王盛邦，韋寶典

（中山大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引 言

近年來，網(wǎng)絡(luò)安全問題面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗(yàn)，一些高校相繼開設(shè)了相關(guān)安全實(shí)驗(yàn)課程，并對(duì)這些課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)等進(jìn)行了有效探索和改革，取得了不少成果。主要有基于虛擬機(jī)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，以CDIO 為指導(dǎo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，成就驅(qū)動(dòng)法在網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，基于差異性的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，基于SDN 架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)空間安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的安全攻防虛擬仿真實(shí)戰(zhàn)平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)安全在線開放實(shí)驗(yàn)實(shí)踐探索，虛擬技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全教學(xué)探析，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在信息安全管理課程中的研究與實(shí)踐，移動(dòng)終端中個(gè)人隱私保護(hù)實(shí)踐教學(xué)案例研究與探討[1-10]等，以及探討學(xué)科競賽與教學(xué)相結(jié)合的CTF 競賽的網(wǎng)絡(luò)安全課程教學(xué)改革[11]。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)是一門新興課程，既具有有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)安全的共性問題，又有其特殊性（例如無線傳輸?shù)拈_放性），移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)面臨著越來越多的各種類型的惡意攻擊挑戰(zhàn)，安全威脅層出不窮。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)既是一門綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)、密碼學(xué)、信息安全、操作系統(tǒng)等（如圖1所示）；同時(shí)，它又是一門對(duì)實(shí)踐能力要求非常強(qiáng)的課程。課程建設(shè)的首要任務(wù)，就是要先建立一個(gè)課程體系，將實(shí)踐能力的培養(yǎng)放在重要的位置。

圖1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)交叉學(xué)科

本研究的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以知識(shí)學(xué)習(xí)、問題求解能力提高和創(chuàng)新思維培養(yǎng)為目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容突出以“問題求解”為中心，并分層設(shè)計(jì)，主要包括驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)和專業(yè)型實(shí)驗(yàn)；依托在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，靈活采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)深度學(xué)習(xí)法”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將學(xué)科競賽、實(shí)際研究項(xiàng)目融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核環(huán)節(jié)。目的在于培養(yǎng)“悉攻擅守、攻防兼具”的多層次人才?；诖藰?gòu)建的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖2所示。

圖2 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)分層。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)分為知識(shí)學(xué)習(xí)、問題求解、創(chuàng)新思維和實(shí)戰(zhàn)能力4 個(gè)層次。知識(shí)學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)常用網(wǎng)絡(luò)安全和相關(guān)工具的運(yùn)用；問題求解是核心，強(qiáng)調(diào)綜合運(yùn)用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)知識(shí)解決問題的能力；創(chuàng)新思維是靈魂，強(qiáng)調(diào)發(fā)現(xiàn)新問題或發(fā)現(xiàn)解決問題的新途徑。至于實(shí)戰(zhàn)能力，是其他3 種能力的集中體現(xiàn)。學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，最終必須能靈活應(yīng)用于紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境中，做到悉攻善防、攻防兼具，能解決實(shí)際問題。因此，四者之間循序漸進(jìn)、有機(jī)結(jié)合而融會(huì)貫通。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分層。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)和專業(yè)型實(shí)驗(yàn)4 個(gè)內(nèi)容層次，依次對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的4 個(gè)目標(biāo)。難度由簡單到復(fù)雜，注重發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實(shí)際運(yùn)用和興趣引導(dǎo)。

為了激發(fā)主觀能動(dòng)性的學(xué)習(xí)探索的能力，對(duì)于實(shí)驗(yàn)任務(wù)，布置時(shí)一般只做宏觀指導(dǎo)，避免因過于細(xì)節(jié)化而弱化學(xué)生自主探索能力。學(xué)生在自主完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的過程中，遇到困難可以尋求教師指導(dǎo)，這種指導(dǎo)能為學(xué)生提供解決問題的有關(guān)線索；同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生之間、師生之間的討論和交流，以便豐富、矯正和加深對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)問題的解決方案，學(xué)生應(yīng)該更多利用網(wǎng)絡(luò)資源，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料，甚至可以參考博客、論壇上的技術(shù)文章。具體流程如圖3 所示。

圖3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

（4）以在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為支撐。利用在線攻防實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這樣可以打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，借助網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于增強(qiáng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的自主性，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

