劉勇 王忠義 胡晶晶

[摘要]目前，軟硬件升級(jí)和維修的工作量大，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金緊缺、規(guī)模有限等問(wèn)題在我國(guó)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室普遍存在。但是隨著云計(jì)算在許多領(lǐng)域逐漸普及，為了更好地適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)更靈活多變，更好地開(kāi)拓實(shí)踐內(nèi)容和形式，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好的效果，所以提出了將虛擬實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于云計(jì)算計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的方案，同時(shí)逐漸應(yīng)用到各高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中。本文從三個(gè)方面分析了云計(jì)算和虛擬化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)，以供相關(guān)人士交流參考。

[關(guān)鍵詞]云計(jì)算;虛擬化的;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防;實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

[中圖分類號(hào)] TP393.0

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

伴隨著現(xiàn)代信息技術(shù)以及“互聯(lián)網(wǎng)+”計(jì)劃的迅速發(fā)展，對(duì)于實(shí)踐教學(xué)方式也發(fā)生了很大的改變。其中教育信息化受到了很大的關(guān)注。為了培養(yǎng)出實(shí)踐能力強(qiáng)創(chuàng)造思維能力強(qiáng)，綜合素質(zhì)高的應(yīng)用型人才，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境也有了很大的發(fā)展和提升。教育信息化也納入了國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略層面。云計(jì)算技術(shù)具有高擴(kuò)展性和虛擬化的計(jì)算模式，很多領(lǐng)域都會(huì)涉及云計(jì)算技術(shù)。因此云計(jì)算技術(shù)為很多高校提供了教學(xué)和資源建設(shè)的思路，有許多高校也逐漸建設(shè)云平臺(tái)虛擬實(shí)驗(yàn)室，并開(kāi)設(shè)與之相關(guān)的課程和教學(xué)實(shí)踐。構(gòu)建云計(jì)算計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不僅可以使高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中每臺(tái)計(jì)算機(jī)獲得需要的各種資源，同時(shí)學(xué)生也可以根據(jù)自己的實(shí)際需要獲得不一樣的服務(wù)，進(jìn)一步提升資源利用率，降低實(shí)驗(yàn)室對(duì)軟硬件的維修和升級(jí)成本，為學(xué)校對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)提供了支撐。

1 建設(shè)背景

網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)如今已經(jīng)成為我們生活中所不可或缺的東西，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴程度也在日益加深，在這樣的背景下，構(gòu)建和諧的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，保障網(wǎng)絡(luò)安全和公民的信息安全就顯得非常重要。但如今我國(guó)在網(wǎng)絡(luò)安全攻堅(jiān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面還不太完全，網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)存在一些漏洞，近年來(lái)發(fā)生的一些威脅網(wǎng)絡(luò)安全的事件也表明，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，預(yù)防信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，增加國(guó)家網(wǎng)絡(luò)軟實(shí)力，越來(lái)越成為維護(hù)國(guó)家安全的重中之重。如何提高網(wǎng)絡(luò)安全水平，近年來(lái)就有學(xué)者提出，可以利用云技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)安全水平，本文就從用云計(jì)算技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)安全水平的意義和怎么用云計(jì)算技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)安全水平兩個(gè)角度談基于云計(jì)算技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全攻防實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究。

2 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題

在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中，提高教學(xué)質(zhì)量關(guān)鍵就是逐步提高計(jì)算機(jī)的軟硬件，但就現(xiàn)在高校而言，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計(jì)算機(jī)仍是每臺(tái)獨(dú)享的資源。如果對(duì)每臺(tái)計(jì)算機(jī)的軟件進(jìn)行更新升級(jí)和維護(hù)，則需要耗費(fèi)很多成本。由于信息化的發(fā)展和各高校無(wú)紙質(zhì)版考試的盛行，使目前各高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模仍不能滿足學(xué)生們進(jìn)行各種考試以及科研的需要，由于學(xué)生們所選的專業(yè)以及方向不同，高校為學(xué)生們準(zhǔn)備所需要實(shí)驗(yàn)室軟件環(huán)境也不同，這導(dǎo)致計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法提供較為個(gè)性的服務(wù)，進(jìn)一步導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室的利率降低。且每臺(tái)計(jì)算機(jī)需要日常的維護(hù)工作量大，耗費(fèi)了人力物力及財(cái)力。

