劉勇 王忠義 胡晶晶

[摘要]目前，軟硬件升級和維修的工作量大，實驗室建設(shè)資金緊缺、規(guī)模有限等問題在我國高校計算機(jī)實驗室普遍存在。但是隨著云計算在許多領(lǐng)域逐漸普及，為了更好地適應(yīng)新時代發(fā)展，促進(jìn)實驗室教學(xué)更靈活多變，更好地開拓實踐內(nèi)容和形式，達(dá)到實驗教學(xué)更好的效果，所以提出了將虛擬實驗室為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于云計算計算機(jī)實驗教學(xué)平臺的方案，同時逐漸應(yīng)用到各高校計算機(jī)實驗教學(xué)之中。本文從三個方面分析了云計算和虛擬化的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防實驗教學(xué)平臺的實踐教學(xué)，以供相關(guān)人士交流參考。

[關(guān)鍵詞]云計算;虛擬化的;計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防;實驗教學(xué)平臺

[中圖分類號] TP393.0

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

伴隨著現(xiàn)代信息技術(shù)以及“互聯(lián)網(wǎng)+”計劃的迅速發(fā)展，對于實踐教學(xué)方式也發(fā)生了很大的改變。其中教育信息化受到了很大的關(guān)注。為了培養(yǎng)出實踐能力強(qiáng)創(chuàng)造思維能力強(qiáng)，綜合素質(zhì)高的應(yīng)用型人才，實驗教學(xué)環(huán)境也有了很大的發(fā)展和提升。教育信息化也納入了國家發(fā)展戰(zhàn)略層面。云計算技術(shù)具有高擴(kuò)展性和虛擬化的計算模式，很多領(lǐng)域都會涉及云計算技術(shù)。因此云計算技術(shù)為很多高校提供了教學(xué)和資源建設(shè)的思路，有許多高校也逐漸建設(shè)云平臺虛擬實驗室，并開設(shè)與之相關(guān)的課程和教學(xué)實踐。構(gòu)建云計算計算機(jī)實驗教學(xué)平臺，不僅可以使高校計算機(jī)實驗室中每臺計算機(jī)獲得需要的各種資源，同時學(xué)生也可以根據(jù)自己的實際需要獲得不一樣的服務(wù)，進(jìn)一步提升資源利用率，降低實驗室對軟硬件的維修和升級成本，為學(xué)校對學(xué)生創(chuàng)新實踐教學(xué)提供了支撐。

1 建設(shè)背景

網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)如今已經(jīng)成為我們生活中所不可或缺的東西，人們對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度也在日益加深，在這樣的背景下，構(gòu)建和諧的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，保障網(wǎng)絡(luò)安全和公民的信息安全就顯得非常重要。但如今我國在網(wǎng)絡(luò)安全攻堅系統(tǒng)的設(shè)計方面還不太完全，網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)存在一些漏洞，近年來發(fā)生的一些威脅網(wǎng)絡(luò)安全的事件也表明，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，預(yù)防信息化戰(zhàn)爭，增加國家網(wǎng)絡(luò)軟實力，越來越成為維護(hù)國家安全的重中之重。如何提高網(wǎng)絡(luò)安全水平，近年來就有學(xué)者提出，可以利用云技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)安全水平，本文就從用云計算技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)安全水平的意義和怎么用云計算技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)安全水平兩個角度談基于云計算技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全攻防實驗平臺研究。

2 計算機(jī)實驗室存在的問題

在計算機(jī)實驗室中，提高教學(xué)質(zhì)量關(guān)鍵就是逐步提高計算機(jī)的軟硬件，但就現(xiàn)在高校而言，實驗室內(nèi)的計算機(jī)仍是每臺獨享的資源。如果對每臺計算機(jī)的軟件進(jìn)行更新升級和維護(hù)，則需要耗費(fèi)很多成本。由于信息化的發(fā)展和各高校無紙質(zhì)版考試的盛行，使目前各高校計算機(jī)實驗室規(guī)模仍不能滿足學(xué)生們進(jìn)行各種考試以及科研的需要，由于學(xué)生們所選的專業(yè)以及方向不同，高校為學(xué)生們準(zhǔn)備所需要實驗室軟件環(huán)境也不同，這導(dǎo)致計算機(jī)實驗室無法提供較為個性的服務(wù)，進(jìn)一步導(dǎo)致實驗室的利率降低。且每臺計算機(jī)需要日常的維護(hù)工作量大，耗費(fèi)了人力物力及財力。

