結(jié)合可視化分析與網(wǎng)絡(luò)掃描應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議教學(xué)策略探索

王峰 張浩軍 劉宏月 趙玉娟

[摘 要] 針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的TCP/IP協(xié)議及教學(xué)現(xiàn)狀，提出了結(jié)合可視化分析與網(wǎng)絡(luò)掃描應(yīng)用的教學(xué)策略，通過(guò)采用可視化協(xié)議分析工具，加深學(xué)生對(duì)協(xié)議工作原理的理解與掌握;通過(guò)探討TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)掃描中的廣泛應(yīng)用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提高教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] TCP/IP協(xié)議;可視化分析;網(wǎng)絡(luò)掃描;教學(xué)策略

一、引言

TCP/IP協(xié)議是“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程中最重要的教學(xué)內(nèi)容之一[1]，由于理論知識(shí)多，內(nèi)容較為抽象和枯燥，在傳統(tǒng)以“教”為主的教學(xué)模式中，側(cè)重于知識(shí)傳授，學(xué)生缺乏動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì);偏重于理論教學(xué)，偏離生活實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生很容易失去學(xué)習(xí)的積極性和興趣;學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，對(duì)理論課的掌握往往靠死記硬背的方式來(lái)應(yīng)付考試，并沒(méi)有將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用建立聯(lián)系，從而導(dǎo)致對(duì)課程內(nèi)容的理解不夠深入和透徹。

針對(duì)TCP/IP協(xié)議教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，本文提出了可視化分析與網(wǎng)絡(luò)掃描應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)策略。首先采用可視化協(xié)議分析工具，幫助學(xué)生理解與掌握抽象的協(xié)議工作原理;在此基礎(chǔ)上，介紹TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)掃描中的廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

二、可視化協(xié)議分析

盡管采用多媒體教學(xué)，通過(guò)課件中的圖片或動(dòng)畫(huà)演示，在一定程度上能夠使抽象的理論形象化、復(fù)雜的過(guò)程簡(jiǎn)單化，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深化對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。但學(xué)生仍然缺乏對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和數(shù)據(jù)包的直觀認(rèn)識(shí)。采用可視化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析工具可以明確觀察到計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)包的交互情況，以及數(shù)據(jù)包中各字段的值，便于深入了解協(xié)議的工作原理。為此，我們選用WireShark作為進(jìn)行可視化協(xié)議分析的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺(tái)。

以分析TCP協(xié)議為例，在理論講授的基礎(chǔ)上，選取廣泛應(yīng)用的WWW作為具體案例。首先通過(guò)問(wèn)題設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考、自主學(xué)習(xí)。然后通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察WireShark捕捉到的數(shù)據(jù)包并找出TCP連接建立時(shí)三次握手的各報(bào)文段以及連接釋放時(shí)四次揮手的各報(bào)文段，對(duì)TCP報(bào)文段中相關(guān)字段的含義進(jìn)行解釋說(shuō)明，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生回答提前設(shè)計(jì)的問(wèn)題，加深學(xué)生對(duì)TCP協(xié)議工作原理的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這種可視化的協(xié)議分析教學(xué)方法，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使課程講解的過(guò)程變成學(xué)生求解問(wèn)題的過(guò)程，而且可以使學(xué)生直觀地看到數(shù)據(jù)包的交互過(guò)程，更有利于學(xué)生理解TCP/IP協(xié)議的工作原理。

三、TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)掃描中的典型應(yīng)用

為了讓學(xué)生更好地掌握TCP/IP協(xié)議知識(shí)并在實(shí)踐中加以應(yīng)用，結(jié)合學(xué)校應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)定位，進(jìn)一步分析TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)掃描中的應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，用實(shí)際應(yīng)用去理解抽象的理論知識(shí)，并將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，從而深化對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

