虛擬仿真云平臺(tái)下信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)課建設(shè)

史建燾, 李秀坤, 張宏莉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

虛擬仿真云平臺(tái)下信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)課建設(shè)

史建燾, 李秀坤, 張宏莉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

信息內(nèi)容安全課程是哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息安全專(zhuān)業(yè)本科生和研究生的核心專(zhuān)業(yè)課程,其教學(xué)內(nèi)容既有一定的理論深度,又對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力有很高的要求。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的諸多問(wèn)題,依托于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè),完成了從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的遷移,實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)實(shí)近虛、以虛補(bǔ)時(shí)、以實(shí)驗(yàn)虛”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,促進(jìn)了課程整合與實(shí)踐教學(xué)體系改革,并收到了良好的效果。

網(wǎng)絡(luò)仿真； 內(nèi)容安全； 云計(jì)算； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

按照“教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)”要求,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容。哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一直以來(lái)非常重視網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐教學(xué)方法的探索,并把優(yōu)秀的科研成果、工業(yè)界新技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。按照教育部相關(guān)文件的要求,學(xué)院于2014年成立了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”,并建設(shè)了3R(remote,real,rank)4A(anyone,anytime,anywhere,anytype)為主要特色的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)實(shí)近虛、以虛補(bǔ)實(shí)、以實(shí)驗(yàn)虛”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,促進(jìn)課程整合與實(shí)踐教學(xué)體系改革。信息內(nèi)容安全課程同樣遵循了學(xué)院的實(shí)踐教學(xué)改革思路,依托網(wǎng)絡(luò)與信息安全虛擬仿真云平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。我校信息安全專(zhuān)業(yè)于2002年經(jīng)教育部批準(zhǔn)成立,是國(guó)內(nèi)較早的信息安全專(zhuān)業(yè)之一。2006年又成為首批獲國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)批準(zhǔn)的“網(wǎng)絡(luò)空間安全”一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)的29所高校之一。信息內(nèi)容安全課程一直是我校信息安全專(zhuān)業(yè)本科生和研究生的核心專(zhuān)業(yè)課程,其教學(xué)內(nèi)容涵蓋信息內(nèi)容獲取技術(shù)、信息內(nèi)容識(shí)別技術(shù)以及信息內(nèi)容控制與管理技術(shù)等,既有一定的理論深度,又對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力有很高的要求,是信息安全類(lèi)課程中最具綜合性與實(shí)踐性的課程。學(xué)生要學(xué)好這門(mén)課程,如果僅僅靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須依靠系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),加深學(xué)生對(duì)理論的理解,靈活地將離散的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際信息內(nèi)容安全案例中。由于網(wǎng)絡(luò)安全類(lèi)實(shí)驗(yàn)自身的特點(diǎn),一些具有特殊環(huán)境要求、具有破壞性和不可逆后果的實(shí)驗(yàn)往往無(wú)法開(kāi)設(shè)。為了解決這些問(wèn)題我們建設(shè)了基于云計(jì)算技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)與信息安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái),并對(duì)信息內(nèi)容安全課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了改革,將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目搭建在云平臺(tái)之上,很好地克服了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境缺乏、網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的破壞、多種實(shí)驗(yàn)不能實(shí)施的問(wèn)題,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的主要問(wèn)題

和大多數(shù)信息安全類(lèi)課程一樣,信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)面臨的諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，可以總結(jié)歸納為如下幾點(diǎn)：

(1) 多樣化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境需求無(wú)法滿(mǎn)足。信息內(nèi)容安全課程內(nèi)容相對(duì)零散,需要學(xué)生掌握多方面的理論知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。不同教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)操作系統(tǒng)版本、軟件配置、網(wǎng)絡(luò)配置有著不同的要求,實(shí)驗(yàn)室如果通過(guò)不同的設(shè)備搭建不同的環(huán)境,一方面會(huì)大大降低硬件設(shè)備的利用率,另一方面也使得實(shí)驗(yàn)環(huán)境缺乏靈活性和擴(kuò)展性。