3 云計算教學(xué)和虛擬平臺的設(shè)計及構(gòu)建

3.1 云計算教學(xué)和虛擬平臺的設(shè)計

云計算虛擬實驗室主要通過對服務(wù)器的計算整合以及存儲和對網(wǎng)絡(luò)資源的管理和分配，實現(xiàn)虛擬化。主要為教學(xué)和科研實驗以及創(chuàng)新實踐提供更好的實驗環(huán)境以及資源，達(dá)到注重應(yīng)用的同時減輕設(shè)備的目的。云計算教學(xué)和虛擬平臺中，實驗室的硬件設(shè)備主要是以架設(shè)云平臺為核心，具有開放性，靈活性、擴(kuò)展性、兼容性的特點，融合了計算網(wǎng)絡(luò)存儲以及安全資源的虛擬化，進(jìn)一步實現(xiàn)自動管理資源。

3.2 云計算教學(xué)和虛擬平臺的構(gòu)建

虛擬化管理平臺由三層組件構(gòu)成。其中云業(yè)務(wù)管理中心在最上層運(yùn)行，主要將資源及策略整合成數(shù)據(jù)中心資源池，達(dá)到混合運(yùn)用資源的目的。虛擬化管理平臺在中間層運(yùn)行.達(dá)到計算數(shù)據(jù)、管理網(wǎng)絡(luò)和存儲軟件虛擬化的目的。虛擬化內(nèi)核系統(tǒng)則在最底層運(yùn)行。虛擬化內(nèi)核系統(tǒng)主要用于屏蔽異構(gòu)硬件之間的差異，進(jìn)一步實現(xiàn)管理透明化，消除上層用戶的操作對硬件設(shè)備的依賴性，對功能進(jìn)一步優(yōu)化。虛擬實驗室提供了強(qiáng)大的服務(wù)器資源。如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計等實驗都可以在云平臺實現(xiàn)運(yùn)行。這進(jìn)一步提高了計算機(jī)實驗室的使用率。同時學(xué)校也可以通過和企業(yè)合作。邀請公司的培訓(xùn)教師為學(xué)生開設(shè)相關(guān)課程以及項目培訓(xùn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)實驗的基礎(chǔ)上，可以解決實際中的問題。學(xué)?？梢猿浞掷迷破脚_的特點，將實驗中涵蓋的軟件報告以及教學(xué)資源、學(xué)生信息等資源進(jìn)行整合放到云平臺當(dāng)中，使教師和學(xué)生之間進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)交流，達(dá)到資源使用的最大化。

4 云計算和虛擬化的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防實驗教學(xué)平臺的實踐教學(xué)

對于大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個重要措施就是創(chuàng)新實踐訓(xùn)練，這個措施同時也響應(yīng)了李克強(qiáng)總理于達(dá)沃斯開幕式上提出的大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的口號。為了更好地開展實踐教學(xué)，更要加強(qiáng)創(chuàng)新基地的建設(shè)和提升。云平臺通過互聯(lián)網(wǎng)提供動態(tài)易擴(kuò)展且為虛擬化的資源。通過云平臺可以構(gòu)建云數(shù)據(jù)中心，支持大量實驗資源的管理以及存儲。充分達(dá)到使教師和學(xué)生可以整合以及共享資源，同時不受時間和地區(qū)等各種因素的限制，方便教師和學(xué)生隨時隨地通過智能終端接人云平臺。

4.1 實驗教學(xué)平臺的基地建設(shè)

