劉永磊 郝琨 杜征

摘要：《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)》課程是天津城建大學(xué)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)必修課，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是無(wú)線局域網(wǎng)安全實(shí)驗(yàn)，存在課時(shí)少、管理復(fù)雜、軟硬件資源受限等問(wèn)題，使用Linux+Apache+MySQL+PHP架構(gòu)的WEB應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)Aircrack-ng套件以及實(shí)驗(yàn)用硬件資源的訪問(wèn)、作業(yè)提交等功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)老師對(duì)作業(yè)的檢查和對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的便捷管理。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)合理配置軟硬件資源，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，有效地解決了現(xiàn)有問(wèn)題，并在省市級(jí)網(wǎng)絡(luò)安全競(jìng)賽中取得驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：無(wú)線局域網(wǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);網(wǎng)絡(luò)攻防;無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全;教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）10-0073-03

Abstract： The course of wireless network security technology is a compulsory course for undergraduates of network engineering whose major direction is network security. The experimental teaching， especially WLAN security experimental teaching， has problems such as less experimental class hours， complex experimental management and limited hardware and software resources. This paper realizes a WEB application using Linux， Apache， MySQL and PHP architecture. Students can access to aircrack-ng suite， experimental hardware resources， and other functions. Meanwhile， Teachers can manage experimental resources and learning status of students easily. The teaching experiment platform collocates hardware and software resources rationally， stimulates learning interest and initiative of students， effectively solves existing problems， and is verified in provincial cybersecurity competitions.

Key words： WLAN; experimental teaching; network attack & defense; wireless network security; teaching platform

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)和智能手機(jī)的發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用，人民的衣食住行越來(lái)越離不開(kāi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，然而由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性和設(shè)計(jì)之初的協(xié)議和機(jī)制漏洞，其安全性問(wèn)題也愈發(fā)凸顯[1]。天津城建大學(xué)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全方向《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要針對(duì)各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攻防工具和攻防演練進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，支撐課內(nèi)理論教學(xué)，包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論、各種安全算法和協(xié)議等。然而由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備繁雜、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攻防環(huán)境部署難度大、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法實(shí)現(xiàn)成本高等問(wèn)題[2]，現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)僅能支持單一的小型驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。本文針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，集成了kali Linux等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攻防工具，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

2 《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全》實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

天津城建大學(xué)現(xiàn)有的《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全》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)必修課，重點(diǎn)講授各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議和算法的原理以及存在的安全問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)或者物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)箱為主進(jìn)行藍(lán)牙、Zigbee等安全實(shí)驗(yàn)。缺少專門針對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。加之，課時(shí)和硬件資源的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳。

2.1 實(shí)驗(yàn)課時(shí)少

由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)僅有8學(xué)時(shí)，因此現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，綜合實(shí)驗(yàn)由于課時(shí)所限無(wú)法安排。現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排如表1所示。課時(shí)較少而且穿插在理論教學(xué)中，學(xué)生思考和查閱資料時(shí)間緊迫，效果不理想。而且由于前驅(qū)課程的缺失，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于Linux的操作與管理不太熟練，需要占用一部分課時(shí)。另外，實(shí)驗(yàn)中往往部分時(shí)間都在安裝虛擬機(jī)等環(huán)境搭建上。

2.2 生源編程及實(shí)踐能力薄弱

由于網(wǎng)絡(luò)工程系同學(xué)編程和實(shí)踐動(dòng)手能力的欠缺。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真實(shí)驗(yàn)，如NS仿真，教學(xué)開(kāi)展難度較大，規(guī)定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)很難完成。因此，在教學(xué)中只能所有取舍，選擇相對(duì)容易上手的無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)攻防演練。

2.3 無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)缺失

現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)方案，由于缺少無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生需占用時(shí)間進(jìn)行虛擬機(jī)部署，Kali Linux系統(tǒng)安裝、無(wú)線網(wǎng)卡安裝、無(wú)線路由器配置等環(huán)境搭建工作[3]。后續(xù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗演練自行在學(xué)生移動(dòng)PC上進(jìn)行，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺少統(tǒng)一管理和監(jiān)督的途徑，同時(shí)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中疲憊感較多，缺少樂(lè)趣，參與度較差，實(shí)驗(yàn)報(bào)告不可避免出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象。

