面向綜合能力提升的移動網絡安全課程建設實踐

王盛邦， 韋寶典

（中山大學計算機學院，廣州510006）

0 引 言

網絡空間被稱為“第五空間”，網絡空間安全不僅僅是學術界的事情，也關乎國計民生。習近平總書記指出：“沒有網絡安全就沒有國家安全”［1］，網絡空間安全是國家安全的重要基石。總書記對網絡安全人才培養問題高度重視，并指出“網絡空間的競爭，歸根結底是人才競爭”［2］。目前，我國網絡安全人才主要來源于高校專業培養，人才產出與社會需求差距巨大，難以應對日趨嚴峻的網絡空間安全形勢。2016年，教育部將“網絡空間安全”增設為一級學科，為“網絡空間安全”學科的教育與發展注入了強心針。特別在“新基建”浪潮下，網絡安全迎來新一輪發展動力［3］。網絡安全是“新基建”的重要內涵，是未來“新基建”的堅實保障［4-5］。

在眾多利好政策的推動下，許多高校加強了與網絡安全相關課程的教學和改革，學科建設得到空前發展。移動網絡已經滲透到社會的方方面面，同時也面臨著越來越多的各類惡意攻擊和挑戰，安全威脅層出不窮，加強相應網管安全人才培養十分迫切。為此，我校于2016年起新開設移動網絡安全技術課程，經過幾年建設和改革，已初見成效。

1 實驗教學體系構建

移動網絡安全課程是交叉學科新課程，覆蓋廣泛的知識面，對任課老師、修課學生的綜合能力要求都很高，其先導課程包括通信技術、操作系統、計算機網絡、密碼學、信息安全和電子商務等。首先要確定課程綱要，限于課時，將教學內容精選為無線網絡技術、WiFi身份認證技術、移動網絡技術、移動終端操作系統安全、移動應用安全等。由于該課程學生來自多個不同計算機類專業，存在一定專業差異，為此增加網絡安全應用基礎內容，主要學習網絡安全協議、協議分析、滲透測試技術等，為學生后續學習打好專業提升基礎。

課程建設的目標是面向綜合實踐能力的培養，以綜合運用知識、發現問題、解決問題為出發點，以創新能力和實戰能力培養為目標。發現問題、解決問題的能力可歸結為“綜合能力”，借助線上教學輔助平臺，線上/線下相結合，基于此構建的移動網絡安全技術實驗教學體系架構如圖1所示。

圖1 移動網絡安全實驗教學體系架構

1.1 能力培養過程以遞進方式分層

將培養過程劃分為基礎能力、綜合能力、實戰能力和創新能力4個層次。基礎能力強調移動網絡安全滲透測試基本能力的運用；綜合能力是核心，強調綜合運用所學知識發現問題（如安全隱患、漏洞等）、解決問題（消除隱患、安全防御）的能力；實戰能力要求具備在錯綜復雜的網絡環境中的安全處置能力，能消除安全隱患，切實解決實際問題。而創新能力要求能發現新問題，或發現解決問題的新方法或新途徑。4個層次之間循序漸進，綜合能力的培養逐次提升。

1.2 教學內容按難度分層設計

根據教學內容開展移動網絡安全的實踐，對應于教學的4個目標，在傳統設計型、綜合型和研究型實驗的基礎上，為加強培養學生實戰能力，特增設專業型實驗，依次將實踐類型劃分為設計型、綜合型、專業型和研究型實驗，難度由基礎（如網絡安全應用設計）到高端（如Android App逆向分析），依次推進。

1.3 教學方法采用基于深度學習的任務驅動法［6］

開展深度學習，教師發揮幫助引導作用，學生全身心參與綜合性、挑戰性實驗。而任務驅動可以實現從基礎能力到綜合能力、專業能力到創新能力的質變，有助于提升學生的專業綜合素質。

為了激發學生主觀能動性的學習探索能力，對于實驗任務宏觀指導是必要的，但應避免因過于細節化。實驗前學生要廣泛閱讀教材、課件和相關文獻資料，拓寬知識視野。對于經學生“上下求索”仍難以獨立解決的問題，可以尋求老師進行“微觀”指導，幫助學生解決關鍵問題［7］。

1.4 實踐教學以線上實驗教學平臺為抓手

在網絡（特別是移動網絡）廣為普及的今天，借助線上實驗教學平臺，在網絡所及之處，學生可以遠程進行虛擬環境下的網絡安全實驗。這樣可突破實驗依賴于傳統實驗室的時空限制，同時也促進了學生參與實驗的積極性。

1.5 課程考核方式實行分級累加

主要考核項包括傳統的實驗報告文檔、反映實驗過程的視頻和線上攻防測試，研究性項（題）目和學科競賽成績作為參考項，主要突出對課程核心技術的掌握、應用。評價的主要參考內容見表1。

