基于云的虛擬網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用研究

張然 胡穎 張杰

摘? 要：云計(jì)算和虛擬化技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的兩種熱門(mén)信息技術(shù)。為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，對(duì)基于云的虛擬網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。給出了基于云的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用的技術(shù)、架構(gòu)，分析了該系統(tǒng)用于網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較傳統(tǒng)模擬器的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)? 云? 虛擬化

中圖分類(lèi)號(hào)：G434，TP391.9 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（c）-0198-06

Research on Cloud-based Virtual Network Security Experiment Teaching System and Iits Application

ZHANG Ran? HU Ying? ZHANG Jie

（ School of Computer and Communication Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， Henan Province， 450000 China）

Abstract： Cloud computing and virtualization technology are two popular information technologies in recent years. In order to solve many problems in traditional network security experiment teaching， cloud-based virtual network security experiment teaching system and its application are studied. The technology and architecture of the network security virtual experiment teaching system based on cloud are elaborated， the advantages of this system applied in network security experiment teaching are analyzed， and the superiority of the virtual experiment system are compared with the traditional simulator.

Key Wwords： Network security experiment; Experiment teaching system; Cloud; Virtualization

1? 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它不僅可以幫助學(xué)生深入理解課堂理論，而且可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是全面提高教育質(zhì)量的一個(gè)重要內(nèi)容。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和高等教育質(zhì)量工程的實(shí)施，人才培養(yǎng)更應(yīng)該以強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)為重點(diǎn)。通過(guò)應(yīng)用信息技術(shù)，不斷改革理論教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，從而提高教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生的實(shí)踐能力。

互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，不斷推動(dòng)著教育的信息化。同時(shí)，計(jì)算機(jī)硬件和軟件更迭頻繁，受設(shè)備和經(jīng)費(fèi)等條件的約束，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段難以滿(mǎn)足新時(shí)期網(wǎng)絡(luò)信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新要求。尤其是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全專(zhuān)業(yè)，其應(yīng)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，所有課程都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，而構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境往往需要多臺(tái)高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;并且新技術(shù)、新設(shè)備和新方法層出不窮，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式已經(jīng)很難適應(yīng)飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)和安全技術(shù)。面對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境需求，需要用現(xiàn)代新技術(shù)改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式，即在不投入或者低投入硬件成本的前提下讓每一位師生都能夠擁有一套高端的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息安全仿真設(shè)備，從而方便地訪問(wèn)和使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。此外，我國(guó)高校的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室，普遍具有獨(dú)立性、分散性和重復(fù)建設(shè)等特點(diǎn)。如何整合并合理利用實(shí)驗(yàn)資源，一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作者期待解決的問(wèn)題之一。

近幾年，新發(fā)展起來(lái)的云計(jì)算和虛擬化技術(shù)為高校構(gòu)建方便實(shí)用、安全可靠、便于管理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)提供了可能。這些年虛擬化技術(shù)逐漸成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的主要手段之一[1]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用需求，不少高校建立虛擬實(shí)驗(yàn)室并投入使用，大大節(jié)省了成本;為了更進(jìn)一步方便用戶(hù)的使用，很多高校致力于建設(shè)自己局域網(wǎng)上的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，以方便用戶(hù)的使用。云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，為整合虛擬實(shí)驗(yàn)資源提供了新方法和手段。通過(guò)虛擬化技術(shù)，云計(jì)算技術(shù)可以對(duì)分散的硬件資源和軟件資源進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)資源的共享、統(tǒng)一調(diào)度和靈活移植，從而使資源使用均衡化[2]?；谠频奶摂M實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)集成了云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)通過(guò)按需提供或預(yù)約的方式為學(xué)生和教師提供實(shí)驗(yàn)所需的環(huán)境[3]。

2? 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多年高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息安全專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)的實(shí)踐與研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)施實(shí)踐性教學(xué)改革時(shí)常常存在許多困難，比如用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足，實(shí)驗(yàn)環(huán)境靈活性差，不能集中演示等。概括說(shuō)來(lái)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要存在以下問(wèn)題。

