn),并有適度拓展和挑戰(zhàn)。
(4) 實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)置考核點(diǎn)、考核題目以及任務(wù)成績分值,系統(tǒng)自動統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)。
(5) 實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)置操作時長限制,有效督促學(xué)生高效完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。
(6) 對于抽象課程,設(shè)計(jì)可視化操作界面雙模式(可視化操作驗(yàn)證和在線編程)實(shí)驗(yàn)任務(wù),充分鍛煉學(xué)生對抽象原理的理解能力和運(yùn)用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力。
(7) 學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中可隨時進(jìn)行截圖、錄屏、記錄筆記、與老師互動交流等操作。
(8) 實(shí)驗(yàn)的步驟、報告的提交、成績的評定等可由老師針對每個實(shí)驗(yàn)靈活控制。
(9) 平臺提供關(guān)鍵詞百科功能,對關(guān)鍵詞提供有效知識鏈接,有效促進(jìn)學(xué)生的知識拓展。
學(xué)院已經(jīng)研發(fā)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全、密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)攻防、網(wǎng)絡(luò)硬件虛擬仿真等十幾門課程的虛擬仿真復(fù)雜實(shí)驗(yàn),基本覆蓋了網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)課程體系。由于每門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及教學(xué)方法均有所不同,每個實(shí)驗(yàn)在教學(xué)設(shè)計(jì)和技術(shù)呈現(xiàn)上各具特色,在此僅對網(wǎng)絡(luò)安全和密碼學(xué)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新特色進(jìn)行案例介紹和分析。
(1) 網(wǎng)絡(luò)安全漏洞挖掘和利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。漏洞挖掘?qū)嶒?yàn)旨在通過常用網(wǎng)絡(luò)掃描工具在企業(yè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場景中的應(yīng)用,讓學(xué)生深刻理解漏洞的概念、特性、必然性以及危害性,并先于攻擊者掌握漏洞挖掘和利用技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了四個實(shí)驗(yàn)任務(wù),要求學(xué)生依次完成:① 使用nmap、MSF和Metasploit進(jìn)行漏洞挖掘和利用;② 使用nikto、crunch和burpsuit進(jìn)行網(wǎng)站滲透和控制;③ 獲取webshell權(quán)限并拿到目標(biāo)機(jī)開放的遠(yuǎn)程桌面端口號;④ 向目標(biāo)機(jī)添加新用戶并控制目標(biāo)機(jī),獲取目標(biāo)機(jī)文件和數(shù)據(jù)。
學(xué)生正式開始實(shí)驗(yàn)之前,平臺會向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)概況以及實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),便于學(xué)生全面了解實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)原理,有助于學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)和考核題目。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的拓展知識和經(jīng)驗(yàn)分享將有效拓展學(xué)生知識視野,培養(yǎng)學(xué)生終生學(xué)習(xí)的良好素養(yǎng)。
學(xué)生操作虛擬仿真平臺完成實(shí)驗(yàn)的操作界面如圖4所示。開始實(shí)驗(yàn)時,平臺將為學(xué)生創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)鏡像環(huán)境,并開始實(shí)驗(yàn)計(jì)時。操作窗口左側(cè)為學(xué)生操作的Linux系統(tǒng)命令環(huán)境,窗口右側(cè)為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)浮動面板,學(xué)生通過該面板執(zhí)行提交實(shí)驗(yàn)任務(wù)結(jié)果、查看任務(wù)操作步驟、記錄筆記、與老師在線問答互動等操作。學(xué)生需要依次完成每一個任務(wù),任務(wù)完成即獲得該任務(wù)考核得分,所有任務(wù)都完成,單擊“完成實(shí)驗(yàn)”按鈕,即可獲得整個實(shí)驗(yàn)的操作得分。
圖4 漏洞挖掘和利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作畫面截圖
(2) 密碼學(xué)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析。傳統(tǒng)的密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn),學(xué)生缺少深入的辯證思考,也未能嘗試獨(dú)立應(yīng)用算法解決實(shí)際問題。
虛擬仿真密碼學(xué)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)使用虛擬化+Web IDE編程可視化模式,模擬密碼學(xué)算法的加/解密實(shí)際工作流程,讓學(xué)生在可視化圖形界面進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證或在線算法編程實(shí)現(xiàn),直觀感受每個算法每一步的執(zhí)行過程和結(jié)果。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的Web IDE集成編程環(huán)境如圖5中的代碼區(qū)所示,平臺支撐語法高亮、自動縮進(jìn)、代碼版本管理等基本功能,提供交互式變異執(zhí)行的展示終端,可支持C/C++、Java、Python等多種編程語言,為學(xué)生帶來良好的代碼編輯和終端交互體驗(yàn)。學(xué)生通過密碼算法編程實(shí)戰(zhàn),可獨(dú)立完成部分或全部算法的源代碼實(shí)現(xiàn)。
