密碼應(yīng)用與實踐課程建設(shè)探討

吳旭光，韓益亮，朱率率，吳立強

（武警工程大學(xué) 密碼工程學(xué)院，陜西 西安 710086）

1 研究背景

密碼技術(shù)是信息安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，幾乎所有的信息安全系統(tǒng)都應(yīng)用到密碼技術(shù)。要想把密碼學(xué)的知識應(yīng)用到實際中，必須具有密碼學(xué)的實踐應(yīng)用能力。密碼學(xué)實踐應(yīng)用能力是密碼理論向?qū)嵺`應(yīng)用轉(zhuǎn)化的必然途徑，成為信息安全專業(yè)學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備實踐能力的重要組成部分。2018年，教育部高等學(xué)校信息安全專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會修訂的《信息安全專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》[1]明確指出密碼學(xué)實踐能力是信息安全專業(yè)實踐能力體系的重要組成部分。

目前針對密碼學(xué)實踐能力教學(xué)方面，大多數(shù)學(xué)校將該部分內(nèi)容作為密碼學(xué)課程的一部分，以改善密碼學(xué)的教學(xué)效果為目的，缺乏對密碼學(xué)實踐能力的整體思考和設(shè)計，存在課時量少、內(nèi)容體系不完善、實踐難度低的問題。文獻[2]以應(yīng)用型信息人才培養(yǎng)為目標(biāo)，從密碼學(xué)實際應(yīng)用為出發(fā)點，建立以數(shù)據(jù)存儲安全實驗、數(shù)據(jù)傳輸安全實驗、數(shù)據(jù)使用安全實驗和數(shù)據(jù)管理安全實驗為主要內(nèi)容的實驗體系。文獻[3]將密碼學(xué)實驗劃分為基本驗證實驗、密碼算法綜合實驗、研究創(chuàng)新型實驗3 個層次，改進密碼學(xué)解決實際問題的能力。文獻[4]以密碼學(xué)實驗教學(xué)為研究對象，設(shè)計了演示實驗、操作實驗、代碼實驗和自主實驗等實驗項目內(nèi)容，并對教學(xué)方法進行了探索。文獻[5]圍繞信息安全應(yīng)用型高級工程人才培養(yǎng)目標(biāo)，借鑒高等工程教育理念和模式，介紹了應(yīng)用密碼學(xué)課程的教學(xué)實施情況。

針對目前密碼學(xué)實踐能力培養(yǎng)存在的問題，單獨設(shè)立了密碼應(yīng)用與實踐課程。該課程是一門具備鮮明實踐特色的專業(yè)課程，它不再拘泥于算法的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)，而是直接面向具體的信息安全應(yīng)用場景，著重培養(yǎng)學(xué)生的密碼工程實踐技能，使信息安全專業(yè)學(xué)生加深對密碼理論的理解，具備解決實際信息安全問題的能力。

2 密碼應(yīng)用與實踐課程教學(xué)與實踐

2.1 課程設(shè)計思路

1）強化“工程”理念，突出密碼算法及安全工具的綜合應(yīng)用和實踐。

一般的密碼學(xué)實驗課程側(cè)重于密碼算法的細(xì)節(jié)實現(xiàn)，對于密碼算法的實際應(yīng)用關(guān)注不多。學(xué)完密碼學(xué)課程后，學(xué)生仍不知道如何安全地使用密碼算法。本課程以工程實踐為導(dǎo)向，教學(xué)內(nèi)容選擇上注重實際應(yīng)用，突出密碼算法及安全工具的綜合應(yīng)用和實踐，為學(xué)生將來從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

2）緊貼前沿動態(tài)，加入國產(chǎn)加密算法的使用。

對照《信息安全專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》，增加了國產(chǎn)商用加密算法SM2、SM3、SM4、ZUC等算法的應(yīng)用實踐，體現(xiàn)了我國密碼政策的要求，符合信息安全商業(yè)開發(fā)需求。同時，信息安全工具實踐部分，所有軟件均選擇最新版本，與實際應(yīng)用貼合密切。

3）接軌“新工科”，增加新型場景應(yīng)用。

隨著新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，區(qū)塊鏈、云計算等“新工科”[6]內(nèi)容吸引了學(xué)術(shù)界的注意。然而現(xiàn)有的教材大多止步于理論介紹，對于結(jié)合具體場景的信息安全應(yīng)用涉及不多。本課程結(jié)合區(qū)塊鏈、云計算等場景，在綜合實踐部分介紹了多個信息系統(tǒng)的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)，并提前配備了詳盡源代碼，有助于培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力。