2.1 硬件投資難以跟上技術(shù)發(fā)展的需求

在多年的高校實(shí)踐教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)師生們常常為實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境的限制所困擾。然而，單純的增加硬件資產(chǎn)投入和使用行政條規(guī)進(jìn)行科學(xué)的管理并不能從根本上解決問(wèn)題。因?yàn)橛布顿Y的速度難以跟上信息化技術(shù)的發(fā)展，單純的增加硬件投資就像一個(gè)“無(wú)底洞”。

2.2 受實(shí)驗(yàn)環(huán)境限制，缺乏靈活性

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般在建設(shè)初期就被固定了，很難根據(jù)實(shí)時(shí)的情況靈活的改變實(shí)驗(yàn)拓?fù)?。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室是按計(jì)劃來(lái)建設(shè)的，而教學(xué)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，動(dòng)態(tài)進(jìn)行中的情況常常不同于計(jì)劃。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室也常常場(chǎng)地不足、擁擠不堪，實(shí)驗(yàn)設(shè)備類(lèi)型不完備。這些限制使得教師每次上實(shí)驗(yàn)課困難重重。

2.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作繁雜

在網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多實(shí)驗(yàn)需要配備高端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，比如路由器、二層交換機(jī)、三層交換機(jī)、硬件防火墻、入侵檢測(cè)和防御、服務(wù)器等，而且需要按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，構(gòu)建起來(lái)十分麻煩。每次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前期都需要做很多準(zhǔn)備工作，這使得教師和實(shí)驗(yàn)室工作人員的工作負(fù)擔(dān)加重。

2.4 不可控因素常導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間的拖延

在依賴(lài)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有軟硬件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可控因素太多，如果沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)故障應(yīng)急方案，一旦遇到實(shí)驗(yàn)故障就會(huì)延誤時(shí)間，延長(zhǎng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，使得實(shí)驗(yàn)常常不能達(dá)到預(yù)期計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，從而影響教學(xué)計(jì)劃的執(zhí)行和教學(xué)質(zhì)量。

2.5 難以集中演示

網(wǎng)絡(luò)信息安全課程實(shí)踐性很強(qiáng)，卻不能集中演示，這也是十分棘手的問(wèn)題。集中演示是指統(tǒng)一配置各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、服務(wù)器等，使其在一個(gè)集中的平臺(tái)上進(jìn)行演示。集中演示可以使學(xué)生完整系統(tǒng)地觀摩實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過(guò)程，便于理解。然而，這是一件十分困難的事情，難以實(shí)現(xiàn)。

2.6 實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)的安全性難以保證

實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)存在諸多不安全因素，尤其是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)時(shí)，很容易有意無(wú)意地?fù)p害到實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)的安全。為了防止危害實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)安全，有些實(shí)驗(yàn)軟件是不允許使用的，這勢(shì)必又會(huì)影響到正常實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一個(gè)能夠克服上述問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是非常必要的。云計(jì)算和虛擬化技術(shù)可以整合地理位置上分散的資源，使用戶(hù)感覺(jué)像在使用同一個(gè)硬件平臺(tái)，從而解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所遇到的困難，使每位高校教師與學(xué)生都擁有一個(gè)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跻粯拥母吲渲锰摂M網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，并能對(duì)其靈活使用。這就是基于云的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[4]。

筆者2015年在愛(ài)丁堡龍比亞大學(xué)訪學(xué)期間對(duì)該校的基于云的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了考察，該校在英國(guó)頗具特色的數(shù)字取證專(zhuān)業(yè)系列課程的實(shí)驗(yàn)全部在采用了虛擬化技術(shù)的云平臺(tái)上來(lái)部署實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這一新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)于我們?nèi)粘＞W(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)很好的借鑒和幫助。

3? 基于云的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

基于云的網(wǎng)絡(luò)信息安全虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以減少使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本，解決當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合;同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有很大的靈活性，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，有網(wǎng)絡(luò)就可以做實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。

3.1 采用的技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展為高校實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)虛擬化（即“實(shí)驗(yàn)云”）奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)虛擬化是實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)云”的技術(shù)保障，云技術(shù)和虛擬技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是建設(shè)“高校實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)云”的技術(shù)手段。

