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        基于網(wǎng)絡(luò)攻防的《密碼學(xué)》實驗教學(xué)探索

        2020-10-09 10:23:04劉永磊郝琨王麗
        電腦知識與技術(shù) 2020年18期
        關(guān)鍵詞:密碼學(xué)實驗教學(xué)教學(xué)模式

        劉永磊 郝琨 王麗

        摘要:《密碼學(xué)》課程是我校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全方向本科生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,其實驗教學(xué)存在實驗課時少,生源數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及編程能力薄弱,實驗內(nèi)容枯燥等問題,采用基于網(wǎng)絡(luò)攻防的實驗?zāi)J綄Α睹艽a學(xué)》課程實驗教學(xué)進行改進。教學(xué)模式從傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熞龑?dǎo),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性,有效地解決了現(xiàn)有問題,并在省市級網(wǎng)絡(luò)安全競賽中取得驗證。

        關(guān)鍵詞:密碼學(xué);實驗教學(xué);網(wǎng)絡(luò)攻防;安全競賽;教學(xué)模式

        中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

        文章編號:1009-3044(2020)18-0122-02

        開放科學(xué)(資源服務(wù))標識碼(OSID):

        1 引言

        隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)今民眾的衣食住行都離不開網(wǎng)絡(luò)。然而由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,加之各種病毒、惡意代碼、隱私泄露的肆虐,網(wǎng)絡(luò)空間安全問題越來越受到重視[1],作為網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科的重要基礎(chǔ)課,《密碼學(xué)》課程圍繞網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計的基礎(chǔ)理論、各種安全算法和協(xié)議以及應(yīng)用層安全展開。其課內(nèi)實驗課程涉及古典密碼學(xué)、分組密碼、公鑰密碼、hash函數(shù)、身份認證等[2],存在課程學(xué)時少,實驗枯燥等問題.本文將就上述問題研究以網(wǎng)絡(luò)攻防為抓手的實驗教學(xué)手段與方法。

        2 現(xiàn)行《密碼學(xué)》實驗教學(xué)中存在的問題

        我校現(xiàn)行的《密碼學(xué)》課程是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全方向本科生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,實驗課學(xué)時:8學(xué)時。存在實驗課時少,生源數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及編程能力薄弱,實驗內(nèi)容枯燥等問題。

        2.1 實驗課時少

        由于實驗課時僅有8學(xué)時,因此現(xiàn)有的實驗內(nèi)容多為驗證性實驗和簡單的設(shè)計性實驗,綜合實驗由于課時所限無法安排。現(xiàn)行實驗學(xué)時安排如表1所示。課時較少而且穿插在理論教學(xué)中,學(xué)生思考和查閱資料時間緊迫,效果不理想。

        2.2 生源數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及編程能力薄弱

        密碼學(xué)對數(shù)學(xué)要求較高,涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論等知識[3]。同時一些數(shù)論和有限域的知識先修課程中并未涉及。加之網(wǎng)絡(luò)工程系同學(xué)編程的基礎(chǔ)能力也有所欠缺。實驗教學(xué)開展難度較大,學(xué)生的精力往往困在編程上,而且密碼學(xué)經(jīng)典算法的理解。規(guī)定的實驗學(xué)時很難完成。

        2.3 實驗內(nèi)容枯燥

        現(xiàn)行的實驗方案,實驗內(nèi)容過于枯燥,實驗1是算法的編寫,實驗2由于學(xué)生編程能力所限,基本上為調(diào)用高級語言封裝的可復(fù)用hash函數(shù)。實驗3為驗證性實驗,學(xué)生查閱資料按照教程“照貓畫虎”。學(xué)生在實驗中成就感較少,缺少樂趣,參與度較差。同時鑒于實驗也缺少個性化任務(wù),不可避免出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象。

        3 基于網(wǎng)絡(luò)攻防的實驗教學(xué)

        基于上述問題,在《密碼學(xué)》實驗教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)攻防,改變實驗課程枯燥的現(xiàn)狀,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和樂趣,進一步提高《密碼學(xué)》實驗教學(xué)的質(zhì)量。

        3.1現(xiàn)有的實驗教學(xué)改進探索

        現(xiàn)行《密碼學(xué)》實驗教學(xué)中存在的問題,已經(jīng)受到很多學(xué)者的關(guān)注[4-7]。主要的改進探索包括:增加網(wǎng)上教學(xué)如課程網(wǎng)站與慕課,引入實驗平臺改善實驗環(huán)境與條件,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全競賽提高學(xué)生應(yīng)用實踐能力等。這些改進取得了一定的效果,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增強了對于知識點的理解和掌握程度。然而,結(jié)合我校實際,學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱,實驗課時相對緊張。因此在實驗設(shè)計與編排上,應(yīng)該更重視激發(fā)學(xué)生的興趣,引導(dǎo)后續(xù)學(xué)生利用課余時間主動學(xué)習(xí),而非過分追求實驗的高難度和綜合性。因此,我們結(jié)合網(wǎng)絡(luò)攻防將一些具備趣味性,涵蓋《密碼學(xué)》知識點,且難度適中的網(wǎng)絡(luò)攻防演練實驗引入到《密碼學(xué)》實驗教學(xué)中,重點在于激發(fā)同學(xué)興趣,引導(dǎo)學(xué)生課后主動學(xué)習(xí)。

