信息安全實訓實踐教學平臺建設

　　文章編號：1672-5913(2011)17-0105-05 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　摘 要：文章在分析信息安全專業實踐教學的發展現狀與存在問題的基礎上，闡述武漢大學計算機學院在“三創”教育理念指導下創建基礎實驗平臺、綜合實訓平臺、開放性研究平臺三個層次的金字塔型信息安全綜合實訓實踐教學平臺的過程，提出針對信息安全專業領域的實踐教學改革創新思路與措施。
　　關鍵詞：信息安全；實訓平臺；實踐教學；創新研究
　　基金項目：湖北省高等學校教學研究項目(20070033、2008023、2009011)。
　　作者簡介：黃建忠，男，實驗師，研究方向為實驗室管理與計算機實驗教學研究；張滬寅，男，教授，研究方向為計算機網絡、網絡管理、網絡安全等；王麗娜，女，教授，研究方向為入侵容忍、數據容災備份、數字水印等；杜瑞穎，女，教授，研究方向為計算機網絡、網絡安全、信息安全等。
　　在當前社會發展與IT人才需求的嚴峻形勢下，我院實驗教學中心倡導改革原先的實驗教學理念，探索創建多層次全方位、培養具有“三創”能力的IT人才的實驗教學體系[1-3]。探索將實踐教學分成基礎驗證、綜合設計訓練、開放研究創新三個層次，建設與完善網絡工程、軟件工程、信息安全綜合、物聯網工程、仿真系統設計、硬件綜合實踐等實訓實踐平臺，研究更新適應社會發展需求的計算機實踐教學軟硬件環境。
　　信息安全專業人才培養尤其應加強注重適應能力、實踐能力和創新能力的培養，應與創新型國家建設的需求相適應。目前三網融合、物聯網、云計算、智慧地球等IT發展熱點技術無疑都離不開網絡及安全技術的支撐，計算機網絡及網絡安全可謂應用領域極為廣泛。
　　1 實訓實踐教學平臺建設
　　密碼學、信息隱藏技術、計算機病毒、網絡安全、計算機網絡等課程是信息安全專業開設的專業課程，在整個專業和課程體系的建設中占據重要地位。對于信息安全專業，理論課程教學固然重要，實踐教學更為關鍵。但目前高校的信息安全專業實踐教學還存在一些問題，如傳統教學模式不適合講授抽象的信息安全知識、專業課程教學缺乏實驗操作和實踐訓練、專業實踐與社會實際需求不相適應等等，嚴重制約著高
　　
　　校信息安全人才培養[4-6]。
　　我院曾于2003年投入700萬元建成了國內第一個信息安全實驗室，其中涵蓋VPN密碼機、防火墻、隔離網閘、入侵檢測系統、網絡監視與掃描系統、電磁騷擾測量儀、智能卡讀寫器、指紋儀、USB-Key、DSP實驗臺等。同時，我院組織師資力量設計出國內第一套信息安全專業實驗教學大綱，并出版了“信息安全綜合實驗”等一系列實驗教材。實驗室的建設為信息安全專業人才培養起到了重要的作用，為學生創造了具備完善的信息安全實驗設備的實踐環境，切實提高了學生的實踐動手能力。但是，隨著技術的發展與社會的進步，信息安全實驗室的軟硬件需要更新，實驗教學大綱與實驗教材也需要更新。
　　實驗教學中心依據技術的發展和社會需求，更新與完善信息安全實驗教學軟硬件系統平臺，使學科發展前沿知識融入實驗平臺中，同時更新信息安全實驗內容與設計新的實驗項目。信息安全專業的實踐能力培養主要包括軟件系統實踐、硬件系統實踐、密碼學實踐、網絡安全實踐、信息內容安全實踐、創新實踐等能力培養。基于實踐能力培養的規律性，實驗教學中心強化基礎，循序漸進，重視創新，打造基礎實驗平臺、綜合實訓平臺、開放性研究平臺三個層次的金字塔型信息安全實訓實踐教學平臺。
　　
　　1.1 基礎實驗平臺建設