大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個重要措施便是對創(chuàng)新實踐的訓(xùn)練。由于創(chuàng)新基地作為推動學(xué)生進(jìn)行課外學(xué)習(xí)和科技實踐活動的主要場所，所以必須對創(chuàng)新基地進(jìn)行建設(shè)和升級?？梢猿浞掷锰摂M實驗室所提供云平臺，根據(jù)相關(guān)創(chuàng)新項目來構(gòu)建與之相應(yīng)的實驗環(huán)境。從一系列項目可以看出，采用了云平臺方式開創(chuàng)的新基地建設(shè)與以往的管理模式有所不同。例如構(gòu)建模擬化實驗室的核心是云平臺服務(wù)，云平臺服務(wù)所承擔(dān)的業(yè)務(wù)種類很多，所以在架設(shè)服務(wù)器的時候，要確保電源24小時不間斷運(yùn)行。在硬件資源的分配轉(zhuǎn)變上，采用虛擬化技術(shù)將硬件資源整合后，學(xué)生在使用時，不需要匹配機(jī)號和型號，并且可以根據(jù)自身項目的需要制定出個性服務(wù)。這種方式的轉(zhuǎn)變極大提高了對硬件維護(hù)和管理的效率，同時使實驗室負(fù)責(zé)老師有更多的時間與精力投入到實驗室管理的其他工作中去。

4.2 實驗教學(xué)平臺的創(chuàng)新實踐教學(xué)

創(chuàng)新基地為教師教學(xué)提供一個了很好教學(xué)的平臺，教師可以利用云計算提供的各種服務(wù)以及資源，對教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行不斷改革創(chuàng)新以及更深探索，融合創(chuàng)新實踐基本理念以及要素。在開展創(chuàng)新實踐過程中，教師通過結(jié)合虛擬化實驗提供的資源，根據(jù)學(xué)生專業(yè)年級興趣等內(nèi)容安排具體的創(chuàng)新實踐訓(xùn)練。例如，教師應(yīng)首先制定相關(guān)項目計劃，根據(jù)企業(yè)保留的項目資源劃分不同專業(yè)，先從低年級學(xué)生培養(yǎng)，高年級時進(jìn)行實際項目訓(xùn)練。其次，對于基礎(chǔ)學(xué)科進(jìn)行集中化的方式實施教學(xué)，使年級較低的學(xué)生能掌握最基本的技能，并且可以根據(jù)學(xué)生自身的興趣以及擅長的領(lǐng)域定制項目并進(jìn)行二次分配。最后將項目與比賽相結(jié)合實施以賽促學(xué)。教師在開始制定項目時，可以根據(jù)自身實際需要定制，這樣既充分鍛煉了學(xué)生的能力，又更好地與現(xiàn)實相結(jié)合。不僅提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，而且還可以將自己的作品參加與之相關(guān)的設(shè)計大賽，挑戰(zhàn)杯大賽等活動，通過比賽獲取更多的靈感以及收獲。

4.3 實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用案例

目前在云平臺上應(yīng)用的教學(xué)案例主要有兩種。一種是全校計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)，另外一種是信息工程學(xué)院專業(yè)課實驗教學(xué)。拿計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程作為例子，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生們親自上機(jī)的機(jī)會很少，教師做不到及時與學(xué)生進(jìn)行研究，跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。若使用云計算計算機(jī)實驗教學(xué)平臺變可以充分解決這個問題。教師可以在實驗開始之前，設(shè)置權(quán)限通過個人賬號登錄云平臺設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的選課情況以及人數(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的實驗虛擬機(jī)。學(xué)生在實踐教學(xué)平臺搭建成功后，登錄自己的個人賬號登錄云平臺選擇相應(yīng)課程。教師隨時可以監(jiān)督學(xué)生的實驗情況，并且相互之間可以進(jìn)行溝通。云平臺的操作模式是為每個同學(xué)創(chuàng)立了單獨的實驗空間，所以在實驗過程中學(xué)生們的實驗室相互獨立，并且互不干擾。這極大地提高了學(xué)生動手實踐能力，同時也提高了教學(xué)質(zhì)量。對于信息工程學(xué)院的專業(yè)課教學(xué)則需要大量軟件。云平臺模式是把所有軟件資源都集中在服務(wù)器上，學(xué)生僅僅需要基礎(chǔ)設(shè)施接入云端申請資源便可以使用，有效提高了資源利用效率。同時教師和學(xué)生都可以通過登陸云平臺進(jìn)行預(yù)約，教師和學(xué)生同時登錄云平臺開展教學(xué)實踐科研項目等培訓(xùn)。既滿足了學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，同時又提高了學(xué)校整體的科研能力和團(tuán)隊創(chuàng)造能力。