2 實驗教學內容設計

2.1 分層教學內容設計

與傳統課程不同，移動網絡技術日新月異，更新換代非常快。如5G還未普及，6G已經開始研發；WiFi 6尚未全面推廣，WiFi 7已經在應用測試。因而，本課教學內容需要及時更新，將業界最新成果介紹給學生。像目前備受關注的5G技術、由于谷歌斷供華為安卓系統而橫空出世的鴻蒙OS［8］、APP安全隱私問題［9］、廣為普及的移動支付安全性問題［10］，等。

與傳統課程經歷常年建設資源豐富截然不同，本課程在建設初期面臨教學資源尤其是實驗資源嚴重缺乏的難題。經過不斷探索和積累，推出了一系列精心設計的實驗，其部分如表2所示。這些實驗大多數是比較完整的滲透測試實踐，綜合程度較高。題材上接地氣，融合了先進性、探索性、新穎性、趣味性和實用性等特點。

表2 分層教學內容

2.2 教學實例

以“利用DNS Tunnel繞過Web Portal認證系統”實驗為例，該案例以現實生活常見的WiFi連接的Web Portal認證為切入點［11］，要求利用認證系統存在的漏洞，建立DNSTunnel［12-13］繞過認證系統而實現上網。

Web Portal是目前在多數公共區域（如地鐵、商場、機場、賓館等）采用的一種認證方式，該認證方式的特點是通過手機號碼獲取密碼來實現上網。由于這種方式認證方有收集手機號碼之嫌，用戶有顧慮。這也是本案例企圖繞過認證的原因。如圖2所示是必勝客的Web Portal認證頁面。

圖2 必勝客公司的Web Portal認證頁面

為完成這樣復雜的綜合性實驗，需要部署DNS服務器，以及申請域名等。為了使學生免受實體設備不足的困擾，引導學生申請免費的云服務器（如通過騰訊云），以及域名（每域名只需付費1元）部署云端DNS服務器，然后以Kali-Linux的iodine工具創建DNS隧道，嘗試利用漏洞繞過Web Portal認證，實現免認證聯網。實驗結果證明，的確能通過DNS隧道繞過認證上網，即存在認證漏洞，但網速下降明顯。實際上，利用DNS隧道繞開認證上網并非實驗的主要目的，漏洞利用測試、云端服務體驗更重要。實驗完成后，學生們真切地知道了漏洞的危害性，而不是停留在“漏洞危害”的概念性“例行介紹”。像這樣的案例，背景具有趣味性、工程性、實現方法的多樣性，學生在學習中能產生比較強烈的情感共鳴；該案例涉及知識綜合性高，分析、設計相結合，有利于循著知識產生的脈絡去準確把握問題的本質，實現知識的遷移和應用。案例的設計思想，充分體現了提升學生綜合能力的教學理念。

3 線上實驗教學平臺輔助教學

3.1 引入實驗教學輔助平臺

對于網絡安全攻防實驗環節，普遍存在實踐場景搭建難等問題。為此，與業界知名網絡安全企業展開合作，引進其優質的線上網絡安全實驗教學平臺（以下簡稱平臺），可以解決場景搭建問題。平臺架構如圖3所示。

圖3 在線攻防實驗教學平臺架構

平臺采用虛擬化技術構建高度仿真的實戰環境，可以進行滲透測試、逆向工程、密碼破解等實操以及一些攻防對抗演練。此外還可進行考試、解題練習。如果原生系統題庫數量不能滿足需求，可通過題庫管理功能，將自行設計開發的題目擴充進系統，達到自主掌控題材以及題目的難度和考核點的目的。目前已經將自行開發的約30余套題目導入系統，豐富了題庫，鞏固了教學成果。

3.2 實驗教學輔助平臺教學實例

如何依托教學輔助平臺開展實驗，以漏洞挖掘利用為例，如臟牛漏洞［14］（DirtyCow，CVE-2016-5195）。臟牛漏洞是一個比較典型的提權漏洞。一般來說，對于已發布的漏洞，演練時需要漏洞復現，但環境搭建比較復雜。如果通過平臺進行漏洞復現，可以節省配置環境的時間，達到演練的目的。

實驗前，先由老師配置好一個尚未修復該漏洞的實驗環境提交至平臺，等待克隆分發。實驗時，學生在平臺上申請靶機后，平臺分發一個Docker靶機，該靶機已經配置好了先前提交的預設實驗環境。學生得到靶機的SSH賬號，登錄平臺之后，根據實驗指引，獲取概念驗證（Proof of Concept，POC）并對漏洞進行復現，親身體會漏洞挖掘利用的流程。整個過程中不需要在本地部署環境。實驗結束后，平臺自動銷毀靶機環境，等待下一次分發。

該實驗考察了學生對操作系統原理（寫時復制、條件競爭、段頁式內存管理、缺頁中斷處理、文件系統等）的認識，可以引導同學們對知識的融匯貫通，剖析漏洞產生原理，對漏洞挖掘利用有更深刻的認識。像這樣的實驗，平臺輔助作用優勢明顯。