2.2 課程內(nèi)容設(shè)置

按照密碼學(xué)實踐能力生成規(guī)律，以《高等學(xué)校信息安全專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》[1]為指導(dǎo)，合理安排教學(xué)內(nèi)容和課時，按照由易至難的層次，劃分教學(xué)內(nèi)容為五大模塊，即基本密碼算法應(yīng)用、密碼學(xué)擴展應(yīng)用實踐、PKI 應(yīng)用與實踐、常見加密工具應(yīng)用實踐和加密技術(shù)創(chuàng)新綜合實踐。主要知識點內(nèi)容和課時安排見表1，課時安排為36 學(xué)時。

表1 教學(xué)內(nèi)容安排

（1）基本密碼算法應(yīng)用模塊，使用Python 語言的Pycryptodome 函數(shù)庫[7]，了解對稱加密算法、公鑰加密算法、簽名算法、散列函數(shù)算法、密碼協(xié)議、安全的隨機數(shù)發(fā)生器、大數(shù)處理等密碼學(xué)主要功能的API 調(diào)用，實現(xiàn)分組密碼加密、散列值計算、消息認(rèn)證碼計算、公鑰密碼加密與簽名操作等。

（2）密碼學(xué)擴展應(yīng)用實踐模塊，不再局限于前一模塊所介紹的Pycryptodome 密碼學(xué)函數(shù)庫，介紹更多常見密碼庫的安裝和調(diào)用，使學(xué)生能夠利用密碼庫完成對稱加密、公鑰加密和簽名算法的調(diào)用；實現(xiàn)數(shù)字信封技術(shù)，完成文件的加解密、簽名傳輸，保證其安全性和不可抵賴性；實現(xiàn)HTTPS 的交互過程，掌握信息交互過程中使用的加密算法和細(xì)節(jié)，并使用Tornado[8]搭建HTTPS 網(wǎng)站。

（3）PKI 應(yīng)用與實踐模塊，介紹多種信任結(jié)構(gòu)的CA 證書操作，利用開源軟件建立PKI 體系，并進行配置和綜合防護，使學(xué)生會搭建PKI 的虛擬實驗環(huán)境，掌握PKI 中證書的申請、安裝以及證書的查看、吊銷和解除吊銷，能夠使用PKI 保護網(wǎng)站、FTP 和電子郵件。

（4）常見加密工具應(yīng)用實踐模塊，介紹幾款國際上公認(rèn)的信息安全工具，即VeraCrypt、Gnu PG 和PGP。通過本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解常見加密工具的原理，掌握常見安全工具的使用方法。

（5）加密技術(shù)創(chuàng)新綜合實踐模塊，結(jié)合區(qū)塊鏈、云計算等新型信息安全應(yīng)用場景，選擇典型密碼學(xué)應(yīng)用，旨在使學(xué)生掌握密碼學(xué)的應(yīng)用實踐與綜合創(chuàng)新能力。該模塊設(shè)置了3 個創(chuàng)新實踐系統(tǒng)，分別為區(qū)塊鏈安全存儲綜合系統(tǒng)、基因疾病同態(tài)密文檢測算法應(yīng)用系統(tǒng)和基于機器學(xué)習(xí)的手機消息自適應(yīng)加密系統(tǒng)，均在全國密碼技術(shù)競賽中獲獎。

2.3 密碼實踐環(huán)境建設(shè)

密碼實踐環(huán)境是教學(xué)中起到支撐作用的重要組成部分。由于市面上沒有滿足課程要求的密碼實踐環(huán)境，課程組立足現(xiàn)實，自主開發(fā)了部分實驗平臺，最終構(gòu)建了3 個層次的密碼實踐環(huán)境，即基礎(chǔ)實驗平臺、實訓(xùn)平臺和創(chuàng)新應(yīng)用平臺，見圖1。

圖1 三層次密碼實踐環(huán)境

（1）基礎(chǔ)實驗平臺。該平臺采用西普陽光公司的信息安全實驗教學(xué)系統(tǒng)，以驗證性實驗為主，主要完成“基本密碼算法應(yīng)用”“常見加密工具應(yīng)用實踐”兩大模塊的實驗學(xué)習(xí)。該實驗教學(xué)系統(tǒng)的每個實驗均有理論知識、實驗環(huán)境、實驗步驟、實驗視頻、課后作業(yè)等內(nèi)容。依托該實驗系統(tǒng)，學(xué)生能夠自主開展實驗學(xué)習(xí)，達到理解密碼學(xué)理論的基本原理、掌握密碼應(yīng)用基本操作的目的。

