基于虛擬仿真的信息安全實驗教學體系構建

宦成林

摘要：隨著虛擬現實、云計算等技術的發展，虛擬仿真成為實驗教學改革的新途徑。本文在對相關高校信息安全實驗教學體系考察的基礎上，結合學科、課程和知識特性，分析了基于虛擬仿真構建信息安全實驗教學體系的必要性。作者根據所在學校人才培養定位，遵循“學生為主，全面育人”的理念，構建了“4層次-4形式-5模塊-6平臺”的信息安全虛擬仿真實驗教學體系，并提出了基于硬件虛擬、軟件仿真、云計算平臺支撐的技術實現方案。

關鍵詞：虛擬仿真;信息安全;實驗教學體系;系統架構

引言

近年來，網絡犯罪和信息安全事件頻發，從個人隱私泄露、核心數據被盜、自媒體社會輿隋到網絡間諜、網絡恐怖主義，威脅程度成幾何級增長。信息安全的研究和保障成為關系著國家安全的一個重要戰略，因此，構建可靠的信息安全保障系統，培養高素質的信息安全專業人才已成為當務之急。

信息安全是一門交叉學科，既要有深厚的數物基礎，也需要軟件工程、材料、微電子、法律、管理等學科知識的有力支撐，人才培養需要高度重視“實訓實戰”。各高校都在不斷探索和研究信息安全實驗教學體系。其中，電子科技大學構建了以“3層次、5模塊、砰臺”為內容的信息與網絡安全虛擬仿真實驗教學體，系，武漢大學構建了“基礎實驗綜合設計實驗研究創新實驗”的3層次實踐教學模式。北京郵電大學搭建了“以能力提升為中心項目實訓為基礎、創新培育為重點”的整體化實驗教學刨新體系。雖然有如此多的高校開展研究探索，但大多數高校的人才培養仍然停留在單純的理論授課或設備應用層面，并且高校都面臨開展真實實驗項目破壞性大、搭建實驗環境復雜、實驗成本高以及跨校實驗遠程共享難等問題。

虛擬仿真實驗教學體系建設的必要性

《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號）提出“加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設。加強實踐教學管理，提高實驗、實習實訓、實踐和畢業設計（論文）質量”等強化實踐育人環節的措施。（（教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》也指出，“建設仿真實訓基地等信息化教學設施，建設實習實訓等關鍵業務領域的管理信息系統，建成支撐學生、教師和員工自主學習和科學管理的數字化環境”。針對信息安全專業來說，構建基于虛擬仿真的實驗教學體系具有以下意義。

1.專業人才培養的現實需要

信息安全專業人才實踐性能力要求高，但受實驗環境、成本、管理的限制，真實實驗大多集中在基礎知識、原理的驗證上，停留在幫助學生掌握知識點的層面，無法組織學生開展分析、設計、評價等活動來完成綜合性實驗，綜合實踐能力、團隊協作和探究精神方面的培養無法得到保障。

2.信息安全知識/技能特性的內在需要

信息安全與網絡攻防本身具有破壞性，在真實的環境下進行網絡攻擊、病毒注入等實驗，會造成嚴重后果。為教學設置的安全漏洞也為校園網絡安全帶來很大的風險。同時，網絡安全運行原理可見性差，真實環境下只能在“超級終端”上以命令行的方式進行配置操作和顯示配置結果，無法看到運行機理。而在虛擬仿真實驗平臺，則可以用形象的圖形界面向學生展示實驗原理，如數據分組路由選擇、數據幀的快速交換等。

3.實驗室建設管理的客觀需要

信息安全實驗設備種類多，初期投入成本高，而且信息技術發展快，設備生命周期有限，更新非?？?，建立非常完備且與時俱進的實驗教學硬件環境比較困難，對日常實驗室的維護和管理要求也高。而虛擬仿真實驗教學平臺只需要少量的網絡硬件，采用硬件虛擬、軟件仿真的方式實現網絡實驗設備的更新換代，更新周期短，成本低。而且，利用軟件擴展性好的特性，可以將少量的網絡設備虛擬成大量虛擬網絡設備，更新硬件成本低。

4.資源開放共享的時代需要

基于虛擬仿真的實驗教學平臺為師生提供訪問入口，實現資源開放共享，突破實驗時間、空間、現場管理等限制，可以隨時隨地訪問進行自主實驗，也可以和課程教學緊密結合起來，方便開展隨堂實驗、隨課實驗，解決理論課與實驗課分離的狀況。

實驗教學體系構建

筆者所在學校信皂、安全專業是2017年設置的新專業，作為地方本科院校，專業建設按照“面向石油和農業，面向區域發展”的人才培養定位，重點培養網絡安全和軟件安全兩個方向的高素質應用服務型人才。

1.虛擬仿真實驗教學理念

第一，以學生為主的開放自主實驗。傳統的實驗中，在有限的實驗設備條件下，學生大多只能在規定的時間、規定的實驗室里，按照教師設定的實驗題目、步驟完成實驗，是被動地完成一項項學業任務，以學生為主的開放自主實驗，遵循“興趣驅動，問題引領，自主探究”的教學原則，依托云平臺的豐富實驗資源，時間與空間的開放共享為學生自主實訓提供強有力的保障，可實現全天候、個性定制化、大規模協同實驗。