4.4 網(wǎng)絡(luò)攻防實驗步驟

在實驗教學(xué)平臺搭建完成之后，由教師修改實驗類別或?qū)W生用戶名等內(nèi)容，并且注意維護(hù)學(xué)生信息以及實驗所需的攻擊軟件工具包、虛擬攻擊機(jī)、虛擬靶機(jī)、鏡像庫防護(hù)軟件工具包和漏洞庫等一系列實驗資源。學(xué)生通過教師提供的賬號，通過輸入用戶名和密碼連接到實驗教學(xué)平臺。學(xué)生將賬號與實驗教學(xué)平臺建立連接后，便可以使用平臺上為學(xué)生分配的磁盤空間。學(xué)生根據(jù)教師所提供的實驗題目選擇與之相符合的虛擬機(jī)鏡像，并將創(chuàng)建的虛擬攻擊機(jī)實例和虛擬靶機(jī)實例創(chuàng)建到屬于自己的磁盤空間上。學(xué)生可以利用實驗教學(xué)平臺提供的防護(hù)軟件工具包和漏洞庫配置虛擬靶機(jī)實例以及攻擊軟件工具包配置攻擊機(jī)實例。同時還為學(xué)生提供了模擬真實復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，學(xué)生可以為虛擬靶機(jī)配置硬件防火墻等防護(hù)設(shè)備。當(dāng)學(xué)生成功連接好設(shè)備并完成實驗配置后，需要利用虛擬攻擊機(jī)實例和虛擬把機(jī)實例開展網(wǎng)絡(luò)攻防實驗，在實驗未完成前也可以保存當(dāng)前實驗狀態(tài)，以便下一次可以繼續(xù)進(jìn)行當(dāng)前實驗，若已完成實驗，則可以關(guān)閉虛擬機(jī)實例。在學(xué)生開始實驗時，監(jiān)控中心會自動收集經(jīng)過虛擬攻擊機(jī)實例和虛擬把機(jī)實例的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，方便學(xué)生隨時下載監(jiān)控中心捕捉的數(shù)據(jù)包，并對其結(jié)果進(jìn)行分析。學(xué)生在所有實驗完成后，監(jiān)控中心會自動監(jiān)測虛擬攻擊機(jī)內(nèi)的虛擬攻擊機(jī)實例和虛擬靶機(jī)實例的狀態(tài)，銷毀沒有操作的虛擬攻擊機(jī)實例和虛擬把機(jī)實例，及時釋放資源。

5 結(jié)語

在信息化快速發(fā)展的今天，云計算技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域日益廣泛，不僅在安排課程方面增添了新的內(nèi)容，而且讓實驗室實現(xiàn)一體化多元應(yīng)用效果。充分利用資源，逐漸開拓出了一個嶄新的教學(xué)空間。本文主要針對高校計算機(jī)實驗室中存在的問題提出了云計算教學(xué)和虛擬平臺設(shè)計及構(gòu)建，以及云計算和虛擬化的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)攻防實驗教學(xué)平臺的實踐教學(xué)。學(xué)生可以通過實踐教學(xué)平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程有線網(wǎng)絡(luò)攻防實驗，從而可以達(dá)到更深刻的體驗，真實復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)攻防的一系列過程。同時學(xué)生在為虛擬攻擊機(jī)模塊配置攻擊軟件時，能更深刻理解軟件運(yùn)行的各種細(xì)節(jié)以及網(wǎng)絡(luò)加固和防火墻工作原理。達(dá)到虛擬攻擊機(jī)和虛擬靶機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)攻防演練的教學(xué)目的。該平臺通過實現(xiàn)教學(xué)資源整合和共享提供創(chuàng)新實踐體系和與課程有關(guān)資源的服務(wù)。用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)按所需內(nèi)容獲得云端的計算網(wǎng)絡(luò)和存儲服務(wù)，有效解決了實驗室存在的各種問題。同時提高了資源利用效率，有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的能力以及實踐能力，使云計算提供的服務(wù)和資源管理，能夠更高效地運(yùn)用到實踐教學(xué)和管理之中。

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[作者簡介]劉勇（1985-）.男，山東省德州市人，初級職稱，研究方向：計算機(jī)應(yīng)用。