虛擬機技術在計算機網(wǎng)絡安全教學中的應用

湛江幼兒師范專科學校 陳瑩

在職業(yè)教育深化改革背景下，各專業(yè)、各學科對于高職學生技術應用能力的培養(yǎng)給予了更高的重視。在計算機網(wǎng)絡安全教學中，運用虛擬機技術營造進行實踐訓練的環(huán)境，可以解決學校硬件設備配備不足、供不應求的問題，讓每一名學生都有充分的機會進行練習，從而真正掌握維護計算機網(wǎng)絡安全的技術。對于高職計算機教師來說，一方面要正確認識虛擬機技術在輔助教學方面的特殊價值，進而積極地革新教學模式，將該技術運用到課堂教學中；另一方面又要從教學實踐中總結經(jīng)驗，從教學需求出發(fā)科學選擇虛擬機類型、合理配置虛擬機數(shù)量，讓虛擬機技術在計算機網(wǎng)絡安全教學中真正發(fā)揮應用價值，幫助高職學生實現(xiàn)計算機綜合應用能力的全面提升。

1 虛擬機技術在計算機網(wǎng)絡安全教學中的應用優(yōu)勢

虛擬機本質上是一個計算機系統(tǒng)，它能在一個完全隔離的環(huán)境下，利用軟件模擬硬件系統(tǒng)的所有功能。在保證虛擬機可以隔離運行的同時，還可以做到虛擬機與物理主機之間的資源同步。借助于虛擬機技術，可以有效避免高性能物理硬件性能過剩，以及老舊硬件運行負載偏低的問題，從而實現(xiàn)物理硬件利用效率的最大化。在計算機網(wǎng)絡安全教學中，虛擬機技術的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面，即節(jié)約資源、激發(fā)興趣、安全性高。

1.1 節(jié)約資源，提高教學效率

近年來高職院校生源數(shù)量呈現(xiàn)出增加趨勢，在計算機網(wǎng)絡安全的實踐教學中，經(jīng)常會出現(xiàn)學生數(shù)量多、計算機設備少的情況，導致學生上機實踐的機會不多，不利于學生計算機應用水平的提升。虛擬機技術的應用可以同步模擬物理主機的運行和操作，并且一臺物理主機可以同時支持多臺虛擬機獨立運行，這樣一來就可以用較低的成本，滿足計算機網(wǎng)絡安全實踐教學的需求，幫助學校節(jié)省了一大筆用于建設計算機實驗室的資金。另外，教師可以根據(jù)教學需要，將多臺虛擬機聯(lián)網(wǎng)運行或脫網(wǎng)運行，為教學管理也提供了便利。在集中講授計算機網(wǎng)絡安全知識或者進行操作演示時，教師可以選擇虛擬機聯(lián)網(wǎng)運行，讓所有學生都能統(tǒng)一觀看教學；在講解完畢后，教師再將虛擬機脫網(wǎng)運行，每名學生在自己的獨立虛擬機上進行實踐操作。這樣一來，在虛擬機技術的幫助下計算機網(wǎng)絡安全教學效率可以大幅度提升。

1.2 界面友好，激發(fā)學習興趣

在虛擬機技術下，模擬器中虛擬的網(wǎng)絡節(jié)點可以直接進入命令行配置模式，對每一臺虛擬機的詳細參數(shù)進行自定義配置，這樣就能有效避免多臺虛擬機同時運行時出現(xiàn)節(jié)點沖突而導致聯(lián)網(wǎng)運行不暢的問題。另外，虛擬機還可以自動備份系統(tǒng)日志文件，這樣當學生在虛擬機上進行實踐練習時，如果因為操作不當導致系統(tǒng)文件丟失，就可以直接啟用備份文件對服務器進行恢復，從而保證了教學的順暢進行，維護了教學系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[1]。除此之外，考慮到很多高職學生都是初步接觸計算機網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡管理，基于虛擬機技術的操作界面可以提供圖形窗口，內容更加簡單明了，操作界面更加友好，在降低學生的理解難度、激發(fā)學生的學習興趣方面也有一定的優(yōu)勢。

1.3 兼容性好，安全性能高

虛擬機除了能夠配置可獨立運行的應用程序與操作系統(tǒng)外，還同時具備主板、網(wǎng)卡等組件，因此它能夠完全模擬物理主機的運行和操作。同時，根據(jù)物理主機的操作系統(tǒng)（如Linux 操作系統(tǒng)）選擇與之對應的虛擬機軟件（Linux 虛擬機），可以保證兩者之間做到良好兼容，對優(yōu)化虛擬機在計算機網(wǎng)絡安全教學中的應用效果也有積極幫助。在虛擬機上模擬的沙盒環(huán)境，能夠降低病毒、木馬等對于物理主機帶來的不良影響，這也使得虛擬機技術具有較強的安全性。在計算機網(wǎng)絡教學中，如果有一臺虛擬機突發(fā)故障，其他虛擬機可以不受影響、繼續(xù)保持正常運行，有利于教學工作的順利開展。由此可見，計算機網(wǎng)絡教學中應用虛擬機技術，可以為廣大的教師和學生提供良好的實踐操作環(huán)境，對進一步提升高職學生的計算機網(wǎng)絡安全技術應用水平起到了積極幫助。