        3.2 實驗編排

        改進后的實驗安排如表2所示。為解決課時少的問題,將部分實驗放在理論教學(xué)中采用邊講邊練或者現(xiàn)場演示的方式。如原實驗安排的實驗3。

        在新方案中,實驗1為對聊天軟件的改寫。事先給學(xué)生明文發(fā)送接收的聊天軟件,要求學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)分析工具如Wire-shark抓包分析網(wǎng)絡(luò)流量,窺探到明文聊天信息,然后改寫聊天軟件使用移位密碼、維吉尼亞密碼等對明文加密,對應(yīng)接收方編寫解密程序,最后使用網(wǎng)絡(luò)分析工具如Wireshark抓包分析加密后的網(wǎng)絡(luò)流量。實驗2為hash函數(shù)值暴力破解競賽,給定原文的范圍如23080000-23089999,并給出原文23085129的hash值,學(xué)生編寫hash函數(shù)值暴力破解程序,按照學(xué)生完成破解出原文23085129的時間評定成績。引導(dǎo)學(xué)生思考為何要給定原文的范圍以及Hash值暴力破解的防御。實驗3為簡易的Web滲透攻防,引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)一些簡易的Web滲透攻擊如soL注入,Samba服務(wù)攻擊等,為后續(xù)參加網(wǎng)絡(luò)安全競賽做準備。

        3.3 實驗成績評定方法

        實驗成績的評定方法為考勤10%,實驗1-3每個實驗占30%。其中,每個實驗都綜合了實驗報告,實驗中的表現(xiàn),以及實驗完成的時間排名等。由于每個實驗都有網(wǎng)絡(luò)攻防,實驗完成的時間計入成績,極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性主動性。同時根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和實踐動手能力為教師篩選隊伍做好網(wǎng)絡(luò)安全競賽前期工作提供了便利。

        4《密碼學(xué)》實驗教學(xué)改進實踐效果

        《密碼學(xué)》實驗教學(xué)的改進在16級-17級網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生的教學(xué)中開展?!睹艽a學(xué)》為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全方向?qū)W生的專業(yè)基礎(chǔ)課,大三上學(xué)期開課。因此,本文的實驗教學(xué)改進在2018-2019年秋季學(xué)期和2019-2020年秋季學(xué)期已經(jīng)實施了兩屆,取得了良好的效果?!睹艽a學(xué)》課程的實驗成績、理論成績和總評成績相比于往屆都有提高。另外,16級同學(xué)還在天津市大學(xué)生信息安全網(wǎng)絡(luò)攻防大賽[8]中取得了4項三等獎,比15級同學(xué)的取得的1項三等獎大幅提升。

        5 結(jié)論

        為適應(yīng)我?!鞍l(fā)展城市科學(xué),培育建設(shè)人才”的辦學(xué)宗旨,為智慧城市、數(shù)字化園區(qū)等城市建設(shè)領(lǐng)域培養(yǎng)核實的復(fù)合型人才,尤其是高素質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)人才培養(yǎng)目標。本文針對《密碼學(xué)》課程的實驗教學(xué)進行了改革實踐,著力解決課時少,實驗枯燥等問題,在實驗編排中引入網(wǎng)絡(luò)攻防,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)習(xí)的積極主動性,提高了學(xué)生在密碼算法,密碼技術(shù),密碼應(yīng)用等方面的實踐能力,下一步我們將繼續(xù)深入探索,研究《密碼學(xué)》課程群其他課程如無線網(wǎng)絡(luò)安全,防火墻,入侵檢測等課程的實驗教學(xué)改進。

        參考文獻:

        [1]張煥國,韓文報,來學(xué)嘉,等.網(wǎng)絡(luò)空間安全綜述[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2016,46(2):125-164.

        [2]任亞唯.《密碼學(xué)實驗》課程教學(xué)實踐探索[J].教育教學(xué)論壇,2019(10):120-121.

        [3] William StaⅡings.密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全——原理與實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2017. 19-45.

        [4]齊萬華,劉銘.《密碼學(xué)與應(yīng)用》課程混合教學(xué)模式方法探討[J].電腦知識與技術(shù),2019,15(4): 128-129.

        [5]吳萬青,杜瑞忠.基于網(wǎng)絡(luò)平臺的混合式教學(xué)法在密碼學(xué)教學(xué)中的效果評價[Jl.網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報,2019,5(3):1-6.

        [6]魏悅川,韓益亮.計算機密碼學(xué)課程的混合式、參與式教學(xué)研究與實踐[J].計算機教育,2019(3): 27-29.

        [7]郭華,蘭雨晴,高瑩,等.密碼學(xué)課程群教學(xué)方法探索與實踐[J].工業(yè)和信息化教育,2019(4): 52-55.

        [8]中國信息產(chǎn)業(yè)商會信息安全產(chǎn)業(yè)分會.信息安全鐵人三項賽[EB/OL].

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        【通聯(lián)編輯:王力】

        基金項目:天津城建大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項目(JG1937)

        作者簡介:劉永磊(1983-),男,天津市人,副教授,博士,主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)安全;郝琨(1979-),女,內(nèi)蒙古人,蒙古族,副教授,博士,主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)編碼;王麗(1986-),女,山西人,講師,博士,主要研究方向為光纖通信。

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