（5）分級(jí)累加考核，鼓勵(lì)創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式靈活多樣，實(shí)行分級(jí)累加。主要包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)答辯，以及線上攻防評(píng)測和學(xué)科競賽成績。實(shí)驗(yàn)答辯包括了視頻展示，主要突出對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的應(yīng)用情況、創(chuàng)新思維以及參加實(shí)際項(xiàng)目和相關(guān)大賽的認(rèn)定。評(píng)價(jià)的主要參考依據(jù)見表1。

將實(shí)驗(yàn)過程拍攝成視頻，是一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試。眾所周知，網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)有一定的復(fù)雜性和神秘性，視頻有利于展現(xiàn)這一過程。實(shí)驗(yàn)報(bào)告文檔是靜態(tài)的，主要是描述實(shí)驗(yàn)過程與分析、截圖、結(jié)果等；反映實(shí)驗(yàn)過程的視頻則是動(dòng)態(tài)的，能夠?qū)⑶榫爸噩F(xiàn)。實(shí)驗(yàn)視頻并非實(shí)驗(yàn)過程的簡單重現(xiàn)，也非只是簡單錄屏，一個(gè)優(yōu)秀的視頻必須先寫好“劇本”，如何妥善安排情節(jié)、完美展示過程大有學(xué)問，是對(duì)學(xué)生能力的拓展。實(shí)驗(yàn)視頻還有利于擠去實(shí)驗(yàn)“水分”，使抄襲無所遁形，提升實(shí)驗(yàn)報(bào)告的含金量。

表1 考核依據(jù)

目前國內(nèi)有各類全國性與地區(qū)性網(wǎng)絡(luò)安全競賽，以賽代練、以賽促學(xué)已經(jīng)成為一種培養(yǎng)人才、發(fā)現(xiàn)人才的重要途徑。競賽系統(tǒng)通常模擬真實(shí)環(huán)境，知識(shí)覆蓋面廣，能激發(fā)學(xué)生的興趣，是鍛煉實(shí)戰(zhàn)能力的有效途徑。我們鼓勵(lì)有能力的學(xué)生組隊(duì)參賽，指導(dǎo)學(xué)生成立“網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)會(huì)”的社團(tuán)組織，將能力較為突出、有共同興趣的學(xué)生組織起來，進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)能力的指導(dǎo)和培訓(xùn)，對(duì)獲獎(jiǎng)學(xué)生給予適當(dāng)加分或減免實(shí)驗(yàn)的獎(jiǎng)勵(lì)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)需要緊密聯(lián)系實(shí)際和注重興趣引導(dǎo)，緊跟學(xué)科前沿，時(shí)教時(shí)新。尤其像移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，技術(shù)日新月異，教學(xué)必須做到與時(shí)俱進(jìn)。像備受關(guān)注的5G 技術(shù)、鴻蒙OS、廣為應(yīng)用的App 安全問題、應(yīng)用日益普遍的移動(dòng)支付安全性問題等。力爭前沿技術(shù)都能有所反映，講深講透，輔以相關(guān)案例。

只有好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，才能夯實(shí)理論基礎(chǔ)、提高實(shí)踐應(yīng)用水平和學(xué)生的參與度。因此，我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)了分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，如圖4所示。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)和專業(yè)型實(shí)驗(yàn)由淺入深、循序漸進(jìn)，做到知識(shí)的學(xué)習(xí)、能力的提高、創(chuàng)新思維和實(shí)戰(zhàn)能力的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合、融會(huì)貫通。在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和實(shí)驗(yàn)層次的規(guī)范下，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的數(shù)量和質(zhì)量需要不斷增加和提高。

這一次，在《這！就是灌籃》中留著臟辮的林書豪成了年輕人眼中新的綜藝偶像。他剛好符合這個(gè)時(shí)代偶像的一切標(biāo)準(zhǔn)：長相帥氣、學(xué)習(xí)優(yōu)異、自律謙虛、情商高、懂幽默，更重要的是——永不放棄。