2 虛擬機技術在計算機網(wǎng)絡安全教學中的應用

2.1 教學內容簡介

SSH 是由IETF 的網(wǎng)絡小組制定的建立在應用層基礎上的安全協(xié)議，使用SSH 協(xié)議能避免遠程管理中可能產(chǎn)生的信息泄露問題；另外，在端口轉發(fā)模式下，多個TCP 端口的數(shù)據(jù)可以在經(jīng)過SSH 協(xié)議加密后進行轉發(fā)，從而提高加密信息在網(wǎng)絡傳輸過程中的安全性。

2.2 教學知識點分析

對于校園網(wǎng)絡來說，通常是以防火墻作為界限，將校園網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)隔離開來，從而保護內網(wǎng)主機不被外網(wǎng)訪問，達到保證校園內計算機設備及網(wǎng)絡安全運行的目的。基于SSH 的端口轉發(fā)功能可以輕易突破內網(wǎng)防火墻的限制，這也是計算機網(wǎng)絡安全教學中的重點內容之一。根據(jù)SSH 端口與應用連接方向是否一致，可以將SSH端口轉發(fā)可分為本地轉發(fā)（端口一致）、遠程轉發(fā)（端口不一致）2 種類型。以本地端口轉發(fā)為例，其過程如圖1所示。

圖1 本地端口轉發(fā)示意Fig.1 Schematic diagram of local port forwarding

結合圖1，正常情況下由于防火墻的存在，校園內網(wǎng)主機B 是不可以通過Internet 直接訪問外網(wǎng)主機D 的。但是在內網(wǎng)中，主機B 和主機A 可以互相訪問；外網(wǎng)中主機C 和主機D 也可以基于SSH 協(xié)議互相訪問[2]。這樣一來，就可以將主機C 作為正向代理服務器，從而突破防火墻限制與內網(wǎng)主機A 實現(xiàn)連接，建立起“B →A →C →D”的訪問鏈，實現(xiàn)了內網(wǎng)主機B 與外放主機D 的連接。

2.3 實驗教學設計

為了讓學生更加全面地了解SSH 端口轉發(fā)功能的具體應用，采用虛擬機技術模擬真實網(wǎng)絡應用場景，在仿真實驗中讓學生了解SHH 端口轉發(fā)配置、網(wǎng)絡路由配置、防火墻安全配置等知識點。本次實驗中使用了5 臺VMware 虛擬機，其中VMNet1 用于模擬內網(wǎng)、VMNet2用于模擬外網(wǎng)。內網(wǎng)防火墻由Linux 主機實現(xiàn)。該主機上有2 塊網(wǎng)卡，分別與內網(wǎng)和外網(wǎng)連接。另外，本次實驗中還在宿主機上配置了Wireshark 抓包軟件，用于檢測1#和2#虛擬機的流量情況，用于判斷哪些流量被加密，哪些流量未背加密。

實驗開始后，學生需要在虛擬機實驗環(huán)境下完成以下操作：（1）正確配置內網(wǎng)和外網(wǎng)的4 臺主機，并且保證4 臺主機能夠實現(xiàn)跨防火墻的互通訪問；（2）重新配置主機的防火墻參數(shù)和規(guī)則，使內網(wǎng)與外網(wǎng)隔離；（3）在內網(wǎng)主機上配置端口轉發(fā)應用，并檢測在主機上是否正常接收到轉發(fā)信息，用于驗證防火墻穿透效果。完成本次仿真實驗后，學生會對主機連通性配置、防火墻規(guī)則設置，以及SSH 端口轉發(fā)配置等重難點技術做到熟練掌握。

3 計算機網(wǎng)絡安全教學中應用虛擬機技術的注意事項

虛擬機技術的應用在創(chuàng)新教學模式、提高教學效率等方面發(fā)揮了顯著作用。隨著越來越多的教師開始嘗試在計算機網(wǎng)絡安全教學中應用這一技術，也遇到了一系列的問題。例如虛擬機資源分配不合理拖慢主機運行速度，或者是虛擬機軟件的選用不當導致學生的實踐操作受到影響。因此，計算機教師不僅要認識虛擬機技術在輔助教學方面的優(yōu)越性，同時還要正確、科學地使用該項技術，才能在計算機網(wǎng)絡安全的教學實踐中取得預期效果。

