疫情下基于個人移動端的網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗技術(shù)與應(yīng)用

李麗娜 胡曦明 李鵬 馬苗

摘要：作者針對新冠疫情期間在線教學(xué)實踐過程中存在的“實驗教學(xué)短板”，緊密結(jié)合實際分析實驗教學(xué)開課不足、資源匱乏和效能退化的現(xiàn)狀，提出基于智能手機(jī)、家用路由器等個人移動端的網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗技術(shù)，詳細(xì)闡述了該實驗技術(shù)的總體設(shè)計、居家實驗環(huán)境創(chuàng)建和實驗流程，并在此基礎(chǔ)上，給出DHCP地址耗盡攻擊和DHCP欺騙攻擊的居家實驗教學(xué)案例，為打造個人化、輕量級和體驗式實驗教學(xué)新模式提供切實可行的途徑。

關(guān)鍵詞：個人移動端;網(wǎng)絡(luò)安全;實驗技術(shù);實驗教學(xué)

中圖分類號：TP393? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）03-0000-06

● 引言

新冠疫情期間，按照教育部《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》的統(tǒng)一部署，政校企合力保障“停課不停教、停課不停學(xué)”，分兩批開放共37個在線課程資源平臺和技術(shù)平臺，在這樣的背景下世界高等教育史上最大規(guī)模的在線教育教學(xué)實踐在全國各高校迅速而高效地展開。這場疫情“大考”之下，高校在線課程教學(xué)既有“贊點”，也有“痛點”，這其中令廣大一線師生體會最真切和深切的正是在線課程存在的“實驗教學(xué)短板”。

● 線上課程的實驗教學(xué)短板

到目前為止，多方實踐表明，通過對教學(xué)設(shè)計、教學(xué)模式和教學(xué)組織等教學(xué)“軟件”要素的調(diào)整和優(yōu)化，理論課程教學(xué)對是否在線實施可以做到“能上能下”，并且兩種模式各有優(yōu)勢。相比之下，實驗類教學(xué)對實驗條件、環(huán)境和資源等“硬件”要素高度依賴，單純通過教學(xué)“軟件”要素的調(diào)控作用難以令線上實驗與線下實驗實現(xiàn)實質(zhì)等效，這導(dǎo)致實驗教學(xué)成為疫情期間在線課程凸顯的短板。

1.實驗教學(xué)開課不足

作為“雙一流”建設(shè)大學(xué)的廈門大學(xué)，疫情期間就本校線上教學(xué)開展的調(diào)查顯示：線上教學(xué)課程主要集中在理論課部分（開課率達(dá)到94.2%），實驗課和理論課程實驗部分的線上開課率僅為21.2%。[1]就開展線上實驗更便利的計算機(jī)類專業(yè)來看同樣不容樂觀，西藏大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)類專業(yè)62門次課程中線上開課56門，停開6門，而停開的這6門次課程全是實驗實訓(xùn)課。[2]實驗教學(xué)開課難也同樣存在于高職院校，江蘇省高等教育學(xué)會委托常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院面向蘇南地區(qū)10所“雙高計劃”高職院校開展的線上教學(xué)情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，“實訓(xùn)條件不具備，線上無法完成”是教師反饋線上教學(xué)最突出的三大困難之一。[3]

2.實驗教學(xué)資源匱乏

“實驗空間”作為國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺，疫情期間向全社會免費開放2067門虛擬仿真實驗課程資源，涵蓋41個專業(yè)大類，有力地支持了在線實驗教學(xué)的開展。但值得注意的是，“實驗空間”另有19個專業(yè)大類的虛擬仿真實驗課程資源數(shù)為“0”（詳見www.ilab-x.com），這其中就包括計算機(jī)類、自動化類、儀器類等理工科主干專業(yè)。為應(yīng)對虛擬仿真實驗資源匱乏的現(xiàn)狀，各高校通過引入社會優(yōu)質(zhì)資源、自主研發(fā)實驗平臺和郵寄實驗器材等多種方式，面向居家學(xué)習(xí)環(huán)境探索出各具專業(yè)特色的線上線下實驗教學(xué)模式。例如，南昌大學(xué)信息工程學(xué)院引入開源軟件項目托管平臺GitHub對計算機(jī)專業(yè)Java程序設(shè)計課的實驗項目進(jìn)行托管[4];西安郵電大學(xué)計算機(jī)學(xué)院采用程序設(shè)計類實驗輔助教學(xué)平臺PTA（Programming Teaching Assistant）實施全校C語言課程線上實驗教學(xué)[5];南開大學(xué)電子信息實驗教學(xué)中心為選修“數(shù)字電子技術(shù)實驗”的254名學(xué)生郵寄實驗器材，開展教師線上教學(xué)結(jié)合學(xué)生居家實驗的教學(xué)新模式。[6]

