基于虚拟化的网络安全课程实践教学改革.pdf

2023年12 月计算机应用文摘第39 卷第2 3期基于虚拟化的网络安全课程实践教学改革张云峰，汪松鹤，卢灿举,张敬业,王维维（国防科技大学电子对抗学院，合肥2 30 0 37)摘要：网络安全是一门技术性和实践性很强的学科。网络安全实践是在学习网络安全基本原理的基础上，提高学生实际操作能力和独立应用所学知识解决实际问题的重要环节。鉴于网络安全领域知识繁多、技术迅速更新、涉及面广的特点，文章提出了网络安全课程实践教学改革方案。其中，主要措施包括构建基于虚拟化的实训平台、重构实验体系、增加实训内容、改革教学模式以及考核方式。经过实践验证，这一方案弥补了传统实践教学存在的不足，有效促进了教学质量的提升。关键词：网络安全；课程实践；实训平台；虚拟化中图法分类号：G642Practice teaching reform of network security course based on virtualizationZHANG Yunfeng,WANG Songhe,LU Canju,ZHANG Jingye,WANG Weiwei(School of Electronic Countermeasures,National University of Defense Technology,Hefei 230037,China)Abstract:Network security is a highly technical and practical discipline,network security practice isto enable students to learn the basic principles of network security,to improve the practical abilityand independent use of knowledge to solve practical problems of the important link.In view of thesituation that the network security knowledge is much,the technology is updated quickly,and theknowledge involves a wide range,the practice teaching reform scheme of the network security courseis put forward,build a training platform based on virtualization,reconstruct the experimentalsystem,increase the content of training,reform the teaching model and assessment method.Practicehas proved that the scheme has overcome the shortcomings of traditional practice teaching andpromoted the improvement of teaching quality.Key words:network security,course practice,training platform,virtualization为推动信息安全相关人才培养,2 0 15年相关部门设立了“网络空间安全”一级学科。面对这一需求，各院校纷纷积极设置信息安全类课程和专业 1。网络空间安全专业研究在有攻击者存在的情况下，网络空间中数据、网络和系统在采集、处理、传输、存储等环节所面临的安全威胁,并探究相应的抵御安全威胁的防护方法与手段 2 。网络空间安全是一门交叉性学科，从攻方和守方两个不同的角度分析当前网络空间安全所面临的威胁 3。网络空间安全是一门技术性和实践性都很强的学科，实践教学是网络空间安全专业人才培养的一个重要环节，也是培养学生综合能力与创新能力的有效途径 41网络空间安全实践教学现状与基础理论教学不同,实践教学必须密切关注当前技术发展，以满足岗位对人才应用能力的最新要求。在当前网络技术高速发展、新型网络安全漏洞与技术文献标识码：A层出不穷的情况下，传统网络安全实践教学在教学理念、教学内容、教学模式、实验环境等方面存在诸多问题,难以满足人才培养的需求。其中,主要表现为：网络安全实践教学综合应用少、实训效能低；实践教学内容与岗位能力新要求以及网络安全技术新发展不相适应；传统实践教学模式受时间、场地限制大，实践教学资源利用率低；网络安全实验环境存在资源分散、部署效率低、内容扩展难、过程监管不足等问题。由于网络安全实验难以在普通的网络下进行，且网络安全实验环境难以维护，因此创建专业的网络安全实验平台是十分必要的 5。将虚拟仿真技术引人安全类实验教学中不仅可以解决安全类实验搭建网络环境复杂、实验成本高，以及规避潜在安全风险的难题，也能够实现理论教学与实践教学内容的一体化,有利于激发学生的学习兴趣、促进知识掌握以及提高动手能力。