(2) 特殊實(shí)驗(yàn)的環(huán)境要求無(wú)法滿(mǎn)足。一些涉及大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)信息獲取的信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法很難實(shí)現(xiàn),一方面很難構(gòu)建滿(mǎn)足要求的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò),這種網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建和維護(hù)成本很高；另一方面由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可逆,并且具有破壞性,會(huì)對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

(3) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限,實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間固定,限制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索學(xué)習(xí)的熱情與創(chuàng)新能力拓展。需要突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間限制、空間限制和資源限制,支持學(xué)生時(shí)間上靈活安排、空間上不受限制、實(shí)驗(yàn)資源不受約束的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和方法。

(4) 受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法面向其他院校和社會(huì)人員共享,受益面窄；遠(yuǎn)程教學(xué)、MOOC等“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)無(wú)法開(kāi)展。

(5) 信息內(nèi)容安全課程同其他信息安全課程、計(jì)算機(jī)類(lèi)課程緊密關(guān)聯(lián),需要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)將這些知識(shí)與能力貫通。而當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境不適應(yīng)軟硬結(jié)合和學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求,實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有待整合,內(nèi)涵需要提升。

(6) 信息內(nèi)容安全類(lèi)實(shí)驗(yàn)大多是綜合性和創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn),需要支持學(xué)生自主創(chuàng)新及個(gè)性化實(shí)驗(yàn)的平臺(tái),以及支持多學(xué)科內(nèi)容交叉融合與協(xié)同創(chuàng)新的軟硬件環(huán)境和系統(tǒng)。

2 虛擬仿真云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

以上的問(wèn)題有些不僅是信息內(nèi)容安全課程面臨的問(wèn)題,也是其他信息安全和網(wǎng)絡(luò)類(lèi)課程的共性問(wèn)題。鑒于此,從2011年起我校計(jì)算機(jī)學(xué)院開(kāi)始著手建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái),建設(shè)目標(biāo)是支持大規(guī)模組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)以及網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)。2011年3月啟動(dòng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于虛擬機(jī)技術(shù)的面向信息安全專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)項(xiàng)目；2012年7月完成第一個(gè)原型系統(tǒng)；2012年9月通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)不足,改進(jìn)了平臺(tái)；2013年3月形成可用于信息內(nèi)容安全、信息安全概論等課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并具有良好的可擴(kuò)展性。2013年9月開(kāi)始在2012級(jí)信息安全專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課上使用,效果良好。2014年初改進(jìn)了云平臺(tái)架構(gòu)并與原平臺(tái)集成,目前該平臺(tái)不僅可以為有關(guān)課程提供支持,也可以開(kāi)放讓學(xué)生自由進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。2014年底開(kāi)發(fā)并集成了面向信息安全對(duì)抗賽CTF(capture the flag)的訓(xùn)練比賽平臺(tái)的訓(xùn)練部分。通過(guò)使用該平臺(tái)學(xué)生不僅在課程學(xué)習(xí)上得到實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng),同時(shí)在科技創(chuàng)新及信息安全對(duì)抗能力方面得到了培養(yǎng)。

云平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想基于SDN技術(shù)[1-2],其基本架構(gòu)和功能如圖1所示。