（2）實訓(xùn)平臺。該平臺由課程組成員自主開發(fā)，含有公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施子平臺和仿真密碼機子平臺，主要完成“密碼學(xué)擴展應(yīng)用實踐”“PKI應(yīng)用與實踐”模塊的學(xué)習(xí)。其中，公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施子平臺，模擬實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三層PKI/CA 體系，設(shè)置有根節(jié)點、骨干級、業(yè)務(wù)級三層結(jié)構(gòu)，每層包含RA、CA、安全應(yīng)用等中心，能夠開展PKI/CA 系統(tǒng)搭建、安全服務(wù)等實驗；仿真密碼機子平臺圍繞樹莓派開發(fā)板，建設(shè)仿真密碼機，開展密碼算法的驗證與編程實踐。兩個子平臺能夠融合使用，開展深層次的密碼學(xué)應(yīng)用實驗，對學(xué)生的實驗?zāi)芰M行綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)員的密碼學(xué)綜合應(yīng)用能力。

（3）創(chuàng)新應(yīng)用平臺。該平臺結(jié)合新型信息安全應(yīng)用場景，展示和學(xué)習(xí)密碼學(xué)綜合應(yīng)用案例。在該部分平臺的使用中，由學(xué)生針對某一安全應(yīng)用場景，自主提出解決方法和方案，并嘗試實現(xiàn)；課程組教師全程指導(dǎo)，提出合理化意見，但并不進行過多限制，給予學(xué)生更多自主的空間，培養(yǎng)學(xué)生對未知領(lǐng)域探索和創(chuàng)新的能力。

2.4 教學(xué)模式改革

1）“五階段教學(xué)法”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

如圖2，課程組采用“五階段教學(xué)法”開展課內(nèi)實踐教學(xué)，即任務(wù)部署、理論講授、實踐操作、分組討論和撰寫報告。其中，任務(wù)部署部分介紹本次課的實踐內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，劃分課程分組，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)任務(wù)，調(diào)動學(xué)生的積極性，約占課時2 分鐘；理論講授部分，對課內(nèi)重點、難點知識進行講解，破解學(xué)習(xí)障礙，時間約占8分鐘；實踐操作部分，讓學(xué)生積極動手動腦，自主進行學(xué)習(xí)和編程操作，而教師則巡視指導(dǎo)，使學(xué)生處于主體地位，約占課時60 分鐘；分組討論部分，按照分組情況，使學(xué)生討論實踐的完成情況、存在問題和下一步打算，時間約占10 分鐘；撰寫報告部分，由學(xué)生小組完成課內(nèi)報告，總結(jié)實踐成果，時間約占10 分鐘。5 個階段逐步展開，分組實施，形成統(tǒng)一的整體，有效利用了課堂時間。

2）開放式實驗教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

圖2 五階段教學(xué)法

打破實驗室傳統(tǒng)的在固定時間內(nèi)完成固定實驗內(nèi)容的教學(xué)模式，采用集中實驗和個人課后實驗相結(jié)合的方式，大力推行開放式實驗教學(xué)，即在時間上全面開放，在實驗內(nèi)容上全面開放。只要學(xué)生時間許可，可以隨時到實驗室利用實驗系統(tǒng)，按照自己的興趣和愛好實驗。這樣不僅提高實驗室利用率，還培養(yǎng)了學(xué)生自由探索、獨立思考的品質(zhì)。

3）個性化的學(xué)習(xí)路線圖，實現(xiàn)能力導(dǎo)向的因材施教。

針對不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生，根據(jù)課程內(nèi)容的難易程度，制訂了個性化的學(xué)習(xí)路線圖，分為3個階段：必修基礎(chǔ)階段、進階提高階段和拔高創(chuàng)新階段。其中，必修基礎(chǔ)階段完成人才培養(yǎng)方案規(guī)定的內(nèi)容，要求所有學(xué)生必須掌握；進階提高階段主要面向?qū)W有余力的學(xué)生，實施過程以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師輔導(dǎo)為輔；拔高創(chuàng)新階段，供興趣濃厚、能力突出的學(xué)生學(xué)習(xí)，結(jié)合信息安全競賽、密碼技術(shù)競賽開展。

3 結(jié) 語

針對密碼學(xué)實踐能力培養(yǎng)問題，課程組新建了密碼學(xué)應(yīng)用與實踐課程，不再拘泥于算法的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)，而是圍繞密碼算法及安全工具的綜合應(yīng)用實踐，進行了教學(xué)創(chuàng)新和有益嘗試。全面整合優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，形成了“基本密碼算法應(yīng)用、密碼學(xué)擴展應(yīng)用實踐、PKI 應(yīng)用與實踐、常見加密工具應(yīng)用實踐和加密技術(shù)創(chuàng)新綜合實踐等內(nèi)容模塊”五大模塊內(nèi)容；構(gòu)建了3 個層次的密碼實踐環(huán)境，即基礎(chǔ)實驗平臺、實訓(xùn)平臺和創(chuàng)新應(yīng)用平臺。在此基礎(chǔ)上，開展教學(xué)模式改革，提出了“五階段教學(xué)法”，推行開放式實驗，提供了個性化的學(xué)習(xí)路線圖。這些舉措激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了密碼學(xué)實踐能力，取得了明顯的教學(xué)效果。