信息安全專業(yè)“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)實踐改革的研究

文章編號：1672-5913(2008)10-0143-02

摘要：本文針對“嵌入式系統(tǒng)”課程的特點和教學(xué)中存在的難點，結(jié)合信息安全專業(yè)的教學(xué)實際，介紹了對該課程教學(xué)實踐等方面進(jìn)行全方位改革的實踐及體會。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；信息安全；教學(xué)實踐

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

信息安全專業(yè)是武漢大學(xué)在2001年在全國率先開設(shè)的專業(yè)，在國內(nèi)具有領(lǐng)先的地位，嵌入式系統(tǒng)是信息安全專業(yè)新設(shè)的必修課。由于信息安全專業(yè)的特殊性，目前尚沒有針對本專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)方面的實驗課程，只能照搬其他學(xué)科的教學(xué)和實驗內(nèi)容，無法反映嵌入式系統(tǒng)在密碼學(xué)和可信計算等信息安全領(lǐng)域內(nèi)的作用和特點。為了改變這一不利的局面，提高學(xué)生的實際動手能力，課程組將嵌入式系統(tǒng)的實驗引入到信息安全學(xué)科領(lǐng)域，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到信息安全教育領(lǐng)域，為信息安全專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)提供全新的學(xué)習(xí)方式，并培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)教學(xué)的個性化及教學(xué)資源的共享。

1嵌入式系統(tǒng)

現(xiàn)代信息安全技術(shù)實際上就是密碼學(xué)、信息論、通信等學(xué)科的密切結(jié)合，它不但應(yīng)具有過程控制功能，而且還應(yīng)具有信息管理能力。目前密碼的計算、網(wǎng)絡(luò)通信安全等信息安全技術(shù)正朝著微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，而嵌入式系統(tǒng)恰恰能夠全方位滿足信息安全發(fā)展的需要。

嵌入式系統(tǒng)是指作為一個部件嵌入于各種設(shè)備及應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部的計算機(jī)，一般由嵌入式微控制器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序四部分組成。它應(yīng)具有如下特點: (1)體積小、功耗小、結(jié)構(gòu)緊湊；(2)數(shù)據(jù)采集和處理能力強(qiáng)，實時性好；(3)采用非常規(guī)的輸入輸出設(shè)備(如標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、CRT顯示器)。

廣義地說，嵌入式系統(tǒng)是具有特定功能或用途的計算機(jī)軟、硬件的集合體。因此嵌入式系統(tǒng)可分為硬件部分與軟件部分，而相應(yīng)的嵌入式技術(shù)也可分為嵌入式硬件技術(shù)與嵌入式軟件技術(shù)兩部分。嵌入式系統(tǒng)的最高形式——片上系統(tǒng)(SoC)將是這些技術(shù)的集大成者。狹義的嵌人式系統(tǒng)則僅指裝入另一設(shè)備并控制該設(shè)備的專用計算機(jī)系統(tǒng)，包括目標(biāo)機(jī)與宿主機(jī)兩部分。

嵌入式系統(tǒng)可以大致分為如下類型: (1)單機(jī)嵌入式系統(tǒng)，它是以單機(jī)方式工作，獲取輸入并產(chǎn)生輸出；(2)實時嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)被要求在指定時間內(nèi)完成特定任務(wù)；(3)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這類系統(tǒng)是近年出現(xiàn)的一種新類型，能夠履行完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并能與網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點通信；(4)移動設(shè)備，該類設(shè)備可運(yùn)行功能強(qiáng)大的移動操作系統(tǒng)，支持無線網(wǎng)絡(luò)。

嵌入式系統(tǒng)經(jīng)歷了基于芯片、標(biāo)準(zhǔn)總線、嵌入式PC及高性能嵌入式計算機(jī)幾個發(fā)展階段，將向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、規(guī)范化、集成化方向發(fā)展。隨著微處理器、半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式計算機(jī)將向高性能、低功耗、源代碼公開化方向發(fā)展。