　　基礎實驗平臺旨在對學生基本動手能力的訓練，幫助學生理解與掌握基本原理。信息安全基礎實驗平臺如圖1所示，它采用密碼機、防火墻、隔離網閘、網絡監視與掃描系統、智能卡讀寫器、指紋儀等設備，借助相應的軟件工具，可以幫助學生更好地理解其工作原理，通過圖形界面及可視化方式清楚地了解其整個操作過程。以前晦暗不清、看不見、摸不著的信息或網絡數據栩栩如生地展示在計算機屏幕上，非常形象生動且易于理解。通過密碼機實驗，學生將能掌握密碼標準算法的實現與應用能力，使用常用密碼軟件工具，進而具有一定的密碼技術應用能力。通過防火墻實驗、網絡監測與掃描實驗，使學生能夠通過實例數據分析網絡的安全威脅，具備常用網絡安全工具的使用能力，熟悉常用網絡設備的安全配置，具備網絡安全解決案例的分析能力。通過網絡攻防實驗，使學生能夠通過實例了解信息及服務的安全威脅，掌握信息內容的獲取、分析識別和管控能力，具備常用信息內容安全工具的使用能力，掌握信息隱藏的基本方法。
　　基礎實驗平臺主要承擔密碼學、信息隱藏、計算機病毒、軟件安全、智能卡技術等課程中的基礎驗證實驗項目，如密碼學實驗中的DES、AES、RC4、RSA 密碼、RSA 密碼數字簽名、報文認證、對稱密碼的密鑰管理、公鑰密qc/RAKH15FLS9mEu+xKsjbCui02EMrjQK4q7eslHEMY=碼的密鑰管理、計算機文件加密、通信加密等實驗項目，計算機病毒及軟件安全實驗中的軟件漏洞機理分析、軟件漏洞利用實例分析、計算機病毒機理分析、惡意軟件樣本實戰分析、安全防護工具分析、軟件破解實例分析、軟件自我防護加固、軟件評測技術等實驗項目。
　　
　　圖1 信息安全基礎實驗平臺結構
　　1.2 綜合實訓平臺建設
　　綜合實訓平臺旨在對綜合應用知識能力的訓練，能夠綜合或融合一門或多門課程的知識進行設計，幫助學生提高綜合設計能力，培養其解決工程設計中實際問題的能力。綜合實訓平臺采用網絡安全實驗實訓平臺和信息安全綜合實訓平臺，配置大量的覆蓋全面及通用的工具和案例庫，實現以課程為中心的綜合實驗和以專業為核心的實訓相結合。綜合實訓平臺，能夠提高學生綜合應用專業知識和專業技術的能力，使學生通過實訓實踐直接適應實際工作的需求，達成與就業需求的無縫銜接，縮短與社會需求的差距。
　　網絡安全實驗實訓平臺配置13組實驗組，每組可容納6～8名學生實驗。每組配置1臺組管理控制器，可管理8臺網絡設備，每組包括1臺防火墻、2臺VPN網關、3臺路由器、4臺三層及二層交換機、2個USB密鑰管理器。網絡安全實驗實訓平臺網絡結構圖如圖2所示。該實訓平臺設計有系統管理員、教師、學生三類角色，可以通過Web管理系統訪問實驗室的網絡設備，不同角色分配有不同的操作權限。
　　
　　圖2 網絡安全實訓平臺結構
　　信息安全綜合實訓平臺配置7組實驗組，每組可容納8～10名學生實驗。每組配置1臺VPN保密機、1臺防火墻、1臺IDS、1臺令牌注入器、10個安全令牌、1臺無線路由器、10個無線網卡、1臺指紋儀、1臺接觸式讀寫器、1臺RFID讀寫器、1臺路由器、2臺交換機、2臺嵌入式系統實驗箱。信息安全綜合實訓平臺網絡結構圖如圖3所示。該實訓平臺設計配置WEB服務器、認證服務器、數據庫服務器、認證服務器軟件系統等，教師可以通過認證管理系統分配用戶，學生可通過客戶端軟件進行實驗。
　　
　　圖3 信息安全綜合實訓平臺結構
　　綜合實訓平臺主要承擔密碼學課程設計、網絡安全實驗、信息安全綜合實驗、信息隱藏實驗、軟件安全實驗等課程的綜合性與設計性實驗項目，涵蓋協議安全、操作系統、密碼機制、PKI/PMI數字證書、安全審計、網絡攻擊與防御、網絡病毒、網絡后門與隱身、網絡掃描與監聽、防火墻與入侵檢測、認證和授權、日志與審計、網絡安全方案設計、網絡管理等等。在網絡安全實驗及信息安全綜合實驗中設計了主機安全、PK&PMI證書、漏洞掃描、病毒分析、安全審計、安全編程、網絡安全性能監測及分析、大型網絡安全設計與仿真、多級網絡入侵檢測與防御、網絡攻防實戰演練、服務器系統安全設計與實現、無線網絡安全設計與實現、數據容災與恢復備份等大模塊的綜合設計性實驗項目。