因此，在网络安全专业的实践教学中引入虚拟仿真实验技术是十分必要的，也是未来实验42教学发展的必然趋势 6 。目前,很多大学根据需求，已经建立了基于虚拟化的网络实训平台 7 9 2冈网络安全实践教学改革2.1树立“需求牵引、围绕安全、提升效能”的网络安全实践教学理念随着网络安全技术的不断发展和网络安全人才需求的扩大，对加强网络安全实践教学提出了更高的目标和要求。网络安全实践教学需要紧密关注专业需求，强调实践训练科目的真实性，确保学生所掌握的网络安全技能能够学以致用、管用好用。在深人学习网络破坏的过程的基础上，有针对性地学习与练习相应的防御技术方法,使学生“知其然,知其所以然”，系统登录系统登录系统退出工具管理显管翡层示系统日志用户管理层工具库管理接口层数据库工具库数据接口任务数据库该实训平台采用B/S模式，管理员、学生及教师使用浏览器完成相关操作。此外，该实训平台基于虚拟仿真技术将实验对象、实验场景、实验工具等融入统一的虚拟化环境中。通过对终端主机服务器、交换机、路由器等网络互联设备以及防火墙、人侵检测系统等网络安全设备等节点的虚拟化，实现了网络测量、漏洞分析、渗透测试等实验场景的快速生成与动态部署调整。虚拟化缩短了环境部署时间，提高了部署效率,有效解决了实践教学实施效率不高的问题。该实训平台不仅能够进行网络互联设备仿真，还能实现与真实设备互联,形成虚实结合网络。这不仅弥补了仿真设备种类不足的问题,还能构建仿真网络与实体网络互联的大规模网络。通过虚实结合，可以将传统的基于实体主机与实体网络设备的目标环境有效计算机应用文摘有利于提高学生解决实际网络安全问题的能力，提升网络安全实践教学的质量。通过充分利用参与重大活动、科研等机会，促进教师熟悉业务场景，提升实训效果，树立网络安全实践教学能力培养导向，确立以需求引领教学导向、突出网络安全特色、应用基于虚拟仿真实训平台提升实训效果和人才培养效益的网络安全实践教学理念。2.2构建“教、练、赛、评”一体化的网络安全实训平台为解决网络安全实验环境分散、部署效率低、内容扩展难、过程监管不足等问题，本文基于虚拟仿真技术创建了集“教、练、赛、评”一体化的网络安全实训平台,其架构如图1所示。教师管理课程管理系统退出教学统计教师装班级管理场景管理人员管理内容管理虚拟化监控任务管理日志记录新建日志工具下载编辑工具课件管理课件查询工具查询删除工具添加工具平台数据接口场景数据库2023年第2 3期系统登录考核任务学生瑞端班级管理人员管理下发任务权限控制日志查询修改密码添加课件编辑课件删除课件课件数据场景数据接口接口平台数据库课件数据库虚拟化层图1实训平台架构接入实训平台，为教学环境提供了灵活扩展的能力，解决了实验规模拓展不便的问题。该实训平台提供了丰富的教学资源，包括课件、讲解视频、典型案例及各类工具，同时具备大量的网络安全实验场景和典型网络安全事件仿真场景，为网络实验及网络安全案例分析提供了条件，方便了学生自主学习及课前预习。此外,该实训平台实现了课程资源、系统资源和设备资源的动态管理，利用虚拟化技术的可管理性,使得教师能够在实验过程中详细了解学生学习状态与进程,解决了以往实验过程中导控调整不便的问题。该实训平台将学生、教师、实验课程、操作训练、实验工具、实验网络等内容纳入统一的虚拟化环境中,通过基于虚拟化技术的重制实验对象与场景,实内容管理学习监控编辑用户系统管理状态查询任务管理用户自选管理员下发结束任务删除任务虚拟网络主机虚拟化配置接口接口工具库系统退出学习任务删除用户查询用户场景构建场景删除任务统计实验管理构建网络克隆虚拟机状态查询主机控制台虚拟主机控制台接口自主学习数据统计数据采集网络设备虚拟化接口2023 年第2 3期现了实践教学中各环节的平台化统一再造。这使得该实训平台能够实现“教学有内容，训练有环境，竞赛有系统,考评有数据”的目标,构建了四位一体的高效实践化教学组织，显著提高了教学的效率和质量2.3重构实验体系、调整实验内容网络安全实践教学是培养学生形成网络安全实际操作能力的关键。与网络安全理论教学中知识点的关联性不同，网络安全实践教学的知识构建与能力培养内在因素呈现更立体化和复杂化的特点。因此，设计和构建合理的实践教学内容与课程体系一直是网络安全实践教学的难点。为解决实践教学内容与岗位能力新要求、网络安全技术新发展不相适应的问题，基于网络安全实训平台，本文对网络安全课程实验体系进行了重构。在充分调研工作岗位需求的基础上,本文重新梳理了原有网络安全专业相关课程实验，构建了包含“基础实验、专业实验、综合实验和科创实践”四大类型的网络安全课程实验体系。该体系覆盖了知识认知、原理验证、功能设计、综合训练、毕业设计、科创竞赛六个培养阶段,同时对原有实验科目进行了更新调整，扩充了新实验科目，使实验内容紧贴网络安全技术的最新发展。2.3.1重构网络安全课程实验体系将网络安全实验课程划分为基础实验、专业实验、综合实验和科创实践四大类型。基础实验主要用于知识认知和功能验证阶段，专业实验主要用于原理验证和功能设计阶段，综合实验主要用于综合训练环节，科创实践主要用于毕业设计和学科竞赛阶段。