3.3 以賽促學、寓賽以學

在網絡安全人才需求方面，社會急需的是具有實戰能力的“專才”。近年，國內外涌現各類網絡安全學科競賽（如全國大學生信息安全競賽、紅帽杯等），這些賽事為“專才”們提供了實戰鍛煉的平臺。事實證明，以賽促學、寓賽以學，是鍛煉、培養和發現網絡安全人才的重要途徑，競賽對網絡空間安全學科的發展也起到很好的促進作用［15］。基于此，教學中注意發現“苗子”，將能力較為突出、有共同興趣的學生組織起來，利用在線攻防實驗教學平臺進行指導和培訓，并組織他們組隊參賽，對獲獎學生參照表1“實驗教學考核依據”給予適當加分或減免實驗次數的獎勵。

4 實驗過程視頻化

4.1 實驗過程視頻化的意義

網絡安全問題時常伴隨“黑客”攻擊的報道，給大眾的觀感不止是神秘性，而且是具有高深學問的技術活。實驗室的網絡安全實驗，實際上也具有復雜性和神秘性的特征。之所以要求將實驗過程拍攝成視頻，是因為視頻能清晰地展現復雜性，毫無保留地揭示神秘性。在反映實驗過程方面，傳統實驗報告（電子版）通常都是無聲的、靜態的，雖然也能呈現對實驗過程的描述與分析，但在表現形式上沒有充分運用信息技術手段；而反映實驗過程的視頻恰恰相反，不但是動態的，而且通過同步解說成為有聲讀物，還可以配上字幕加強效果。個別難以描述的過程（所謂“只可意會，不可言傳”），可通過視頻彌補。實驗視頻對提升學生專業素質、拓展教學的深度和廣度，凸顯學生綜合設計與創新思維的能力很有幫助。

實驗視頻主要由錄屏和少量外拍（利用手機拍攝功能，如果需要的話）相結合，錄屏工具有許多（如EV錄屏），視頻裁剪可以采用貍窩全能視頻轉換器［16］。學生經短暫學習、操作，即能掌握這兩款工具。形成視頻并不難，難的是成為“優秀”視頻。雖然無須像影視劇一樣由名家操刀寫作一個“劇本”，但也非實驗過程的簡單重現。需要有一個切合實驗的“故事情節”，妥善合理安排這些情節，才能展現如何通過技術手段揭露安全風險的細節。

4.2 優秀實驗視頻的示范作用

如何展示優秀學生實驗，由于綜合性的網絡安全實驗，過程復雜曲折，現場操作演示難度大、時間長，通過視頻觀摩學習是較為理想的選擇。對于綜合性實驗，像“利用DNSTunnel繞過Web Portal認證系統”其視頻成績分布如圖4所示。由圖可見，視頻優秀率并不高，說明展示優秀實驗視頻具有重要的示范意義。

圖4 利用DNSTunnel繞過Web Portal認證系統實驗視頻成績分布

優秀視頻展示是比較受學生歡迎的環節。通過觀摩，找出差距，取長補短，共同進步。由于視頻在展示實驗過程上效果較好，獲得學生普遍認同。

5 應用效果分析

本課程每學期36學時，累計授課學生數約800人，根據對修讀過該課程的學生問卷調查、實驗作業批改等渠道分析得出圖5所示的統計數據。

由圖5可見，設計型實驗和綜合型實驗的參與度、完成度較高，而專業型和研究型就差強人意，需要進一步改進；線上實驗因良好的體驗方式而受到普遍歡迎，累加式考核方式由于能體現個人綜合能力程度，也獲高度認同。對于實驗過程視頻化的要求，開始一些學生因沒有接觸過視頻處理，需要一個接受和熟悉的過程。在“課后感”中，學生認為，實驗視頻相當于一次實驗的總結與提升，不但拓展了能力，而且有利于確立解決問題的全局觀。該課程在2019年還進入廣州大學城互選課程，有7所兄弟高校約50位學生跨校、跨專業修讀了本課程的學分［17-18］。課程的教學理念、教學方法得到推廣和應用。

圖5 教學改革效果統計

通過課程學習，學生綜合能力提升顯著，在學生參加網絡安全競賽方面屢獲佳績。如獲第十二屆全國大學生信息安全競賽創新實踐能力賽總決賽一等獎及“網絡安全創新單項獎”、2019年“第五空間”網絡安全創新能力大賽一等獎、2019第三屆紅帽杯網絡安全攻防大賽總決賽冠軍等。

6 結 語

對移動網絡安全實驗課程的教學進行了研究，構建了教學體系，對教學目標和內容進行了分層設計，同時借助線上網絡攻防實驗平臺輔助教學，教學內容緊跟學科前沿，與時俱進。通過教學改革，整體上教學效果顯著，學生實驗的主動性和探索能力明顯增強，分析設計與實戰能力得到了有效訓練和提高，開闊了學科視野，提升了課程的教學質量。