3 云計(jì)算教學(xué)和虛擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)及構(gòu)建

3.1 云計(jì)算教學(xué)和虛擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)

云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室主要通過(guò)對(duì)服務(wù)器的計(jì)算整合以及存儲(chǔ)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的管理和分配，實(shí)現(xiàn)虛擬化。主要為教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新實(shí)踐提供更好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及資源，達(dá)到注重應(yīng)用的同時(shí)減輕設(shè)備的目的。云計(jì)算教學(xué)和虛擬平臺(tái)中，實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)備主要是以架設(shè)云平臺(tái)為核心，具有開(kāi)放性，靈活性、擴(kuò)展性、兼容性的特點(diǎn)，融合了計(jì)算網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)以及安全資源的虛擬化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理資源。

3.2 云計(jì)算教學(xué)和虛擬平臺(tái)的構(gòu)建

虛擬化管理平臺(tái)由三層組件構(gòu)成。其中云業(yè)務(wù)管理中心在最上層運(yùn)行，主要將資源及策略整合成數(shù)據(jù)中心資源池，達(dá)到混合運(yùn)用資源的目的。虛擬化管理平臺(tái)在中間層運(yùn)行.達(dá)到計(jì)算數(shù)據(jù)、管理網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)軟件虛擬化的目的。虛擬化內(nèi)核系統(tǒng)則在最底層運(yùn)行。虛擬化內(nèi)核系統(tǒng)主要用于屏蔽異構(gòu)硬件之間的差異，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)管理透明化，消除上層用戶的操作對(duì)硬件設(shè)備的依賴性，對(duì)功能進(jìn)一步優(yōu)化。虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了強(qiáng)大的服務(wù)器資源。如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)都可以在云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。這進(jìn)一步提高了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用率。同時(shí)學(xué)校也可以通過(guò)和企業(yè)合作。邀請(qǐng)公司的培訓(xùn)教師為學(xué)生開(kāi)設(shè)相關(guān)課程以及項(xiàng)目培訓(xùn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以解決實(shí)際中的問(wèn)題。學(xué)?？梢猿浞掷迷破脚_(tái)的特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)中涵蓋的軟件報(bào)告以及教學(xué)資源、學(xué)生信息等資源進(jìn)行整合放到云平臺(tái)當(dāng)中，使教師和學(xué)生之間進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)交流，達(dá)到資源使用的最大化。

4 云計(jì)算和虛擬化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)

對(duì)于大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個(gè)重要措施就是創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練，這個(gè)措施同時(shí)也響應(yīng)了李克強(qiáng)總理于達(dá)沃斯開(kāi)幕式上提出的大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的口號(hào)。為了更好地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，更要加強(qiáng)創(chuàng)新基地的建設(shè)和提升。云平臺(tái)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且為虛擬化的資源。通過(guò)云平臺(tái)可以構(gòu)建云數(shù)據(jù)中心，支持大量實(shí)驗(yàn)資源的管理以及存儲(chǔ)。充分達(dá)到使教師和學(xué)生可以整合以及共享資源，同時(shí)不受時(shí)間和地區(qū)等各種因素的限制，方便教師和學(xué)生隨時(shí)隨地通過(guò)智能終端接人云平臺(tái)。

4.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基地建設(shè)

大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個(gè)重要措施便是對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐的訓(xùn)練。由于創(chuàng)新基地作為推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行課外學(xué)習(xí)和科技實(shí)踐活動(dòng)的主要場(chǎng)所，所以必須對(duì)創(chuàng)新基地進(jìn)行建設(shè)和升級(jí)?？梢猿浞掷锰摂M實(shí)驗(yàn)室所提供云平臺(tái)，根據(jù)相關(guān)創(chuàng)新項(xiàng)目來(lái)構(gòu)建與之相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。從一系列項(xiàng)目可以看出，采用了云平臺(tái)方式開(kāi)創(chuàng)的新基地建設(shè)與以往的管理模式有所不同。例如構(gòu)建模擬化實(shí)驗(yàn)室的核心是云平臺(tái)服務(wù)，云平臺(tái)服務(wù)所承擔(dān)的業(yè)務(wù)種類很多，所以在架設(shè)服務(wù)器的時(shí)候，要確保電源24小時(shí)不間斷運(yùn)行。在硬件資源的分配轉(zhuǎn)變上，采用虛擬化技術(shù)將硬件資源整合后，學(xué)生在使用時(shí)，不需要匹配機(jī)號(hào)和型號(hào)，并且可以根據(jù)自身項(xiàng)目的需要制定出個(gè)性服務(wù)。這種方式的轉(zhuǎn)變極大提高了對(duì)硬件維護(hù)和管理的效率，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)老師有更多的時(shí)間與精力投入到實(shí)驗(yàn)室管理的其他工作中去。

