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摘要：网络信息安全是网络计算机网络及相关专业的骨干课程，该课程的实验教学对于筑牢学生网络安全专业基础、提高学生网络安全技能至关重要。本文针对网络信息安全课程实验教学环节中存在的问题，提出将虚拟仿真教学平台应用于网络信息安全的教学环节之中，通过实际案例，探索虚拟仿真教学平台的应用模式，提高网络信息安全课程的教学质量。
关键词：虚拟仿真；网络信息安全；应用研究
本文引用格式：王杨惠,等.虚拟化仿真平台在网络信息安全实验教学中的应用研究[J].教育现代化,2019,6(16):122-124.
Application of Virtualization Simulation Platform in Network Information Security Experiment Teaching
WANG Yang-hui1,3，CONG Li-gang2,3，DI Xiao-qiang2,3
(1.School of Chemistry and Environmental Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun;2.School of Computer Science and Technology,Changchun University of Science and Technology,Changchun;3.Jilin Provincial key Laboratory of Network and Information Security,Changchun)
Abstract:Network information security is the backbone course of network computer network and related specialties.The experimental teaching of this course is very important for students to lay a solid foundation of network security and improve their network security skills.Aiming at the problems existing in the experimental teaching of network information security course,this paper puts forward the application of virtual simulation teaching platform in the teaching of network information security.Through practical cases,the application mode of virtual simulation teaching platform is explored to improve the teaching quality of network information security course.
Key words:Virtual simulation;Network information security;Application research
一 前言
随着计算机网络技术和规模的飞速发展，计算机网络在经济、国防、教育、文化等各个领域发挥的作用越来越大，全社会对于计算机网络空前依赖。随之而来的网络安全问题也空前严重，如果不能很好的解决网络安全问题将直接影响到我国的国家安全。正如习近平同志在中央网络安全和信息化领导小组第一次会议上指出的那样：“没有网络安全就没有国家安全，没有信息化就没有现代化”。网络信息安全已经被上升到国家安全高度，严峻的网络安全形势，迫切的社会需求，都要求更多专业技术过硬的网络安全人才投入到我国的网络安全行业之中。
因此，如何培养合格的网络安全人才成为了当今计算机教育工作者面临的重要课题。本文立足网络信息安全实验教学现状，对其中存在的问题进行了深入分析，并有针对性的提出了将虚拟仿真教学技术引入实验环节，通过虚拟实验教学技术弥补传统实验手段的不足，深入探讨了虚拟仿真教学平台在网络信息安全课程实验教学环节中的应用模式，通过一个阶段的使用，发现虚拟仿真教学平台能够有效解决传统实验室所存在的问题。
二 网络信息安全课程现状分析
网络信息安全技术是一个交叉学科。该专业以学习计算机科学与技术为主，兼学通信技术，同时还要加强数学、物理、法律和管理等方面的基础。要求学生在信息安全理论基础和实际能力两个方面都得到培养提高[1]。网络信息安全课程的重要性逐渐被人们认识到，高校逐渐加大对相关专业的投入越来越大，但是目前在该课程的实验教学方面还存在以下问题。
（一)实验学时不足
教学过程中，实验课作为理论课程的辅助课程开设，一般学时为理论课程的一半，甚至更少。对于强调实践、注重操作的部分专业课程来讲，单纯依靠课上提供的实验时间远远不能满足夯实专业知识和锻炼实践能力的要求。
（二）实验内容相对落后
实验内容是保障教学效果的核心，是辅助学生理解理论内容的关键，但是，长期以来，由于实验硬件环境和实验系统的限制，实验内容更新速度较慢，与技术发展存在较大差距。
（三）实验室资源开放程度不高
几乎所有的高校都致力于实验室资源的开放，但是由于教学任务、教师资源、设备维护等因素，实验室资源开放存在着各种困难和问题，导致大部分实验室开放程度并不高，长期以来实验资源得不到充分利用。