3.實驗教學(xué)效能退化

面對虛擬仿真實驗教學(xué)資源匱乏、關(guān)鍵實驗設(shè)備“缺席”和實操交互被阻隔的現(xiàn)實，部分高校“因課制宜”，積極發(fā)揮主觀能動作用，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容安排和教學(xué)方式，保障實驗教學(xué)“不停教、不停學(xué)”。[7]例如，四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院力學(xué)系開展形式多樣的實驗教學(xué)方式，將設(shè)備介紹、操作步驟和實驗演示等實操以外的實驗內(nèi)容前置到線上進(jìn)行，待學(xué)生返校后再開展操作實踐[8];河南師范大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院在線上建立實驗操作專區(qū)開展軟件測試課實驗教學(xué)，將教學(xué)方式從線下的“手把手”調(diào)整為線上“做示范”。[9]這些新探索在盡可能充分利用線上學(xué)時開展實驗教學(xué)的同時，也不得不承認(rèn)相比實裝實操方式在教學(xué)效能上僅是“退而求其次”的權(quán)宜之舉。

可以看到，導(dǎo)致疫情期間實驗教學(xué)開課困難與效能退化的最主要因素在于居家學(xué)習(xí)環(huán)境下師生可獲取到的實驗教學(xué)資源匱乏。一方面，GitHub、PTA等社會資源以及中國高校計算機(jī)教育MOOC聯(lián)盟推出的Trustie、Educoder[10]等在線實驗教學(xué)平臺所支持的實驗教學(xué)種類比較單一，幾乎全部集中在計算機(jī)程序設(shè)計、開發(fā)與測試領(lǐng)域;另一方面，郵寄實驗器材難以滿足大規(guī)模與專業(yè)化實驗教學(xué)需求，教學(xué)效能難達(dá)預(yù)期。

● 基于個人移動端的網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗技術(shù)

疫情期間“實驗教學(xué)短板”在線上教學(xué)實踐中暴露無遺，計算機(jī)類專業(yè)教育如何以“實驗教學(xué)短板”為倒逼，充分發(fā)揮計算機(jī)專業(yè)的學(xué)科優(yōu)勢和專業(yè)特長，以獨特的視角深入挖掘居家學(xué)習(xí)環(huán)境所具有的實驗實踐潛力，化危為機(jī)，危中尋機(jī)，不斷開拓具有科技特色的實驗教學(xué)新路徑，成為富有緊迫性、示范性和應(yīng)用價值的新課題。

1.總體設(shè)計

本文著眼于釋放個人信息通信產(chǎn)品消費所積累的強(qiáng)大動力賦能居家實驗，提出了基于個人移動端的網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗技術(shù)，采用個人移動端如智能手機(jī)、家用無線路由器等作為實驗設(shè)備實現(xiàn)實驗操作環(huán)境搭建的方案。

總體上，根據(jù)實驗角色和功能的不同可劃分為三個模塊，分別是攻擊端模塊、家用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模塊和被攻擊端模塊，如圖1所示。攻擊端模塊即對智能手機(jī)進(jìn)行權(quán)限升級、實驗攻擊工具部署、支撐類工具部署以及可視化處理等一系列技術(shù)性配置和操作，從而基于智能手機(jī)打造出集報文偽造、欺騙與截獲等攻擊功能以及良好數(shù)據(jù)分析于一體的綜合性實驗工具。家用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模塊即充分利用家中的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，如家用路由器、智能手機(jī)個人熱點等，構(gòu)建一個可操作的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并將攻擊端模塊的手機(jī)和被攻擊端模塊的手機(jī)接入該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。被攻擊端模塊由普通智能手機(jī)組成，主要功能就是作為攻擊端模塊實施報文偽造、欺騙與截獲等網(wǎng)絡(luò)攻擊的對象，通過為被攻擊端手機(jī)額外安裝終端模擬器以及抓包軟件等實現(xiàn)對實驗過程中實時網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)的監(jiān)控，以求得到更加直觀的實時實驗效果反饋。