在目前的系統(tǒng)規(guī)模下,物理設(shè)備由8臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、1臺(tái)一級(jí)存儲(chǔ)服務(wù)器、1臺(tái)二級(jí)存儲(chǔ)服務(wù)器和1臺(tái)管理服務(wù)器構(gòu)成。計(jì)算節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)主機(jī)池,其上運(yùn)行所有的虛擬主機(jī)和虛擬路由器資源；一級(jí)存儲(chǔ)與計(jì)算節(jié)點(diǎn)主機(jī)池關(guān)聯(lián),并為其中所有的虛擬機(jī)提供磁盤(pán)卷,由高性能網(wǎng)卡保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐率；二級(jí)存儲(chǔ)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)靜態(tài)存儲(chǔ)資源,包括構(gòu)建虛擬機(jī)時(shí)用到的系統(tǒng)模板文件(包括操作系統(tǒng)和軟件配置)、ISO鏡像和磁盤(pán)卷快照等。管理服務(wù)器通過(guò)Cloudstack云管理軟件[3]管理所有計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源,功能包括虛擬機(jī)管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼⒅鳈C(jī)模板管理、環(huán)境模板管理、鏡像管理和運(yùn)行實(shí)例管理等。整個(gè)平臺(tái)的前端入口網(wǎng)站和服務(wù)也運(yùn)行于管理服務(wù)器之上,通過(guò)對(duì)Cloudstack進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)整合前后端功能,提供的服務(wù)包括課程管理、實(shí)驗(yàn)管理、用戶(hù)管理、實(shí)驗(yàn)監(jiān)控、遠(yuǎn)程桌面和自定義實(shí)驗(yàn),并分別提供了教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)入口、學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)入口和攻防演練平臺(tái)入口。其中教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前由管理員根據(jù)課程和實(shí)驗(yàn)需求構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境模板,包括安裝和配置一套實(shí)驗(yàn)環(huán)境中用到的所有虛擬機(jī)的主機(jī)模板,設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),配置虛擬路由器。教師根據(jù)選課人數(shù)啟動(dòng)相應(yīng)配套的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,學(xué)生通過(guò)遠(yuǎn)程桌面在任何時(shí)間、地點(diǎn)訪問(wèn)云中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師可以隨時(shí)監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況,通過(guò)遠(yuǎn)程操作提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。此外,云平臺(tái)還提供了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)功能和攻防演練功能,使實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程成為不受時(shí)空限制的開(kāi)放課程，實(shí)現(xiàn)了自主實(shí)驗(yàn),推動(dòng)了人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全虛擬仿真云平臺(tái)堅(jiān)持“設(shè)備環(huán)境虛擬化,實(shí)驗(yàn)感受真實(shí)化”的設(shè)計(jì)思想,開(kāi)發(fā)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)在方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí),做到讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中身臨其境,與真實(shí)環(huán)境做實(shí)驗(yàn)的感受一致。其主要特點(diǎn)如下。

圖1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)架構(gòu)及功能結(jié)構(gòu)圖

(1) 利用最新服務(wù)器虛擬化技術(shù)[4]建設(shè)數(shù)據(jù)中心云實(shí)驗(yàn)室平臺(tái),對(duì)服務(wù)器進(jìn)行整合,提高了中心機(jī)房服務(wù)器整體利用率,減輕管理人員負(fù)擔(dān),降低中心機(jī)房整體功耗,減少高校對(duì)機(jī)房及實(shí)驗(yàn)教室的運(yùn)維成本。

(2) 利用現(xiàn)有的桌面虛擬化應(yīng)用軟件[5]在管理端統(tǒng)一配置,提供現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程需要的環(huán)境模板,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速的部署,實(shí)施不同配置需求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

(3) 以鏡像和快照的方式保存所有的學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程和內(nèi)容,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的構(gòu)建提供支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(4) 建設(shè)服務(wù)于全校師生的云實(shí)驗(yàn)室接入網(wǎng)站,為不同需求的用戶(hù)提供虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的支持,保證學(xué)生可以不受空間和時(shí)間的限制,隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(5) 系統(tǒng)能夠在網(wǎng)絡(luò)通暢的情況下,保證500名學(xué)生(20個(gè)左右的小班)同時(shí)在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)，并保留學(xué)生3年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