網(wǎng)絡(luò)掃描利用通信協(xié)議的工作機(jī)理，通過(guò)選用遠(yuǎn)程TCP/IP不同端口的服務(wù)，并記錄目標(biāo)給予的回答，可以搜集到很多關(guān)于目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的有用信息[2-4]。攻擊者利用網(wǎng)絡(luò)掃描技術(shù)可以探測(cè)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的漏洞;管理員利用網(wǎng)絡(luò)掃描技術(shù)則可以發(fā)現(xiàn)自身的系統(tǒng)漏洞以便進(jìn)行修補(bǔ)和防范，因此網(wǎng)絡(luò)掃描在信息安全中有著重要意義。TCP/IP協(xié)議在主機(jī)掃描、端口掃描和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)掃描等網(wǎng)絡(luò)掃描領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1.主機(jī)掃描。主機(jī)掃描的目的是確定目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)是否可達(dá)，其實(shí)現(xiàn)以ICMP協(xié)議為基礎(chǔ)，但防火墻和網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾設(shè)備常導(dǎo)致傳統(tǒng)的ICMP Echo、ICMP Sweep、Broadcast ICMP和Non-Echo ICMP等探測(cè)手段變得無(wú)效。為此，可以利用ICMP協(xié)議提供的錯(cuò)誤消息機(jī)制，通過(guò)構(gòu)造IP包來(lái)突破這種限制，如發(fā)送異常的IP包頭、在IP頭中設(shè)置無(wú)效的字段值、錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)分片。利用上述方法可檢測(cè)到目標(biāo)主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾設(shè)備的ACL（訪問(wèn)控制列表），而通過(guò)構(gòu)造超長(zhǎng)包，使得數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度超過(guò)目標(biāo)系統(tǒng)所在路由器的PMTU（路徑最大傳輸單元），并且設(shè)置其禁止分片標(biāo)志，則根據(jù)路由器反饋的差錯(cuò)報(bào)文可以獲得目標(biāo)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。

2.端口掃描。當(dāng)確定目標(biāo)主機(jī)可達(dá)后，就可以使用端口掃描技術(shù)主動(dòng)連接到目標(biāo)主機(jī)系統(tǒng)的TCP和UDP端口，以確定在目標(biāo)系統(tǒng)上哪些服務(wù)正在運(yùn)行，或者哪些服務(wù)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)[2]。TCP掃描技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以TCP報(bào)文首部的六個(gè)標(biāo)志位為基礎(chǔ)，通過(guò)有意傳送某種類型的報(bào)文，誘使服務(wù)器發(fā)送響應(yīng)報(bào)文，從而推斷出服務(wù)器端口的狀態(tài)[3，4]。其中，開(kāi)放掃描可靠性高，但會(huì)產(chǎn)生大量的審計(jì)數(shù)據(jù)，容易被發(fā)現(xiàn);隱蔽掃描能有效避免入侵檢測(cè)系統(tǒng)和防火墻的檢測(cè)，但其數(shù)據(jù)包在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)容易被丟棄從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的探測(cè)信息;半開(kāi)放掃描的隱蔽性和可靠性介于兩者之間[2]。UDP是面向非連接的協(xié)議，不需要建立連接過(guò)程。對(duì)普通UDP掃描、UDP recvfrom和write掃描，由于UDP和ICMP都是不可靠協(xié)議，因此一次掃描的結(jié)果不一定準(zhǔn)確，有時(shí)需要多次掃描才能得到準(zhǔn)確結(jié)果。此外，由于RFC對(duì)ICMP錯(cuò)誤消息的產(chǎn)生速率做了限定，所以掃描速度較慢。

3.遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)掃描。端口掃描通常只做簡(jiǎn)單的端口聯(lián)通性測(cè)試，基于端口掃描的結(jié)果，可進(jìn)一步通過(guò)操作系統(tǒng)探測(cè)了解目標(biāo)系統(tǒng)可能存在的安全漏洞。遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)掃描技術(shù)主要有應(yīng)用層探測(cè)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)堆棧特征探測(cè)技術(shù)：前者通過(guò)向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送應(yīng)用服務(wù)連接或訪問(wèn)目標(biāo)主機(jī)開(kāi)放的有關(guān)記錄來(lái)探測(cè)目標(biāo)主機(jī)的操作系統(tǒng);后者利用不同操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧在實(shí)現(xiàn)上的細(xì)微特征差別，通過(guò)對(duì)返回的數(shù)據(jù)包進(jìn)行深入分析獲取目標(biāo)主機(jī)的操作系統(tǒng)等信息[3，4]。

四、結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的TCP/IP協(xié)議教學(xué)中，基于教學(xué)現(xiàn)狀的分析，提出了結(jié)合可視化分析與網(wǎng)絡(luò)掃描應(yīng)用的教學(xué)策略，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，從而切實(shí)有效地提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和能力。

參考文獻(xiàn)

[1]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第7版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[2]張浩軍，楊衛(wèi)東，譚玉波，等.信息安全技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：水利水電出版社，2011.

[3]張義榮，趙志超，鮮明，等.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)掃描技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，40（2）：173-176.

[4]劉靜.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)掃描技術(shù)的隱蔽性研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26（6）：1481-1485.