3.1.1 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算定義了服務(wù)交付和使用的模式，使低成本提供計(jì)算服務(wù)成為可能。云能夠整合、集成和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中的資源，只要能上網(wǎng)，高校用戶(hù)就能夠像使用水、電、煤氣和電話(huà)那樣個(gè)性化地調(diào)度和使用網(wǎng)絡(luò)中的教育資源。云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以按需提供虛擬實(shí)驗(yàn)資源給用戶(hù)，并且用戶(hù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上的一個(gè)普通Web瀏覽器對(duì)它進(jìn)行完全控制。

在云時(shí)代，各高校除了自行搭建云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)外，還可以使用網(wǎng)絡(luò)云遠(yuǎn)程獲取實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。這樣，高校不需要自行購(gòu)買(mǎi)昂貴的商業(yè)軟件授權(quán)和大量的實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備，也不需要搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)服務(wù)可通過(guò)云網(wǎng)絡(luò)提供，一切資源都可向云服務(wù)器購(gòu)買(mǎi)。這樣，基于云的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放合作、資源共享和最大程度的節(jié)能環(huán)保。

3.1.2 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算、云存儲(chǔ)服務(wù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全實(shí)驗(yàn)課程，基于云的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)整體解決方案，各類(lèi)部件均可使用虛擬化技術(shù)進(jìn)行整合。使用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，其仿真程度與真實(shí)設(shè)備基本相同。虛擬實(shí)驗(yàn)室中最典型的兩個(gè)部件是VMware和Dynamips。Dynamips是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備仿真平臺(tái)，VMware是虛擬機(jī)技術(shù)，能100%仿真計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息安全課程很難在真實(shí)環(huán)境中操作演示，很多實(shí)驗(yàn)需要兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器聯(lián)網(wǎng)演示，一臺(tái)普通的教師機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有這些教學(xué)活動(dòng)，但是利用VMware虛擬機(jī)軟件就可以很好地解決這些問(wèn)題[5]。

實(shí)驗(yàn)資源虛擬化是云計(jì)算的重要技術(shù)支撐點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高?！皩?shí)驗(yàn)云平臺(tái)”信息架構(gòu)的基礎(chǔ)。目前，很多高校開(kāi)發(fā)建立了基于虛擬化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器，這些虛擬實(shí)驗(yàn)資源支撐了“高校虛擬實(shí)驗(yàn)室云”的建設(shè)。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于云的網(wǎng)絡(luò)信息安全虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的前端可以是Web瀏覽器或者VMware vSphere 虛擬客戶(hù)端[6]，后臺(tái)的云中則運(yùn)行著多種多樣的模擬器和虛擬機(jī)等實(shí)驗(yàn)資源，包括Qemu和Dynamips，具有很好的擴(kuò)展性。系統(tǒng)管理員給不同用戶(hù)分配不同的訪問(wèn)云資源的權(quán)限，用戶(hù)使用分配的權(quán)限來(lái)訪問(wèn)云中的實(shí)驗(yàn)資源。見(jiàn)圖1。

系統(tǒng)為不同用戶(hù)分配不同的權(quán)限[7]。管理員具有管理實(shí)驗(yàn)資源云的最高權(quán)限，可以為用戶(hù)分配使用實(shí)驗(yàn)資源和管理相應(yīng)實(shí)驗(yàn)資源的權(quán)限。教師具有修改相應(yīng)實(shí)驗(yàn)資源和添加學(xué)生用戶(hù)的權(quán)力，學(xué)生只具有使用實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的權(quán)力。用戶(hù)只需有一臺(tái)可以上網(wǎng)的終端設(shè)備、一個(gè)瀏覽器以及一個(gè)能夠接入Internet的接口就可以接入到“實(shí)驗(yàn)資源云”，并像使用本地計(jì)算機(jī)中的資源一樣使用云端提供的各種軟硬件資源。