當(dāng)前,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全虛擬仿真云平臺(tái)已經(jīng)可以支持大規(guī)模組網(wǎng)、主機(jī)協(xié)議棧開(kāi)發(fā)、路由器協(xié)議棧開(kāi)發(fā)、路由協(xié)議開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)病毒、網(wǎng)絡(luò)防火墻、網(wǎng)絡(luò)安全與防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)攻防對(duì)抗等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全實(shí)驗(yàn)。使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全虛擬仿真云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程有信息安全概論、信息內(nèi)容安全、安全程序設(shè)計(jì)、軟件安全、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等,涵蓋專(zhuān)業(yè)課程40%,由于該平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì),具有良好的平面擴(kuò)展性,支持加入實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)及安全類(lèi)課程的橫向擴(kuò)展,同時(shí)也可以繼續(xù)深入開(kāi)發(fā)競(jìng)賽平臺(tái)和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬仿真,實(shí)現(xiàn)縱向擴(kuò)展,進(jìn)一步支持學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐和競(jìng)賽演練,預(yù)計(jì)全部建設(shè)完成將達(dá)到80%的涵蓋率,并將對(duì)進(jìn)一步的MOOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6]的開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),對(duì)于提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全實(shí)踐能力的培養(yǎng)意義重大。

3 信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容建設(shè)

有了虛擬仿真云平臺(tái)的支撐,基于過(guò)去信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中遇到的種種問(wèn)題,從2012年秋季學(xué)期開(kāi)始,哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了全面改革,重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全部移到網(wǎng)絡(luò)安全云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展,并且提高了實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)?cè)谄谀┏煽?jī)中所占的比重。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置涵蓋了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容被動(dòng)監(jiān)測(cè)和獲取類(lèi)實(shí)驗(yàn),網(wǎng)絡(luò)文本內(nèi)容主動(dòng)獲取類(lèi)實(shí)驗(yàn)以及信息內(nèi)容的匹配和分類(lèi)實(shí)驗(yàn)。

信息內(nèi)容安全課程網(wǎng)站頁(yè)面如圖2所示,共包括4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)學(xué)時(shí)為3學(xué)時(shí)。

圖2 信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)課程云平臺(tái)界面

3.1 Winpcap被動(dòng)捕包實(shí)驗(yàn)

被動(dòng)捕包是指通過(guò)旁路監(jiān)聽(tīng)的方式,收集流經(jīng)當(dāng)前網(wǎng)卡的所有數(shù)據(jù)報(bào)文。該技術(shù)是所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容相關(guān)安全產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中非常重要的一環(huán),是安全產(chǎn)品其他功能的基礎(chǔ)。被動(dòng)捕包技術(shù)包括硬件和軟件兩種,本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為一臺(tái)Window虛擬機(jī),采用Codeblocks開(kāi)發(fā)環(huán)境,配置安裝了Winpcap庫(kù)[7]。并通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的發(fā)包工具,在虛擬網(wǎng)卡上產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)包。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生編寫(xiě)程序完成難度遞增的多個(gè)任務(wù),并根據(jù)學(xué)生的完成情況給分。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在云實(shí)驗(yàn)環(huán)境的支持下,實(shí)現(xiàn)了以前難以考核的實(shí)驗(yàn)任務(wù),如根據(jù)協(xié)議類(lèi)型對(duì)數(shù)據(jù)包分類(lèi),提取多媒體數(shù)據(jù)等,使得不同層次學(xué)生都能得到鍛煉。同時(shí),由于各自獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中產(chǎn)生的仿真實(shí)驗(yàn)流量相同,能夠客觀地依據(jù)程序效率判別優(yōu)劣。

3.2 網(wǎng)絡(luò)論壇爬蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)