2.居家實驗環(huán)境創(chuàng)建

居家實驗環(huán)境主要由一臺家用路由器和兩部智能手機(jī)組成，具體的實驗環(huán)境搭建如圖2所示。

（1）家用路由器（網(wǎng)關(guān)）配置

在疫情居家期間，盡管網(wǎng)絡(luò)安全實驗設(shè)備受限，但可充分利用家用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建實驗環(huán)境，即可選取家用的路由器作為網(wǎng)絡(luò)安全性實驗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備。首先，需要將家用路由器設(shè)置為打開狀態(tài);其次，需要將家用路由器的防火墻短暫關(guān)閉，以避免不必要的實驗沖突。實驗結(jié)束后，將其配置復(fù)原即可。

（2）攻擊端配置

作為攻擊端的手機(jī)，其配置主要分為linux系統(tǒng)配置和工具部署兩個階段。在Linux系統(tǒng)配置階段，需要在已獲得超級管理員權(quán)限的攻擊端手機(jī)上，按步驟依次安裝相應(yīng)軟件。軟件安裝成功后，通過配合使用，即可實現(xiàn)滿足可視化操作的Linux系統(tǒng)的搭建。在工具部署階段，需要在已搭建好的linux系統(tǒng)中，通過指令配置等方式部署實驗中所需的網(wǎng)絡(luò)攻擊類和性能測試類等多種軟件工具集，以基本滿足從實驗階段到數(shù)據(jù)分析階段的所有需求。

（3）被攻擊端配置

被攻擊端的手機(jī)需要部署能夠完成基本網(wǎng)絡(luò)實驗的性能測試類以及數(shù)據(jù)采集類工具集，以此滿足實驗過程中實時網(wǎng)絡(luò)參數(shù)查詢、實時通信監(jiān)控等的需求。

此外，在上述安全性實驗環(huán)境搭建中所用到的攻擊工具和抓包工具均是從Linux環(huán)境中合法下載安裝的。以上軟件都是安全可控的，不會影響手機(jī)的正常使用，實驗結(jié)束后可以安全卸載。

3.實驗流程

基于個人移動端的網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗主要分為三個階段——居家實驗環(huán)境搭建、實驗實施以及數(shù)據(jù)測量與可視化分析。首先，通過“智能手機(jī)+家用路由設(shè)備”搭建居家實驗環(huán)境;在此基礎(chǔ)上，開展常用應(yīng)用層協(xié)議的安全性實驗探索。然后，通過抓包分析、數(shù)據(jù)提取和數(shù)值監(jiān)測對網(wǎng)絡(luò)連通性、消息反饋和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等關(guān)鍵互聯(lián)網(wǎng)性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析、效能評價和創(chuàng)新實踐，最后得出實驗總結(jié)。實驗流程如下頁圖3所示。

● 基于個人移動端的網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗教學(xué)

在普通的城鄉(xiāng)家庭環(huán)境中，家用路由器、智能手機(jī)都已十分普及，本文將這類常見的個人通信消費品打造為網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗平臺，以動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）地址耗盡和欺騙攻擊為例開展實驗教學(xué)。

1.居家環(huán)境配置與工作原理

兩部智能手機(jī)分別作為攻擊端和被攻擊端，家用路由器作為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備將攻擊端手機(jī)和被攻擊端手機(jī)連接在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。家用路由器收到了被攻擊端手機(jī)通過DHCP進(jìn)行的IP地址請求后，會在自身DHCP服務(wù)器的IP地址池中分配相應(yīng)的IP地址給被攻擊端手機(jī)。在這個過程中，攻擊端既可進(jìn)行DHCP地址耗盡攻擊，即針對家用路由器的IP地址分配器的攻擊，也可進(jìn)行欺騙攻擊，即針對被攻擊端手機(jī)的IP地址接收器的攻擊。這兩種攻擊都可實現(xiàn)被攻擊端手機(jī)無法連接到真實網(wǎng)絡(luò)的情況。其居家環(huán)境配置與工作原理如圖4所示。

具體而言，DHCP地址池耗盡攻擊是攻擊端對家用路由器展開攻擊的方式。它以不間斷IP地址請求來耗盡路由器中DHCP服務(wù)器的IP地址池，以此來堵塞屏蔽被攻擊端智能手機(jī)的IP地址請求。DHCP欺騙攻擊是攻擊端對被攻擊端手機(jī)展開攻擊的方式。在攻擊過程中，攻擊端假冒成DHCP服務(wù)器，搶先與被攻擊端手機(jī)建立連接，并為其成功分配了虛假IP地址，從而導(dǎo)致被攻擊端出現(xiàn)接入了網(wǎng)絡(luò)卻無法正常上網(wǎng)的情況，形成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的假象。