4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)

創(chuàng)新基地為教師教學(xué)提供一個(gè)了很好教學(xué)的平臺(tái)，教師可以利用云計(jì)算提供的各種服務(wù)以及資源，對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行不斷改革創(chuàng)新以及更深探索，融合創(chuàng)新實(shí)踐基本理念以及要素。在開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐過(guò)程中，教師通過(guò)結(jié)合虛擬化實(shí)驗(yàn)提供的資源，根據(jù)學(xué)生專業(yè)年級(jí)興趣等內(nèi)容安排具體的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練。例如，教師應(yīng)首先制定相關(guān)項(xiàng)目計(jì)劃，根據(jù)企業(yè)保留的項(xiàng)目資源劃分不同專業(yè)，先從低年級(jí)學(xué)生培養(yǎng)，高年級(jí)時(shí)進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目訓(xùn)練。其次，對(duì)于基礎(chǔ)學(xué)科進(jìn)行集中化的方式實(shí)施教學(xué)，使年級(jí)較低的學(xué)生能掌握最基本的技能，并且可以根據(jù)學(xué)生自身的興趣以及擅長(zhǎng)的領(lǐng)域定制項(xiàng)目并進(jìn)行二次分配。最后將項(xiàng)目與比賽相結(jié)合實(shí)施以賽促學(xué)。教師在開(kāi)始制定項(xiàng)目時(shí)，可以根據(jù)自身實(shí)際需要定制，這樣既充分鍛煉了學(xué)生的能力，又更好地與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合。不僅提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，而且還可以將自己的作品參加與之相關(guān)的設(shè)計(jì)大賽，挑戰(zhàn)杯大賽等活動(dòng)，通過(guò)比賽獲取更多的靈感以及收獲。

4.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用案例

目前在云平臺(tái)上應(yīng)用的教學(xué)案例主要有兩種。一種是全校計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，另外一種是信息工程學(xué)院專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)。拿計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程作為例子，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生們親自上機(jī)的機(jī)會(huì)很少，教師做不到及時(shí)與學(xué)生進(jìn)行研究，跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程。若使用云計(jì)算計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)變可以充分解決這個(gè)問(wèn)題。教師可以在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，設(shè)置權(quán)限通過(guò)個(gè)人賬號(hào)登錄云平臺(tái)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的選課情況以及人數(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)。學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)搭建成功后，登錄自己的個(gè)人賬號(hào)登錄云平臺(tái)選擇相應(yīng)課程。教師隨時(shí)可以監(jiān)督學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，并且相互之間可以進(jìn)行溝通。云平臺(tái)的操作模式是為每個(gè)同學(xué)創(chuàng)立了單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)空間，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)室相互獨(dú)立，并且互不干擾。這極大地提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，同時(shí)也提高了教學(xué)質(zhì)量。對(duì)于信息工程學(xué)院的專業(yè)課教學(xué)則需要大量軟件。云平臺(tái)模式是把所有軟件資源都集中在服務(wù)器上，學(xué)生僅僅需要基礎(chǔ)設(shè)施接入云端申請(qǐng)資源便可以使用，有效提高了資源利用效率。同時(shí)教師和學(xué)生都可以通過(guò)登陸云平臺(tái)進(jìn)行預(yù)約，教師和學(xué)生同時(shí)登錄云平臺(tái)開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐科研項(xiàng)目等培訓(xùn)。既滿足了學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，同時(shí)又提高了學(xué)校整體的科研能力和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造能力。