　　
　　1.3 開放性研究平臺建設
　　開放性研究平臺旨在培養學生的科研能力和創新意識，利用學過的知識及積累的經驗，針對自行申報的或教師發布的信息安全應用領域中的科研子課題以團隊方式提出有創意的設計方案并加以實現，提高實踐創新能力，培養其團隊合作與協作能力。實踐采取的形式是多種多樣的，可以組團自行選題參與到每年的全國信息安全競賽，也可以結合各級業余科研項目、校內外科研競賽項目、科研興趣小組課題、教師的科研子項目、校外實踐基地項目、聯合培養單位的合作項目等各種形式開展。如2010年我院組織教師擬題50余項，學生自行組隊選擇感興趣的課題開展歷時半年的研究設計參加全國信息安全競賽，有的團隊甚至提前1年就著手準備。經過激烈的角逐，我校以團體總分第一的成績獲得“優秀組織獎”，“面向大規模用戶的音像制品發行及盜版追蹤系統”和“基于軟件指紋的動態可信認證系統”2項獲全國一等獎，“面向空氣中傳播的數字音頻版權保護系統”、“基于時間關聯的惡意軟件分析與取證系統”、“抗旁路攻擊密碼芯片”3項獲全國二等獎，“基于生物環境參量的自識別身份認證系統”、“計算機免疫危險理論在輿情監控中的應用”、“網絡虛擬磁盤”、“基于DSI與可信遠程證明的跨站攻擊防御系統”、“基于人臉識別的在線身份認證系統”5項獲全國三等獎[7]。
　　實驗教學中心依托學院大學科大平臺建設，構建多樣化的開放性研究平臺。實驗中心搭建有高性能網絡計算平臺(如圖4所示)、網絡多媒體技術開放實驗平臺、大樓無線全覆蓋系統、嵌入式監控網絡實驗平臺、DragonLab聯邦實驗室(如圖5所示)等。學生科研興趣小組可根據申報的各類課題或項目預約申請相關的開放性實踐平臺，也可以申請加入相關的校內教師科研團隊，還可以申請到與學院簽訂合作協議的企業或研究院所去實習實踐。由課題指導教師依據課題內容、時間安排及進度定期輔導進行討論匯報。
　　
　　圖4 高性能網絡計算實驗室
　　
　　圖5 DragonLab聯邦實驗室
　　3 實訓實踐教學研究
　　踐行以學生為主導，以激發學生科研興趣為出發點，實驗教學中心探索改革信息安全專業實踐教學思路、內容、方法與手段，促進學生自主學習與自主科研。
　　創新實踐教學改革思路與措施主要有：
　　1) 實現理論、實驗、實訓、創新的有機結合。通過設立多項有深度的信息安全專業綜合設計類和工程類實踐項目，拓寬學生的專業領域視野，讓學生學會如何將書本知識用于實際，訓練與培養科研潛力和創新能力。例如，在學習“密碼學”中的“認證”知識點時，結合“基于軟件指紋的動態可信認證系統”、“基于生物環境參量的自識別身份認證系統”等課題的研究內容，結合VPN設備、指紋儀、認證服務器系統等講解目前如何實現用戶身份認證，不但使這方面的知識與實際場景相聯系，加深學生的理解，又可以吸引感興趣的同學參與到相關的課題項目研究中來[3]。
　　2) 注重學生全方位實踐能力的培養。改變以往呆板模式，鼓勵學生自擬課題，自已設計實驗方案和實驗步驟，通過“群組式交互演進討論”來分析實驗方案和實驗過程的優缺點，訓練學生的綜合實踐能力。例如，在“網絡安全實驗”中，其中一個綜合實
　　
　　驗是網絡攻防實戰演練。實驗只給出實驗設計的基本框架，要求學生小組模擬軍隊作戰，交替扮演攻擊方與防守方的角色，自行分析漏洞與討論如何系統加固，設計攻防方案，學生邊實驗邊討論通過多輪的攻防實戰演練，不斷討論優化設計方案，最后撰寫實驗報告進行總結提