为了解决以上网络信息安全实验教学活动中存在的问题，必须从实验教学环境建设、实验内容设计、实验教学方式等多方面共同改进，努力提高网络信息安全实验的教学质量。
三 网络信息安全虚拟仿真实验平台
由于网络安全实验本身具有特殊性和破坏性，使用硬件设备构建真实网络系统还原网络网络安全往往会带来很多问题，无法满足多种实验要求，且实验前期准备和后期恢复系统都需要大量的工作。因此，使用虚拟仿真技术模拟真实网络、还原安全问题往往是进行网络安全实验教学的首选。利用虚拟化实验技术构建网络信息安全实验平台，可以很好的解决传统网络信息安全实验室存在的问题。
（一）长春理工大学网络信息安全实验平台简介[2]
笔者所在项目组立足于长春理工大学国家级计算机信息安全与网络攻防虚拟仿真实验教学中心技术基础，构建了基于云计算和虚拟化的网络信息安全实验教学平台。信息安全与网络攻防虚拟仿真实验教学平台是一个集虚拟仿真实验资源建设、展示、管理、共享、交流、服务于一体的网络教学管理环境[5]。平台提供自助式虚拟实验项目建设体系，利用虚拟现实技术辅助学生对虚拟仿真实验项目内容的认知和理解。学生可以在线学习虚拟仿真实验相关知识，预约虚拟实验设备和场地，通过网络共享平台的软硬件资源，完成计算机网络实践教学多项实验项目，包括网络信息安全与攻防技术这类特殊的实验项目。学生可以利用虚拟仿真平台搭建复杂的企业内部网络结构，可以手动配置、连接和使用虚拟实验仪器设备进行实验，在完成实验后，教师对实验结果可以进行教学考核、评价和反馈。
（二）网络信息安全虚拟仿真实验平台系统架构[3]
如图1所示，实验平台是在云计算平台开源项目OpenStack基础上构建的，可以利用OpenStack实现类似于Amazon EC2和S3的云基础架构服务。控制服务器和服务器节点都安装了Ubuntu操作系统；其中控制服务器还安装了Network模块，服务器节点安装了Nova和Swift，其他几个模块也在平台中得到了应用。实验平台利用控制服务器管理各个服务器节点，根据第一网络云存储和第二网络云存储中的镜像，建立虚拟靶机和虚拟攻击机。虚拟靶机和虚拟攻击机之间可以通过虚拟网络连接，也可以通过网络安全设备和网络连接设备连接，以此构建出多样化的网络环境。
四 虚拟仿真实验平台的应用
虚拟仿真平台支持网络信息安全领域的主要实验类型，包括操作系统安全、数据库安全、web安全、数据加密技术、网络攻防、计算机病毒等。本文以文件型病毒感染机制研究实验为例，介绍虚拟仿真实验平台的应用情况
（一）平台应用实例
本小节所介绍实验以文件型病毒为例，通过对该实验的描述，了解平台应用方法。计算机病毒原理及相关防护、查杀知识是网络信息安全的重要内容。本平台计算机网络病毒实验模块包括引导区病毒实验、文件型病毒实验、宏病毒实验、脚本病毒实验等多个模块，覆盖了典型的计算机病毒类型，包含近百种病毒源程序。虚拟仿真实验平台为学生提供了近似真实的实验环境，学生通过完成该平台提供的实验可以掌握病毒原理，明确病毒作用机理，分析病毒感染过程，学习病毒的防护知识和查杀方法。
（1）实验工具
本实验涉及的相关工具包括OLLYDBG、PE Explorer、LaborDayVirus.exe、UltraEdit等，其中OLLYDBG是一种具有可视化界面的32位汇编分析调试器，是一个新的动态追踪工具；PE Explorer是功能超强的可视化Delphi、C++、VB程序解析器，能快速对32位可执行程序进行反编译，并修改其中资源；LaborDayVirus.exe是文件型病毒程序；UltraEdit是一种优秀的文本编辑工具。在虚拟仿真实验平台上，已经将本实验所需的工具预先安装在实验虚拟机中，在实验过程中可以直接调用。
（2）实验过程
该实验过程分为以下步骤：
①将实验test.exe文件与病毒文件LaborDayVirus.exe文件放置在同一文件夹下，执行病毒文件，感染test.exe文件，执行test.exe文件，查看是否能正常执行，并记录现象；
②比较实验文件感染前后的大小变化，利用OLLYDBG和PE Explorer工具查看程序入口点变化情况，确认实验文件是否被感染；
③利用UultraEdit的文件对比功能，打开test.exe原文件副本和感染后的文件进行二进制对比，查看文件所发生的变化并记录；
④利用系统提供的例程，编写LaborDayVirus.exe病毒专杀程序，清除病毒。
通过以上步骤，学生可以掌握文件感染病毒的感染过程、文件感染病毒后所发生的变化以及病毒清除的方法。
（二）平台应用效果分析
基于虚拟仿真技术的网络信息安全实验平台的简称，为新课程、新内容、新教法的应用提供了可能，并为教学改革等实践活动提供了技术基础。目前，使用该平台已经为14门专业课程开设了实验，实验题目超过300个，彻底突破了实验室在空间和时间上对于学习活动的束缚。
同时，以该平台为基础，计算机科学技术学院成功举办了两届网络攻防大赛，夯实了学生网络安全基础，锻炼了学生网络安全技能。在2018年5月举办的首届吉林省大学生网络安全大赛中，我院学生取得了团体总分第一名的好成绩。
而且，通过进一步对比测验，使用虚拟仿真实验平台进行实验的同学平均实验成绩明显高于为使用该平台的同学。可以说，这些工作的开展，这些成绩的取得，都离不开虚拟仿真实验平台的应用。
五总结
虚拟仿真平台的应用，对于网络信息安全相关课程的实验教学起到了明显的促进作用。该平台不仅丰富了实验内容、降低了实验成本，还突破了空间和时间限制，将实验室搬到了互联网上，最主要的是极大地激发了学生的实验热情，解决了在文章开始所提出的目前实验教学中所存在的问题。可以说，虚拟仿真平台的应用，对于提高网络信息安全相关课程教学质量具有重要的促进作用[4-12]。
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