4.4 網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)步驟

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建完成之后，由教師修改實(shí)驗(yàn)類別或?qū)W生用戶名等內(nèi)容，并且注意維護(hù)學(xué)生信息以及實(shí)驗(yàn)所需的攻擊軟件工具包、虛擬攻擊機(jī)、虛擬靶機(jī)、鏡像庫(kù)防護(hù)軟件工具包和漏洞庫(kù)等一系列實(shí)驗(yàn)資源。學(xué)生通過(guò)教師提供的賬號(hào)，通過(guò)輸入用戶名和密碼連接到實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。學(xué)生將賬號(hào)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建立連接后，便可以使用平臺(tái)上為學(xué)生分配的磁盤空間。學(xué)生根據(jù)教師所提供的實(shí)驗(yàn)題目選擇與之相符合的虛擬機(jī)鏡像，并將創(chuàng)建的虛擬攻擊機(jī)實(shí)例和虛擬靶機(jī)實(shí)例創(chuàng)建到屬于自己的磁盤空間上。學(xué)生可以利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供的防護(hù)軟件工具包和漏洞庫(kù)配置虛擬靶機(jī)實(shí)例以及攻擊軟件工具包配置攻擊機(jī)實(shí)例。同時(shí)還為學(xué)生提供了模擬真實(shí)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，學(xué)生可以為虛擬靶機(jī)配置硬件防火墻等防護(hù)設(shè)備。當(dāng)學(xué)生成功連接好設(shè)備并完成實(shí)驗(yàn)配置后，需要利用虛擬攻擊機(jī)實(shí)例和虛擬把機(jī)實(shí)例開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)未完成前也可以保存當(dāng)前實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，以便下一次可以繼續(xù)進(jìn)行當(dāng)前實(shí)驗(yàn)，若已完成實(shí)驗(yàn)，則可以關(guān)閉虛擬機(jī)實(shí)例。在學(xué)生開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，監(jiān)控中心會(huì)自動(dòng)收集經(jīng)過(guò)虛擬攻擊機(jī)實(shí)例和虛擬把機(jī)實(shí)例的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，方便學(xué)生隨時(shí)下載監(jiān)控中心捕捉的數(shù)據(jù)包，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。學(xué)生在所有實(shí)驗(yàn)完成后，監(jiān)控中心會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)虛擬攻擊機(jī)內(nèi)的虛擬攻擊機(jī)實(shí)例和虛擬靶機(jī)實(shí)例的狀態(tài)，銷毀沒(méi)有操作的虛擬攻擊機(jī)實(shí)例和虛擬把機(jī)實(shí)例，及時(shí)釋放資源。

5 結(jié)語(yǔ)

在信息化快速發(fā)展的今天，云計(jì)算技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域日益廣泛，不僅在安排課程方面增添了新的內(nèi)容，而且讓實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)一體化多元應(yīng)用效果。充分利用資源，逐漸開(kāi)拓出了一個(gè)嶄新的教學(xué)空間。本文主要針對(duì)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中存在的問(wèn)題提出了云計(jì)算教學(xué)和虛擬平臺(tái)設(shè)計(jì)及構(gòu)建，以及云計(jì)算和虛擬化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生可以通過(guò)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程有線網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)，從而可以達(dá)到更深刻的體驗(yàn)，真實(shí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)攻防的一系列過(guò)程。同時(shí)學(xué)生在為虛擬攻擊機(jī)模塊配置攻擊軟件時(shí)，能更深刻理解軟件運(yùn)行的各種細(xì)節(jié)以及網(wǎng)絡(luò)加固和防火墻工作原理。達(dá)到虛擬攻擊機(jī)和虛擬靶機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)攻防演練的教學(xué)目的。該平臺(tái)通過(guò)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源整合和共享提供創(chuàng)新實(shí)踐體系和與課程有關(guān)資源的服務(wù)。用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)按所需內(nèi)容獲得云端的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)服務(wù)，有效解決了實(shí)驗(yàn)室存在的各種問(wèn)題。同時(shí)提高了資源利用效率，有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的能力以及實(shí)踐能力，使云計(jì)算提供的服務(wù)和資源管理，能夠更高效地運(yùn)用到實(shí)踐教學(xué)和管理之中。

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[作者簡(jiǎn)介]劉勇（1985-）.男，山東省德州市人，初級(jí)職稱，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。