3.1 虛擬機軟件的選擇

虛擬機作為一種成熟的計算機系統(tǒng)，根據(jù)不同的分類標準可以劃分成若干類型。目前主流的虛擬機可分為3 類，即系統(tǒng)虛擬機、程序虛擬機、操作系統(tǒng)層虛擬化。其中在計算機教學領域應用較廣的是系統(tǒng)虛擬機，按照操作環(huán)境的不同又可以分為Linux 虛擬機、Windows 虛擬機、Mac 虛擬機等多種類型。從教學實踐來看，不同類型的虛擬機無論是在運行邏輯、上手難度，還是在運行穩(wěn)定性、功能豐富性等方面，均有較為明顯的差別。因此，在計算機網(wǎng)絡安全教學中，教師必須要基于教學需要出發(fā)，從多種虛擬機中選擇一種最合適的，才能達到理想的輔助教學效果。例如上文介紹的SSH 端口轉發(fā)教學案例中，使用的是一款經(jīng)典的VMware 虛擬機，最多可支持20 臺虛擬機模擬20 個網(wǎng)絡，可滿足復雜的計算機實驗教學需要[3]。在確定虛擬機類型以后，還要使物理主機和虛擬機同步運行并進行調試，保證兩者的同步性和兼容性，為下一步計算機網(wǎng)絡安全教學的順暢開展創(chuàng)設良好的虛擬教學環(huán)境。

3.2 虛擬機數(shù)量的規(guī)劃

在計算機網(wǎng)絡安全的教學實踐中，虛擬機的數(shù)量并非越多越好，事實上如果一臺主機下同時安裝多臺虛擬機，并且這些虛擬機同時啟動運行，會導致主機運行速度大幅度降低，反而會影響正常的教學進度。因此，教師要根據(jù)具體情況科學規(guī)劃虛擬機數(shù)量。通常需要考慮兩方面的影響因素，其一是物理主機的性能，其二是班級學生的數(shù)量。就高職計算機網(wǎng)絡安全教學來說，每個班級的人數(shù)在20 ～30 人，通常配備10 ～15 臺虛擬機即可在不影響主機運行速度的前提下，滿足大多數(shù)情況下的教學任務。除此之外，教師還要在虛擬機上也安裝與物理主機相同的應用軟件。為了避免課堂教學中集中下載軟件占用過多的課堂教學時間，需要計算機教師利用課余時間提前進行軟件的下載、安裝，并進行虛擬機的調試，保證虛擬機和物理主機能夠順利對接，實現(xiàn)正常通信，為正式開展計算機網(wǎng)絡安全教學創(chuàng)造有利條件。

3.3 合理使用虛擬機

將虛擬機應用到計算機網(wǎng)絡安全教學中，雖然在節(jié)約系統(tǒng)資源、激發(fā)學習興趣等方面表現(xiàn)出了諸多的應用優(yōu)勢，但是結合計算機網(wǎng)絡安全的教學內容來看，并非所有的內容都適合使用虛擬機技術輔助教學。通常來說，教師在講解理論性、基礎性的知識時，還是要以教材或課件為主。例如在備課階段圍繞計算機網(wǎng)絡安全教學的重要知識點制作PPT 或教學微視頻，這樣在課上講解概念、理論時，利用直觀、形象的圖片或視頻進行教學內容的展示。既可以起到活躍課堂氛圍的效果，同時還能讓學生保持學習的動力[4]。在完成理論講解后，立即安排學生進行上機實操，將理論與實踐融為一體。這時候就可以啟用虛擬機，為班級中的每一名學生都提供充分的操作機會，在這一過程中實現(xiàn)計算機應用水平的提升。另外，由于虛擬機有較好的獨立性，可以避免相互之間的干擾，這也為學生進行創(chuàng)造性的練習提供了必要條件，對進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力也有積極幫助，而這也是計算機網(wǎng)絡安全教學的目標之一。

4 結語

計算機網(wǎng)絡安全是一門實用性課程，要求高職學生通過學習了解常見的計算機網(wǎng)絡安全風險，并掌握應對這些風險的技術，切實增強學生保障計算機網(wǎng)絡安全的能力。而要想達到這一教學效果，在日常教學中除了做好理論的講解外，更為重要的是為學生提供充足的實踐機會，讓他們可以將理論與實踐相結合，實現(xiàn)應用能力的提升。虛擬機技術的應用能夠滿足這一需求，在計算機網(wǎng)絡安全教學中使用虛擬機創(chuàng)造實踐教學環(huán)境，既可以解決校內實訓設備供不應求的問題，同時又能滿足學生多樣化、個性化的實訓要求，對提高計算機網(wǎng)絡安全技術的應用水平和激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造力都是大有裨益的。當然，計算機教師在應用虛擬機技術時，也要注意合理配置虛擬機數(shù)量、科學選擇虛擬機類型，才能保證教學實踐的順利開展進而達到理想的教學效果。