前端用戶(hù)界面可方便用戶(hù)使用和管理云中的虛擬實(shí)驗(yàn)資源。一方面可以方便學(xué)生、教師和管理員預(yù)約實(shí)驗(yàn)所需資源，對(duì)資源進(jìn)行全局統(tǒng)一的分配，從而充分提高計(jì)算機(jī)的硬件與軟件資源的使用效率和充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。另一方面用戶(hù)界面可以向?qū)W生、教師、管理員提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理功能。使用該界面，教師可以搭建和調(diào)取典型實(shí)驗(yàn)環(huán)境案例，從而方便地向?qū)W生布置實(shí)驗(yàn)任務(wù);同時(shí)，教師可以查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，便于對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)并給出成績(jī)。學(xué)生可以在論壇上發(fā)布實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的收獲和一些心得體會(huì)，教師也可在論壇上對(duì)學(xué)生的問(wèn)題進(jìn)行反饋，給出鼓勵(lì)，指出不足。在這里教師可以得到及時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋信息，隨時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)度和深度，學(xué)生也可以從中吸收別人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提升自己的能力。

實(shí)驗(yàn)資源云也為學(xué)生在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間，包括實(shí)驗(yàn)的中間結(jié)果和最終結(jié)果，學(xué)生可以將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)在“云端”，方便在下次實(shí)驗(yàn)時(shí)繼續(xù)上次未完成的實(shí)驗(yàn)，或者在實(shí)驗(yàn)室以外的其它網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備上隨時(shí)查看或繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。以往實(shí)驗(yàn)室為了保護(hù)計(jì)算機(jī)而安裝保護(hù)卡或還原軟件，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中長(zhǎng)期存儲(chǔ)，而利用“云”的海量存儲(chǔ)空間及數(shù)據(jù)的自由訪問(wèn)優(yōu)勢(shì)可以很好地解決這一問(wèn)題，極大地提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和有效性。

實(shí)驗(yàn)資源虛擬化是云計(jì)算技術(shù)的重要有力支撐技術(shù)。使用虛擬機(jī)技術(shù)，可以在一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上模擬出一臺(tái)或多臺(tái)虛擬的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是將兩臺(tái)甚至更多臺(tái)計(jì)算機(jī)的任務(wù)應(yīng)用于一臺(tái)計(jì)算機(jī)。把虛擬機(jī)軟件安裝到一個(gè)配置比較高的物理計(jì)算機(jī)上，然后在虛擬軟件里安裝相應(yīng)的操作系統(tǒng)，從而模擬出一個(gè)或多個(gè)具有完整硬件系統(tǒng)功能、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)。虛擬機(jī)的硬盤(pán)通常是計(jì)算機(jī)中的一個(gè)文件，虛擬機(jī)在硬盤(pán)上的操作只是在這個(gè)文件上進(jìn)行，一般不會(huì)損壞計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和軟件。在一臺(tái)PC上可同時(shí)虛擬出多個(gè)PC，每個(gè)PC都有自己獨(dú)立的操作系統(tǒng)，并且通過(guò)虛擬系統(tǒng)還可以組建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。使用虛擬機(jī)完全就像在真正的計(jì)算機(jī)上工作一樣，學(xué)生在單機(jī)環(huán)境下就可以進(jìn)行需要多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)和安全實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)現(xiàn)實(shí)例

在愛(ài)丁堡龍比亞大學(xué)學(xué)習(xí)期間體驗(yàn)了該校的數(shù)字取證課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于云平臺(tái)，其主界面如圖2所示。學(xué)生從瀏覽器界面用自己的賬號(hào)和密碼登錄后，可以選擇頁(yè)面下方不同虛擬系統(tǒng)中的不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很方便地去完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于云的網(wǎng)絡(luò)安全虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合使用了虛擬技術(shù)和云，具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性、仿真特性和可管理性，并且使用方便、建設(shè)靈活，能夠集中演示。它打破空間和時(shí)間的限制，從根本上顛覆了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的固有模式，可提高實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)可提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，為高校實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)注入了新的活力。

（1）共享性。在云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，虛擬化技術(shù)使得不同物理位置的實(shí)驗(yàn)物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)榱诉壿嬌峡山y(tǒng)一部署和管理的信息資源，從而輕松實(shí)現(xiàn)不同高校間實(shí)驗(yàn)室軟硬件資源共享，減少重復(fù)浪費(fèi)狀況，大大降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入的硬件成本，從而將實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源得到合理的充分利用。