在實驗中的實驗設(shè)備分工和參數(shù)如下頁表1所示。

2. DHCP地址耗盡攻擊

（1）操作與配置

DHCP地址耗盡攻擊主要是通過在攻擊端手機(jī)中部署yersinia攻擊工具以及配置攻擊端口、攻擊類型等操作實現(xiàn)的。具體實驗配置與操作如表2所示。

（2）數(shù)據(jù)測量與可視化分析

在攻擊端手機(jī)發(fā)動DHCP地址耗盡攻擊后，就會不間斷地發(fā)送IP地址請求，導(dǎo)致家用路由器的IP地址池消耗殆盡。這時，原本可以正常接入網(wǎng)絡(luò)的被攻擊端在申請IP地址時，就會被家用路由器拒絕，導(dǎo)致其無法正常連接網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)斷網(wǎng)現(xiàn)象。其數(shù)據(jù)分析如圖5所示。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，作為DHCP服務(wù)器的家用路由器無法識別客戶機(jī)的真?zhèn)危灰盏絀P地址請求，它就會不斷地從地址池分配IP地址給客戶機(jī)，造成地址資源的大量消耗，進(jìn)而影響正常的接入網(wǎng)絡(luò)過程。

3.DHCP欺騙攻擊

（1）操作與配置

DHCP欺騙攻擊主要是通過在攻擊端手機(jī)中部署ettercap攻擊工具和對攻擊端口和攻擊模式的配置實現(xiàn)的。具體實驗配置與操作如表3所示。

（2）數(shù)據(jù)測量與可視化分析

攻擊端手機(jī)發(fā)動DHCP欺騙攻擊時，會向發(fā)送IP地址請求的被攻擊端分配虛假的IP地址。此時，被攻擊端將假冒成DHCP服務(wù)器的攻擊端視為真實網(wǎng)關(guān)，接受了虛假IP地址，如圖上頁6所示。

● 總結(jié)

面對疫情期間高校在線教學(xué)普遍存在的“實驗教學(xué)短板”，筆者充分挖掘智能手機(jī)、家用路由器等個人移動端設(shè)備的實驗潛力，提出基于個人移動端的網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗技術(shù)。這不是退而求其次的變通之法，也不應(yīng)被視作被迫為之的應(yīng)急之策，而是積極利用疫情倒逼主動應(yīng)變求變的實驗教學(xué)改革創(chuàng)新。DHCP欺騙攻擊和DHCP地址耗盡攻擊的實驗教學(xué)案例表明，基于個人移動端的網(wǎng)絡(luò)安全居家實驗技術(shù)具有輕量級、體驗式和便攜化等優(yōu)點，為打造個人化、體驗式的“7x24小時”實驗教學(xué)新模式提供了切實可行的實踐途徑。

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作者簡介：李麗娜（2000.4—），第一作者，女，山西運城人，陜西師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院創(chuàng)新實驗班本科生;胡曦明（1978.9—），通訊作者，男，四川南充人，博士，講師，教育碩士導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為智慧教育、計算機(jī)教育;李鵬（1981.11—），男，陜西扶風(fēng)人，博士，副教授，碩導(dǎo)，主要研究領(lǐng)域為移動計算、教育信息化;馬苗（1977.4—）女，漢族，山東聊城人，博士，教授，博導(dǎo)，主要研究領(lǐng)域為人工智能、智能系統(tǒng)等。

基金項目：陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題（SGH16H024）;教育部陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)教育課程研究中心項目（2019-JCJY009）;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（GK201503065）;陜西師范大學(xué)2020年教師教學(xué)模式創(chuàng)新與實踐研究專項基金項目“金課導(dǎo)向下計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議課程體驗式教學(xué)改革與實踐”（JSJX2020Z28）;陜西師范大學(xué)2019年教師教學(xué)模式創(chuàng)新與實踐研究專項基金項目“人工智能背景下《深度學(xué)習(xí)》實踐教學(xué)探索與創(chuàng)新”（JSJX2019Z47）; 2020年度陜西師范大學(xué)一流本科課程建設(shè)項目“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”（線上線下混合式課程）。