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，幾乎所有的電器設(shè)備，如掌上PDA、移動計算設(shè)備、電視機(jī)頂盒、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機(jī)、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動售貨機(jī)、蜂窩式電話、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等，無不同嵌入式技術(shù)有著密切的關(guān)系。教育行業(yè)作為各種電器設(shè)備和實驗設(shè)備的重要應(yīng)用行業(yè)，與嵌入式技術(shù)的關(guān)系顯得尤為緊密。

嵌入式系統(tǒng)作為當(dāng)代最為前沿的科技之一被應(yīng)用于信息安全專業(yè)當(dāng)中，正適應(yīng)了我國教育信息化的需求，這將有利于實現(xiàn)我國信息安全教育的跨越式發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)在教育行業(yè)的一個典型應(yīng)用是嵌入式計算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)。從理論上來講，密碼學(xué)以及可信計算等方向上的理論和算法的實現(xiàn)必須建立在硬件的基礎(chǔ)之上。嵌入式計算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)具有普通PC機(jī)的所有功能，但價格低于普通PC機(jī)，性能價格比高；嵌入式計算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)除具有普通PC機(jī)所有功能外，還具有多媒體處理能力(視音頻的硬解碼)和雙向控制功能。普通PC機(jī)則需要配備各種專用的軟硬件才能實現(xiàn)上述功能。嵌入式系統(tǒng)的這些特點非常適合信息安全專業(yè)開展相關(guān)的各種試驗。

2嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實踐改革

為了將嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)實踐應(yīng)用到信息安全學(xué)科領(lǐng)域，課程組考慮安排了一些驗證型的實驗，同時，也有指導(dǎo)的進(jìn)行了一些設(shè)計性的綜合實驗。下面簡單介紹一下信息安全專業(yè)嵌入式實驗的主要內(nèi)容。

(1) 嵌入式系統(tǒng)的密碼學(xué)實驗

密碼學(xué)是信息安全中的一個骨干基礎(chǔ)課程，是信息安全的學(xué)生的一門必修課。以往學(xué)生在學(xué)習(xí)密碼學(xué)課程的時候，主要是采用軟件的方式來驗證密碼算法是否可以正確實現(xiàn)，僅僅停留在理論證明的基礎(chǔ)上，同學(xué)們普遍反應(yīng)和實際的脫節(jié)。國家密碼委早已規(guī)定，一切密碼算法的使用都必須建立在硬件的基礎(chǔ)上?；诖耍瑓⒄掌渌麖S商的密碼機(jī)及設(shè)備，我們制定了密碼學(xué)的嵌入式實驗，該實驗分為2個步驟。

首先是驗證型步驟，學(xué)生利用ARM9實驗平臺的linux操作系統(tǒng)和C語言編寫AES或DES密碼算法，然后下載到嵌入式實驗板的Flash中去，利用minicom終端觀察程序在嵌入式平臺運(yùn)行的情況等。這種實驗和目前國內(nèi)主流的密碼機(jī)的工作方式基本類似，學(xué)生可以體會到密碼算法在實際中應(yīng)用的情況和特點。

在此基礎(chǔ)上，學(xué)生應(yīng)進(jìn)行跟高層的密碼機(jī)綜合實驗，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編程的知識，設(shè)計出PC機(jī)的文件如何通過局域網(wǎng)發(fā)送到嵌入式平臺自動加解密。這里需要學(xué)生深入掌握網(wǎng)絡(luò)編程、通信協(xié)議、主機(jī)客戶機(jī)應(yīng)答機(jī)制等許多問題。我們在具體的實驗環(huán)節(jié)中，會給學(xué)生介紹出大概的實驗流程，然后安排學(xué)生組成2～3人的實驗小組，利用課余時間查找相關(guān)資料，最終上機(jī)形成完整實驗過程，并由老師進(jìn)行點評。

(2) 嵌入式系統(tǒng)的安全增強(qiáng)操作系統(tǒng)

ARM使用的主流操作系統(tǒng)有WINCE、Linux、風(fēng)河等幾種，根據(jù)教學(xué)的實際需要，教學(xué)研究系統(tǒng)應(yīng)該使用開源的Linux操作系統(tǒng)，需要設(shè)計實驗了解和熟悉嵌入式操作系統(tǒng)的特點和使用方法，以及GUI方面實現(xiàn)的方法和概念，并結(jié)合信息安全中的相應(yīng)內(nèi)容，探討安全操作系統(tǒng)的形成。