圖5 密碼學(xué)MD5算法實(shí)驗(yàn)操作畫面
為了讓學(xué)生更加直觀感受密碼學(xué)抽象算法的加解密流程,設(shè)計(jì)了可視化算法流程數(shù)據(jù)跟蹤和驗(yàn)證面板,讓學(xué)生體驗(yàn)“看得見”的密碼學(xué)算法加解密流程。
圖6以MD5算法為例,闡釋密碼學(xué)可視化算法流程數(shù)據(jù)跟蹤和驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)任務(wù)操作過程。如圖6左側(cè)面板所示,當(dāng)輸入明文并單擊“開始”按鈕,系統(tǒng)自動計(jì)算生成初始的128 bit計(jì)算變量,大致算法原理為:系統(tǒng)自動計(jì)算生成的128 bit計(jì)算變量分為等長4塊,分別存儲在4個寄存器中。每個分塊總共4個回合,每回合計(jì)算16步,合計(jì)64輪次計(jì)算,算法中需要加入sin(x)非線性的函數(shù)參數(shù)值,MD5算法具體原理請參考相關(guān)文獻(xiàn),在此不再贅述。
學(xué)生單擊“第一輪函數(shù)變換”按鈕,實(shí)驗(yàn)將切換到右側(cè)的“輪函數(shù)變換”面板,即開始第一回合第一輪次的函數(shù)變換。為考察學(xué)生對MD5算法流程的掌握程度,實(shí)驗(yàn)分別選定第1-4回合中某3個輪次的“模232加”和“循環(huán)左移s位”操作結(jié)果輸出對應(yīng)文本框作為算法流程數(shù)據(jù)驗(yàn)證點(diǎn),要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)程序輸出正確結(jié)果前,先行輸入自己的“模232加”和“循環(huán)左移s位”計(jì)算結(jié)果,系統(tǒng)會自動比對學(xué)生輸入數(shù)據(jù)的正確性,并將比對結(jié)果顯示到屏幕,同時自動計(jì)算學(xué)生實(shí)驗(yàn)任務(wù)得分。這種方式大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)算法的趣味性和挑戰(zhàn)性,深受學(xué)生好評。
圖6 密碼學(xué)MD5算法實(shí)驗(yàn)操作畫面
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的特色和創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下5個方面:
(1) “四類型六環(huán)節(jié)”實(shí)踐教學(xué)體系既相互對應(yīng),也相對獨(dú)立,循序漸進(jìn)、由淺入深,形成了協(xié)調(diào)一致的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)有機(jī)整體,有效保障能力水平不一的學(xué)生均能獲得“量身定制”的實(shí)踐學(xué)習(xí)方案。
(2) 基于SDN技術(shù)和云融合的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)架構(gòu),以及強(qiáng)調(diào)“學(xué)做合一”的實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)原則、完備的知識技能覆蓋度,全方位保證學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)中扎實(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)鍵知識和技術(shù)。
(3) 流程結(jié)構(gòu)可視化的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)以前瞻性教學(xué)視野和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ),突破了當(dāng)前大多網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)僅為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)局限,讓學(xué)生深度參與實(shí)驗(yàn)操作,提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果和職業(yè)勝任力。
(4) 大規(guī)模虛擬仿真和并發(fā)訪問能力:可支持500名學(xué)生同時并發(fā)在線上課學(xué)習(xí)。
(5) 區(qū)域資源共享服務(wù)中心:實(shí)現(xiàn)校內(nèi)、校際間資源服務(wù)共享,打造以學(xué)院為中心,服務(wù)于全校乃至整個區(qū)域的優(yōu)秀教學(xué)資源共享平臺。
學(xué)?,F(xiàn)已初步建成具有云融合能力的國家級網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和“四類型六環(huán)節(jié)”實(shí)踐教學(xué)體系,將教育心理學(xué)和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合,創(chuàng)新研發(fā)虛擬仿真圖形可視化綜合與創(chuàng)新型復(fù)雜實(shí)驗(yàn),奠定了建設(shè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)“金課”的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),打造“虛實(shí)”結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺,為國內(nèi)外高校的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐教學(xué)積累了辦學(xué)經(jīng)驗(yàn),推進(jìn)我國網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)發(fā)展和工程科技人才培養(yǎng)有著重要的實(shí)踐意義。