在前期建設(shè)中，課程已經(jīng)推出了一些精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，如Wi-Fi 熱點(diǎn)安全性綜合分析、微信紅包綜合分析設(shè)計(jì)、微信聊天安全性分析、穿越網(wǎng)關(guān)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)等。這些案例背景具有趣味性、工程性、實(shí)現(xiàn)方法的多樣性，密切聯(lián)系生活實(shí)際，接地氣，具備浸入性特質(zhì)；尤其提出拍攝實(shí)驗(yàn)視頻的要求，涉及知識(shí)面廣，分析、設(shè)計(jì)相結(jié)合，綜合性較高。雖總體上有一定難度，但仍很受學(xué)生歡迎?！皢栴}求解”成功所帶來的成就感，超越了他們艱辛求解過程所受的煎熬。

圖4 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

這些教學(xué)案例都采用了哪些“創(chuàng)設(shè)情景”的舉措呢？以“微信聊天安全性分析”為例。微信是目前國內(nèi)最大的社交軟件，可以實(shí)現(xiàn)聊天、傳輸文件等諸多功能，其安全性備受關(guān)注。該案例從技術(shù)層面分析其賬號(hào)，以及聊天、文件傳輸?shù)裙δ艿陌踩?，并要求設(shè)計(jì)一個(gè)微信聊天自加密的插件。實(shí)際上微信不止是對(duì)聊天信息進(jìn)行了加密，圖片（微信頭像和公眾號(hào)圖片除外）、其他文件傳輸也都加密。既然如此，為何還要對(duì)聊天信息再加密呢？

為了引入需求場景，我們注意到媒體關(guān)于“李書福炮轟微信”的報(bào)道。

報(bào)道說，2018 年元旦，吉利董事長李書福在公開場合說：“馬化騰肯定天天在看我們的微信。”李書福擔(dān)心的是自家的商業(yè)機(jī)密。實(shí)際上，微信為了能夠加密微信通信，同時(shí)使用到了RSA公鑰加密算法和AES 對(duì)稱加密算法，該案例前部分實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)。根據(jù)非對(duì)稱加密算法的原理，使用公鑰加密，私鑰解密。如果得到了私鑰，就可以從通信過程中截取數(shù)據(jù)包，利用私鑰分析出加密的通信內(nèi)容。運(yùn)營者本身擁有私鑰，理論上可以解密所有加密的通信內(nèi)容。所以李書福的擔(dān)憂是否會(huì)成真，完全取決于運(yùn)營者的道德水準(zhǔn)。

為了解決“李書福們”的擔(dān)憂，我們唯有自行對(duì)微信聊天信息進(jìn)行加密/解密。這樣一來，微信運(yùn)營者就不擁有我們加密的私鑰，從而保證微信聊天信息的安全性。“李書福們”就可以放心與生意伙伴通過微信談生意，而“馬化騰們”則不能獲知聊天內(nèi)容。

這樣的情景來自真實(shí)的社會(huì)需求，學(xué)生由此明白，微信已經(jīng)對(duì)聊天信息加密，我們還要對(duì)加密信息進(jìn)行再加密的原因。

3 利用開放式的在線攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)輔助教學(xué)

針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)開放性不足、評(píng)判自動(dòng)化水平低、缺乏實(shí)踐場景等問題，我們利用了優(yōu)質(zhì)的、開放的在線網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)包括了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全教學(xué)內(nèi)容。

平臺(tái)架構(gòu)如圖5 所示，其實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與習(xí)題發(fā)布、在線評(píng)測成績管理、統(tǒng)計(jì)分析、題庫管理等功能?？梢赃M(jìn)行考試、解題練習(xí)、闖關(guān)練習(xí)、攻防練習(xí)。對(duì)于考試，可以自定義生成試卷進(jìn)行考核管理。題目類型包含選擇題及操作題，通過試卷考查學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況，自動(dòng)評(píng)分。通過題庫管理功能，還可以將自行設(shè)計(jì)開發(fā)的題目導(dǎo)入習(xí)題系統(tǒng)或競賽系統(tǒng)，自由把控題目的難度和考核點(diǎn)。

圖5 在線攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)貫穿了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的多個(gè)環(huán)節(jié)。平臺(tái)是開放的，通過虛擬化場景的方式，提供了一個(gè)高度仿真的信息安全攻防實(shí)戰(zhàn)演練環(huán)境。演練有CTF 解題和A&D 攻防兩種模式，通過后臺(tái)自動(dòng)化部署攻防賽題，支持理論賽、解題賽、CTF賽等多種競賽模式。其中包括了多類CTF 題目，如Crypto、Reverse、Web、Pwn、Mobile、Misc、Code 等，具有豐富的攻防工具集，覆蓋漏洞探測、漏洞掃描、滲透測試、逆向工程、密碼破解等類型。這些題目思路新穎，綜合性強(qiáng)，其中不乏實(shí)戰(zhàn)中會(huì)遇到的環(huán)境，對(duì)個(gè)人能力的提升非常重要，對(duì)學(xué)生未來的工作和學(xué)習(xí)有非常積極的作用。