基础实验类主要面向“计算机网络安全综合实验”“网络互联设备”“信息安全与防护”等课程；专业实验类主要面向“网络安全技术”等课程；综合实验类主要面向“网络安全综合训练”“网络安全竞赛”等课程；科创实践类主要包括“系统安全科创实践”“设备安全科创实践”“软件安全科创实践”“移动终端安全科创实践”“内容安全科创实践”“CTF攻防实践”等内容。2.3.2基于网络安全实训平台革新实验教学内容在网络安全课程中,新增了一些关键的教学实验内容。其中,在“网络互联设备”课程中,增设了“网络内外互访安全设计与实现”的实验单元，以提高学生的动手能力；在“计算机网络安全实验”课程中，引入了一系列关于入侵检测系统的实验，以有效提升学生在后期工作中的安全防护能力水平；在“网络安全技术”课程中,新建了一批网络安全场景式综合实验，包括“后门检测实验”“基于弱口令探测的安全检测实验”“缓冲区溢出代码调试与验证实验”等内容，以解决学生在网络安全检测过程中需要灵活组合应用各计算机应用文摘种网络安全技能的问题，有效提高了学生的实际动手能力水平。为了将最新的技术发展反映到实验内容上,本文引入了一系列前沿网络安全实验课程资源,增加了包括大数据分析、工控安全等在内的共16 0 0 余学时的400多个实验及实验场景，有效地助力了学生的自学内容延伸与拓展。2.4石确立“三结合”的网络安全实践教学新模式为了解决传统实践教学模式受到时间、场地限制大,实验教学资源利用率低等问题,本文探索了一种新的网络安全实践教学模式，即“线上与线下相结合、课内与课外相结合、规定内容与自选内容相结合”。该模式以虚拟仿真平台为主体、实际网络设备为补充,并充分借助网络安全实训平台的在线特性，使学生可以在课外通过互联网接入平台进行实验学习。同时，平台提供了丰富的实验资源和模块化的实验组件,使可以对学生进行定制实验,实现个性化学习。2.5多种形式结合的实践考核模式考核是评估实践教学效果的有效手段,有助于增强学生对实践教学的关注度,并促使他们提升实际动手能力。通过网络安全实训平台进行形成性考核，可以及时了解学生的学习情况；借鉴CTF竞赛模式,采用闯关夺旗的考核方式，有助于激发学生的学习兴趣，激发他们的学习主动性；利用平台构建复杂的实训场景,进行综合性实践能力考核,有助于评估学生综合应用知识的能力。3教学改革成果通过近年来在本科及职业教育中的实际应用,充分证明实践教学改革对教师的教学工作和学生的实际动手能力提高具有积极意义，使教师和学生更加关注实践教学的重要性。本文所提实训平台不仅在教学中得到应用,还在大型网络安全活动中发挥了重要作用。其中，国防科技大学电子对抗学院已经利用该平台组织了多届“挑战杯”网络安全竞赛，培养出了大批优秀的网络安全专业学生。该平台还作为大学生网络安全竞赛的实训环境，为国防科技大学电子对抗学院代表队在全国大学生信息安全竞赛中多次取得佳绩提供了有力支持。本文所提实训平台不仅为在校生的学习训练提供了支持，还有效地支持了校外人员的在线学习。4结束语虽然当前网络安全实训平台在满足网络空间安(下转第46 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2”的教学效果,可为该教学方法在其他课程中的应用提供参考。参考文献：1 宋勤飞,代新龙,彭磊.基于“雨课堂”的茶叶生物化学混合式教学模式探索与实践 J.福建茶叶，2 0 2 2,44（9：114-116.2王影.基于学生用户体验的高校SPOC平台可用性研究D.武汉：华中师范大学,2 0 19.3】王莉.立足于学生核心素养发展的STEAM课程以“植物中有抑菌或杀菌成分吗？”为例 J.中学生物学,2 0 2 0,36(5):63-65.4赵楠,裴新宁.问题式学习和项目式学习 J.上海教育，2019(7):72-74.5李丽.PBL教学模式研究综述 J.佳木斯职业学院学报，2018(2):212-213.6李西,谢颖.我国近五年慕课(MOOC)研究综述 J.亚太教育,2 0 16(13):2 8 9+159.作者简介：胡玉平（19 8 3一），硕士，讲师，研究方向：产品设计。育教学论坛.2 0 2 0 31)：2 2 7-2 2 8.5周敏.网络攻防实验平台的设计 J.实验技术与管理.2 0 16(5):139-142.【6 】尚雷.基于虚拟仿真技术的网络安全实验教学研究 J.山东工业技术,2 0 19(11):2 2 7.7 吴辉宇,马勇,孙顶峰.基于虚拟化的网络安全实验设计与实现 J.无线通信技术，2 0 18（2）：52-56.8邬晓钧,郑宁汉,陈永强，等.面向创新人才培养的网络安全软硬件实验体系 J.计算机教育，2 0 18（3）：41-45.9王虎,张立江,陈伟，等.开放式的网络与安全实验室建设与教学改革探索 J.实验室研究与探索，2 0 18（9）：331-334.作者简介：张云峰（19 7 2 一），博士，研究方向：网络安全。汪松鹤（19 7 9 一）硕士,研究方向：网络安全。卢灿举(19 7 8 一），硕士，研究方向：网络安全。张敬业（19 8 2 一），硕士，研究方向：网络安全。王维维（19 8 3一）硕士,研究方向：网络安全。2023年第2 3期