信息內(nèi)容安全技術(shù)的基礎(chǔ)是如何獲取網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)容,網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)就是一種按照一定規(guī)則,自動(dòng)的抓取互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的程序。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的環(huán)境為2臺(tái)虛擬機(jī),一臺(tái)可見(jiàn),可以遠(yuǎn)程登錄操作；一臺(tái)隱藏,IP地址固定,僅能通過(guò)程序訪問(wèn),不能在外部遠(yuǎn)程登錄。爬蟲(chóng)程序要求使用Python完成,采用Scrapy爬蟲(chóng)框架[8],在操作機(jī)的虛擬機(jī)模板中都已經(jīng)配置好相應(yīng)的程序框架,學(xué)生只需編程完成自己的程序功能。隱藏主機(jī)配置基于百度貼吧的論壇內(nèi)容鏡像,模擬在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)論壇,學(xué)生可以通過(guò)爬蟲(chóng)程序獲取內(nèi)容。基于云平臺(tái)的仿真環(huán)境,將流量限制在每個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)環(huán)境的內(nèi)容,很好地解決了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源無(wú)法滿(mǎn)足大量網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)程序同時(shí)運(yùn)行的需求。

3.3 URL字符串匹配實(shí)驗(yàn)

字符串匹配技術(shù)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的經(jīng)典問(wèn)題,同時(shí)也是信息內(nèi)容安全系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,由于網(wǎng)絡(luò)信息內(nèi)容數(shù)據(jù)量大,應(yīng)用需求多樣性等特點(diǎn)也對(duì)串匹配技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目環(huán)境為一臺(tái)Window虛擬機(jī),采用Codeblocks開(kāi)發(fā)環(huán)境,實(shí)驗(yàn)給出了標(biāo)準(zhǔn)的單模式KMP算法[9],多模式AC算法[10]、WM算法[11]和來(lái)源于學(xué)校優(yōu)秀科研成果自主研發(fā)的NameLookup算法和Rfp-Wm算法[12],供學(xué)生對(duì)比測(cè)試。要求學(xué)生根據(jù)在虛擬機(jī)上給出的多個(gè)Url數(shù)據(jù)集修改已有算法。由于每套實(shí)驗(yàn)環(huán)境都采用相同的虛擬機(jī)配置參數(shù),最后會(huì)根據(jù)在虛擬機(jī)上,相同數(shù)據(jù)集下匹配算法的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。

3.4 網(wǎng)頁(yè)新聞內(nèi)容文本分類(lèi)實(shí)驗(yàn)

高效成熟的文本自動(dòng)分類(lèi)技術(shù)在特定信息內(nèi)容識(shí)別、輿情分析、搜索引擎、自動(dòng)信息抽取、用戶(hù)信息過(guò)濾等信息內(nèi)容安全相關(guān)領(lǐng)域,都有廣泛的應(yīng)用前景[13]。該實(shí)驗(yàn)的環(huán)境采用一臺(tái)Windows虛擬機(jī),環(huán)境中給出了基本的程序框架,讓學(xué)生按照如下的文本分類(lèi)過(guò)程開(kāi)發(fā)程序：(1)收集訓(xùn)練集和測(cè)試集,對(duì)文本進(jìn)行預(yù)處理；(2)對(duì)文本類(lèi)別進(jìn)行人工標(biāo)注；(3)對(duì)文本進(jìn)行特征提取；(4)訓(xùn)練(學(xué)習(xí))；(5)評(píng)價(jià),需要給出包括精確率、召回率、F1、宏平均、微平均等常見(jiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中,前兩步在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中已經(jīng)實(shí)現(xiàn),給出的數(shù)據(jù)集為海量新聞內(nèi)容,并根據(jù)類(lèi)別分為教育、科研、體育等10個(gè)類(lèi)別,數(shù)據(jù)集的來(lái)源也是出自我校優(yōu)秀的科研成果。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)決策樹(shù)、樸素貝葉斯、K臨近等文本分類(lèi)方法。