4 應(yīng)用效果分析及結(jié)論

本課程從2017 年春季學(xué)期單獨(dú)設(shè)課（36 課時(shí)），通過對(duì)移動(dòng)信息工程、信息安全、軟件工程等多個(gè)專業(yè)約740 人的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)的試點(diǎn)應(yīng)用，經(jīng)分析得出表2 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表2 教學(xué)改革效果統(tǒng)計(jì)

可以看出實(shí)驗(yàn)的參與度、完成度和實(shí)驗(yàn)層次的難易程度比較適配，在線實(shí)驗(yàn)方式也深受歡迎，學(xué)生對(duì)累加式的考核方式也持肯定態(tài)度。對(duì)于拍攝實(shí)驗(yàn)視頻的要求，我們是經(jīng)過試點(diǎn)，取得經(jīng)驗(yàn)后才推廣。但一般須完成實(shí)驗(yàn)后才能進(jìn)行拍攝，相當(dāng)于作一次總結(jié)。視頻是錄屏、外拍相結(jié)合（外拍介入比較簡短，根據(jù)情景需要，借助手機(jī)拍攝功能完成），但后期裁剪、合成、錄音和字幕制作等比較花時(shí)間，因而一些學(xué)生頗有微詞。但多數(shù)學(xué)生認(rèn)為，在完成實(shí)驗(yàn)之余，視頻制作拓展了能力，對(duì)培養(yǎng)全局觀很有幫助，能獲得意想不到的效果。該課程還進(jìn)入廣州大學(xué)城互選課程，廣州中醫(yī)藥大學(xué)、華南師范大學(xué)、廣州大學(xué)、廣東外語外貿(mào)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)的學(xué)生選修了本課程。

在學(xué)生參加網(wǎng)絡(luò)安全競賽方面，我校學(xué)生共有約90 人次獲得全國賽及省級(jí)賽特等獎(jiǎng)2 項(xiàng)、一等獎(jiǎng)3 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)9 項(xiàng)、三等獎(jiǎng)12 項(xiàng)（含1項(xiàng)國際賽）。值得一提的是，在2019 年7 月底舉行的第十二屆全國大學(xué)生信息安全競賽創(chuàng)新實(shí)踐能力賽總決賽上，我校學(xué)生組成的戰(zhàn)隊(duì)在全國排第6 名，獲得一等獎(jiǎng)，并在Buildit 環(huán)節(jié)勇奪“網(wǎng)絡(luò)安全創(chuàng)新單項(xiàng)獎(jiǎng)”。

在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，我們所創(chuàng)設(shè)的案例還獲得全國計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。微信紅包綜合分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)還被拍成微課，獲省級(jí)二等獎(jiǎng)。真正做到教學(xué)相長。

綜上所述，課程改革基本上達(dá)到了讓能力一般的學(xué)生有所提升、能力突出的學(xué)生更加出類拔萃的效果。

5 結(jié) 語

我們提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系兼顧知識(shí)學(xué)習(xí)、能力提高，又可以引領(lǐng)創(chuàng)新，教學(xué)內(nèi)容緊跟學(xué)科前沿，與時(shí)俱進(jìn)。通過改革考核方式鼓勵(lì)創(chuàng)新，建立在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓展創(chuàng)新空間，提升開展實(shí)驗(yàn)自由度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)由淺入深，層層深入，使學(xué)生對(duì)各種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全知識(shí)的理解水平隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行而提高，問題求解能力和創(chuàng)新思維也隨著知識(shí)的貫通而形成，并形成一定的實(shí)戰(zhàn)能力，實(shí)驗(yàn)的自主性得到很大提高。

改革后，整體教學(xué)效果頗為顯著，學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的把握更加系統(tǒng)，并能應(yīng)用于實(shí)際問題的解決，使學(xué)科視野得到開闊，這對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)戰(zhàn)型人才具有實(shí)際意義。