第二，三結合全面育人。堅持“育人為本，理論與實踐教學并重，促進學生知識、能力、素質協調發展”的教學理念。在實驗平臺建設和實驗項目規劃上做到三結合：與理論課程相結合，在理論課間及時進行驗證實驗，鞏固知識學習;與項目相結合，在一門專業課程結束后，集中一到兩周時間完成一個綜合性項目實驗，強化專業技能;與競賽相結合，引導和鼓勵學生參加各類信息安全大賽，通過大賽集訓、比賽對抗，激發潛能，開拓創新。

2.虛擬仿真實驗教學體系

筆者所在學校以高素質應用服務型人才培養為宗旨，以全面提高學生綜合實踐能力為目標，構建了“4層次-4形式-5模塊-6平臺”的信息安全虛擬仿真實驗教學體系（如圖1）。

（1）4層次/類型

根據知識技能的難易程度，由簡單到復雜，從單一到綜合，設置了“基礎驗證型-綜合設計型-工程實訓型創新提高型”4層次實驗。4層次實驗按照“知識點知識鏈知識場-知識體”的認知規律為實驗教學規劃提供理論指導。

（2）4形式

不同的實驗層次/類型通過不同的形式來組織實施，其中主要有4種形式，分別為隨課實驗、課程設計、項目實訓、競賽對抗?；A驗證型實驗，配合課堂理論教學，在理論課上或課后進行隨課實驗。綜合設計實驗，是在一門課程結束后，集中一到兩周時間完成一個綜合項目的課程設計，單獨編排教學計劃。工程實訓實驗，針對軟件安全和網絡互聯安全兩個工程性比較強的模塊，設計了軟件安全工程和網絡安全總體規劃與實施兩個工程項目，單獨編排教學計劃，在大三下學期末和大四上學期初進行。創新提高實驗為選修實驗，幫助有興趣和學有余力的學生模擬競賽對抗。

（3）5模塊

根據《信息安全類專業指導性專業規范》和學校人才培養定位，設置了信息安全基礎、軟件系統安全、網絡互聯安全、網絡攻防、應用安全等5個實驗模塊，支撐《信息安全概論》《通信原理》《密碼學》《操作系統及安全》《數據庫原理及安全》《病毒原理與防治技術》《網絡安全》《軟件安全》等專業主干課程實驗教學任務，

（4）6平臺

實驗教學由信息安全基礎虛擬仿真平臺、軟件系統安全虛擬仿真平臺、網絡互聯安全虛擬仿真平臺、網絡攻防虛擬仿真平臺、物聯網應用虛擬仿真平臺、移動智能應用虛擬仿真平臺等6個實驗平臺支撐完成，初步規劃23項虛擬仿真實驗項目。

虛擬仿真實驗教學平臺系統架構

筆者基于“4層次-4形式-5模塊-6平臺”虛擬仿真實驗教學體系，提出門戶網站、教學信息管理和實驗平臺訪問功能一體的虛擬仿真實驗教學管理平臺解決方案。門戶網站提供消息發布、目錄導航、信息共享、展示宣傳等功能。管理平臺提供虛擬仿真教學的門戶網站、教學資源管理、教學信息管理等管理功能，并為用戶進入技術平臺提供入口;實驗平臺提供基于硬件虛擬、軟件仿真、云計算平臺支撐的虛擬仿真實驗教學功能。

1.管理平臺

管理平臺采擁B/S模式，為學生、教師和系統管理員提供的主要功能如圖2所示。

在用戶通過管理平臺登錄后，管理員實現實驗預約審核、師生信息管理和實驗資源管理;教師可以進行實驗內容設置實驗配置管理、實驗報告批改等;學生可以進行實驗預約、實驗資源獲取、實驗報告提交。同時，為實驗平臺提供入口。

2.實驗平臺

基于云支撐、硬件虛擬、軟件仿真構建虛擬仿真實驗平臺，該平臺由云平臺基礎層、服務支撐層、功能層等三層組成，如圖3所示。

（1）云平臺基礎層

云平臺基礎層承載所有的虛擬主機，復用計算資源，采用SDN、NFV和虛擬化技術，通過真實的物理設備與虛擬化設備的無縫耦合，提供多業務場景、多資源、大規模的仿真基礎環境。實體物理設備包括存儲服務器、磁盤陣列、靶場節點、路由器、交換機、防火墻、安全審計設備、堡壘機、云防護系統等。虛擬化設備包括虛擬PC、虛擬服務器、虛擬路由器、虛擬交換機、虛擬防火墻、虛擬web漏掃、虛擬WAF和虛擬IDS/IPS等常見網絡及安全設備。

（2）服務支撐層

服務支撐層將所有計算資源抽象化、池化，實現實驗計算資源的動態調度，主要提供知識庫、漏洞庫、靶場庫、數據庫、鏡像庫、工具庫等資源接口，通過調用底層相應資源池內容，為上層應用提供支撐服務，并提供消息協同、服務發現、服務管理和服務質量等策略機制，保障提供可靠的、多樣化的應用服務。

（3）功能層

通過功能層資源調用接口，為用戶層提供豐富的業務支撐能力，包括用戶管理、資源庫管理、演示體驗、實驗控制、測試驗證、網路復現等功能應用，并通過遠程桌面、仿真軟件和客戶端為用戶提供操作入口。

結語

依據《信息安全類專業指導性專業規范》，結合筆者所在學校人才培養定位和辦學實際構建的基于虛擬仿真的實驗教學體系及提出的可行的技術實現方案，對信息安全實驗教學改革起到了一定的指導作用，也希望能為同類高校實驗教學體系建設提供參考。