目前在本科階段對于安全操作系統(tǒng)的概念，一般還是限于如何增強(qiáng)操作系統(tǒng)的安全功能，本實驗設(shè)計的是針對嵌入式Linux系統(tǒng)的某些操作命令的改進(jìn)，如利用用戶身份和口令的限制，改寫CP命令的源代碼，使 CP命令成為單行指令，或者在符合要求的情況下成為全功能指令。本實驗要求學(xué)生熟悉Linux開放的各種操作命令的源碼，既能讀懂，又可以按照自己設(shè)計的方案進(jìn)行改寫工作，學(xué)生在進(jìn)行此項實驗的過程中，可以真正的體會到開源操作系統(tǒng)的方便性和重要性。

(3) 利用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)安全實驗

信息安全中的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)是學(xué)生非常重視和學(xué)習(xí)生活中經(jīng)常遇見的課題，針對目前市場上出現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)攻防工具，在指導(dǎo)學(xué)生了解其原理后，針對DOS攻擊等設(shè)計一個堡壘機(jī)，或者蜜罐系統(tǒng)，利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。并將其掛在需要保護(hù)的PC機(jī)前端，利用其他的PC機(jī)進(jìn)行攻擊實驗，獲得攻擊和響應(yīng)數(shù)據(jù)，以加深對網(wǎng)絡(luò)攻防技術(shù)的理解。

(4) 嵌入式系統(tǒng)的其他實驗

除了和信息安全相關(guān)的實驗之外，我們還將計算機(jī)科學(xué)技術(shù)專業(yè)所必須掌握的嵌入式實驗有針對性的移植了一些過來，包括基本的Linux C編程實驗，嵌入式系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制實驗，miniGUI圖形化界面實驗等，這些實驗大多以驗證性實驗為主，主要是要求同學(xué)掌握嵌入式系統(tǒng)的一般技術(shù)和技巧。

值得一提的是，我們在安排上述1～3項實驗的時候，更多的是強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，要求學(xué)生能夠獨立的完成相關(guān)的設(shè)計工作，在交由老師評估后，再具體的實現(xiàn)。因此，對于這些實驗的具體實現(xiàn)我們也強(qiáng)調(diào)百家爭鳴，實驗本身沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案，讓每個小組都做出自己的特色。但是對于實驗報告的編寫，我們要求按照統(tǒng)一的格式，這樣雖然增加了教師的批改工作量，但是同學(xué)們普遍反應(yīng)效果良好，確實開動了腦筋，鍛煉了動手能力，同時對信息安全的一些理論知識的具體應(yīng)用，有了更加明確的認(rèn)識。

3嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實踐改革成果

目前，信息安全嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實踐改革已經(jīng)進(jìn)行了近兩年的時間，在這兩年中已取得了較好的成果。

首先，從信息安全專業(yè)的課程考試成績上可以明顯的看出，對于設(shè)計題等回答條理很清晰，各種理論的分析和使用都非常到位。

學(xué)生們在綜合性實驗的啟發(fā)下，對嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和信息安全知識的了解情趣也更加濃厚，已經(jīng)有同學(xué)自組興趣小組參加各類競賽。如由微軟主辦的，目前全球最大的學(xué)生科技大賽Imagine Cup。武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院學(xué)生自2005年開始參加此項賽事，2005-2006年度有4支隊伍進(jìn)入前200名，2006-2007年度有6支隊伍進(jìn)入前200名，并有一支隊伍入選全球前15名，獲準(zhǔn)進(jìn)入韓國參加總決賽，最終進(jìn)入前6名。武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院學(xué)生今年參加2007-2008年度的競賽，有五支隊伍進(jìn)入了前200名，目前正在準(zhǔn)備復(fù)賽。

同時，在IBM的嵌入式競賽中，我們也進(jìn)入了最終的TOP11。

以上成果說明，通過這次教學(xué)實踐改革，能夠調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，有效培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力，下一步，我們將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深化改革，將數(shù)字邏輯、組成原理等傳統(tǒng)課程結(jié)合信息安全專業(yè)的特點，制定出更有人才培養(yǎng)成效的實踐教學(xué)課程體系。

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