4 實(shí)驗(yàn)課成績(jī)考核與教學(xué)效果分析

由于信息內(nèi)容安全課程體系中對(duì)實(shí)驗(yàn)技能有很高的要求,我們?cè)谡n程考核中加大了實(shí)驗(yàn)成績(jī)的占比,占期末成績(jī)的30%。在實(shí)驗(yàn)課考核上,根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成結(jié)果、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行綜合評(píng)定。在云平臺(tái)上給出了每個(gè)實(shí)驗(yàn)詳盡的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、具體的實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)記錄學(xué)生的登錄情況和收集學(xué)生的操作日志,教師可以遠(yuǎn)程查看和操作學(xué)生端虛擬機(jī)。云平臺(tái)上學(xué)生的實(shí)際情況可以作為成績(jī)的評(píng)定依據(jù)。

為了衡量采用云平臺(tái)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,我們記錄了每名學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)的登錄地點(diǎn)并進(jìn)行了量化統(tǒng)計(jì),如圖3所示；同時(shí)統(tǒng)計(jì)出了每個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體完成情況,如表1所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)登錄地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

表1 實(shí)驗(yàn)完成情況統(tǒng)計(jì)表

由于采用了基于云平臺(tái)的開(kāi)放式教學(xué),學(xué)生的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)不再集中在軟件實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇實(shí)驗(yàn)地點(diǎn),一方面節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室的硬件資源和人力資源,另一方面提高了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的積極性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的完成情況,可見(jiàn)每名學(xué)生都能完成全部實(shí)驗(yàn),優(yōu)秀率也反映出實(shí)驗(yàn)整體完成效果比較好。

同時(shí),圖4統(tǒng)計(jì)了學(xué)生登錄時(shí)間在一天24小時(shí)內(nèi)的分布情況,可見(jiàn)虛擬化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)24小時(shí)開(kāi)放的模式大大分散了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間,學(xué)生可以根據(jù)課程要求和自己的實(shí)際情況合理安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間,同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的利用率。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)登錄時(shí)間統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)信息內(nèi)容安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題,本文給出了依托虛擬實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè),并分析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。相比于原有實(shí)驗(yàn)方法,通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心,在資源約束、空間約束和時(shí)間約束的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下徹底突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式,打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆诠潭〞r(shí)間、固定地點(diǎn)和可獲取知識(shí)信息量有限等方面的制約,突破了場(chǎng)地的限制、時(shí)間的限制以及資源的限制,能夠面向更多學(xué)生開(kāi)出更多的實(shí)驗(yàn),給學(xué)生更多參與實(shí)踐的機(jī)會(huì),符合信息內(nèi)容安全課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求,并且完全可以在其他課程中進(jìn)行推廣,支持遠(yuǎn)程、異地、虛擬實(shí)驗(yàn),有助于從MOOC過(guò)渡到MOOE,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的電子化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化,從而提高教學(xué)效果,提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

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Construction of Information Content Security experimental course based on virtual simulation cloud platform

Shi Jiantao, Li Xiukun, Zhang Hongli

(School of Computer Science and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, China)

The Information Content Security course is one of the core courses for undergraduate and graduate students of Information Security major in Harbin Institute of Technology. The teaching content has not only a certain theoretical depth,but also the very high request to the practical ability of the students. To solve the problems in the experimental teaching of Information Content Security course,the construction of the experimental projects is based on the computer system of the Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Harbin Institute of Technology, which can help complete the transfer from the traditional experimental teaching platform to the virtual simulation teaching cloud platform. The new mode of experimental teaching is realized which obeys the principle of “The far is real and the near is virtual, the time is supplied by the virtual, and the virtual is verified by the real.” The reform of curriculum integration and practical teaching system is promoted. As a result,the good teaching effect is received.

network simulation; content security; cloud computing; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.003

2016-10-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(61402137)資助

史建燾(1980—)，男，黑龍江哈爾濱，博士，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、信息安全等方面的研究.

E-mail：shijiantao@hit.edu.cn

TP391.9;G642.423

A

1002-4956(2017)4-0009-05