（2）方便性和可管理性。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)用戶(hù)端設(shè)備要求低，使用方便，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源存儲(chǔ)的在云端，一方面可以讓學(xué)生和教師隨時(shí)隨地根據(jù)自己的需求取用教學(xué)資源，一方面可以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)控。此外，它還可將實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行智能管理，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的效率。

（3）安全性。云計(jì)算將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云服務(wù)器，從而使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)更加安全可靠，解決了數(shù)據(jù)丟失、病毒入侵等潛在問(wèn)題;并且由于采用了虛擬化技術(shù)，還可以更好地保障用戶(hù)所在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性，比如，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信息安全專(zhuān)業(yè)具有破壞性的實(shí)驗(yàn)，可被限制到虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中，不至于殃及整個(gè)校園網(wǎng)。

（4）可演示性。真實(shí)設(shè)備上可做的實(shí)驗(yàn)，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)亦可完成。同時(shí)，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)云端的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中多臺(tái)計(jì)算機(jī)和設(shè)備進(jìn)行配置和部署時(shí)，整個(gè)過(guò)程都可以在同一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，因此，可以在一臺(tái)機(jī)器上集中演示出完整的過(guò)程。比如病毒分析、木馬分析、攻擊演示等，都可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行集中演示，并讓學(xué)生看到破壞性的實(shí)驗(yàn)結(jié)論而不會(huì)危及所在網(wǎng)絡(luò)的安全。

此外，基于云的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式還可破除各高校的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在物理建設(shè)上的重重障礙和在信息化建設(shè)方面各自為政的格局，使得現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式發(fā)生顛覆性改革。

4? 云虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較傳統(tǒng)模擬器的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)教學(xué)中，經(jīng)常使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器包括Packet Tracer、BosonNetSim、Hw-RouteSim等，大都用來(lái)模擬全球各大廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)配置過(guò)程的仿真，但它們都是獨(dú)立的軟件，不能提供與其他仿真軟件的集成。用模擬器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境局限于模擬器軟件內(nèi)，因此會(huì)影響到學(xué)生的真實(shí)體驗(yàn)，而且不能很好地鍛煉學(xué)生應(yīng)對(duì)各種突發(fā)異常情況的能力。而基于云的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以將各種模擬器和虛擬機(jī)集成起來(lái)，讓用戶(hù)按需取用，極大地方便了教學(xué)用戶(hù)。

與傳統(tǒng)模擬器相比，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，而不是一個(gè)獨(dú)立的功能模塊。除了必需的設(shè)備仿真模塊以外，還需要有各種不同操作系統(tǒng)的服務(wù)器、防火墻、入侵檢測(cè)、入侵防御、網(wǎng)絡(luò)集中管理、存儲(chǔ)、陣列、語(yǔ)音等功能模塊，所以說(shuō)它是一個(gè)整體解決方案，而不是一個(gè)單純的軟件。

另外，從仿真程度上講，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)模擬器的仿真程度高。傳統(tǒng)模擬器只能使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備學(xué)習(xí)者或用戶(hù)熟悉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置指令和配置流程，模擬物理設(shè)備IOS的應(yīng)用程序并沒(méi)有真正載入物理設(shè)備的IOS。雖然它具有與物理設(shè)備一樣的IOS配置界面，但是運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行過(guò)程只是一個(gè)模擬仿真過(guò)程，它并不是物理的，也不是真實(shí)的。開(kāi)發(fā)中已嵌入模擬程序的IOS指令可以被執(zhí)行，而沒(méi)有事先被嵌入的指令則不能被執(zhí)行，因此，在某種程度上來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)模擬器更像是一種仿真的“指令”練習(xí)系統(tǒng)。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，設(shè)備仿真模塊將加載物理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IOS，雖然硬件載體不一定在本地，而是在云端，但是虛擬化技術(shù)使得用戶(hù)看不到二者的差異。這樣，真實(shí)物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持的功能，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都能支持，而且更具靈活性。

5? 結(jié)語(yǔ)

基于云的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)依托日益普及的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為信息時(shí)代的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充，基于云的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，它不僅能再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，可以在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，而且可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多實(shí)際問(wèn)題，尤其是疫情期間在高校教學(xué)中發(fā)揮了不可替代的作用。

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