2.4 現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)探索

現(xiàn)行《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，已經(jīng)受到很多學(xué)者的關(guān)注[4-7]。張麗等[4]采用虛擬化技術(shù)構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的仿真。薛海偉等[5]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電力行業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全攻防實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包含控制服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器、無(wú)線接入與終端設(shè)備等。但主要針對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的安全評(píng)測(cè)。亦有學(xué)者給出實(shí)驗(yàn)策略建議，如加強(qiáng)藍(lán)牙、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、Zigbee和RFID等實(shí)驗(yàn)[6]。路金明等[7]使用NS-2仿真軟件設(shè)計(jì)了無(wú)線室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。程香[8]將碎片化學(xué)習(xí)引入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程，設(shè)計(jì)了基于碎片化學(xué)習(xí)的“無(wú)線局域網(wǎng)MAC地址過(guò)濾配置”實(shí)驗(yàn)。對(duì)于上述改進(jìn)研究考慮到配置搭建成本和生源質(zhì)量，很難平滑地效仿到《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此，鑒于實(shí)驗(yàn)室的軟硬件資源現(xiàn)狀，我們依托相對(duì)易于部署的無(wú)線局域網(wǎng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

3 網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

通過(guò)使用Linux + Apache + MySQL + PHP架構(gòu)的WEB應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)Aircrack-ng套件以及實(shí)驗(yàn)用硬件資源的訪問(wèn)、作業(yè)提交等功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)老師對(duì)作業(yè)的檢查和對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的管理。改變實(shí)驗(yàn)課程枯燥的現(xiàn)狀，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和樂(lè)趣，進(jìn)一步提高《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

3.1 總體設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)部署在一臺(tái)Kali Linux服務(wù)器上，該服務(wù)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡與實(shí)驗(yàn)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，同時(shí)通過(guò)有線網(wǎng)卡與外網(wǎng)進(jìn)行連接并提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)服務(wù)。學(xué)生使用客戶端通過(guò)連接互聯(lián)網(wǎng)或校園局域網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，與平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交互，操作平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

系統(tǒng)基于Kali Linux操作系統(tǒng)，Aircrack-ng套件、相關(guān)開(kāi)源攻防工具、Apache服務(wù)、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)等依賴環(huán)境均部署在Kali Linux服務(wù)器上。通過(guò)Apache解析和執(zhí)行PHP程序，達(dá)到操作Aircrack-ng套件、開(kāi)源程序、讀寫文件系統(tǒng)、連接操作數(shù)據(jù)庫(kù)等目的，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。其中，絕大多數(shù)操作均由Apache控制完成。客戶端方面，用戶使用WEB瀏覽器向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，由Apache服務(wù)處理客戶端請(qǐng)求并根據(jù)客戶端的請(qǐng)求做出響應(yīng)，為客戶端返回相應(yīng)頁(yè)面和信息，并根據(jù)客戶端請(qǐng)求在服務(wù)器端執(zhí)行相應(yīng)操作。

3.2 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

學(xué)生用戶的主要功能包括登錄、網(wǎng)絡(luò)掃描、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)、密鑰破解、握手包查看、作業(yè)管理、密碼修改等。教師角色用戶的主要功能包括用戶管理、用戶添加、通知管理、通知添加、通知詳情、網(wǎng)卡管理、作業(yè)管理、密碼修改等。其中，典型的學(xué)生進(jìn)行暴力破解實(shí)驗(yàn)的功能如圖2所示。

典型的教師作業(yè)功能如圖3所示。

3.3 云拓展討論

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)部署使用，但由于服務(wù)器計(jì)算能力的限制，僅能綁定少量無(wú)線網(wǎng)卡，提供小班實(shí)驗(yàn)授課。為適應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)模的擴(kuò)大，可將平臺(tái)部署在云上，但云服務(wù)器需配備有無(wú)線網(wǎng)卡，因此，進(jìn)一步設(shè)計(jì)虛擬化的無(wú)線攻防模擬場(chǎng)景（無(wú)須使用無(wú)線網(wǎng)卡）是下一步的工作。同時(shí)現(xiàn)有系統(tǒng)多網(wǎng)卡工作時(shí)的并發(fā)調(diào)度和資源分配也是進(jìn)一步的研究課題。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)實(shí)踐效果

該無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的改進(jìn)前期在天津城建大學(xué)16級(jí)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全比賽小組成員中用于比賽訓(xùn)練，隨后在17級(jí)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生中開(kāi)展了教學(xué)嘗試?！稛o(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)》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)必修課，大三下學(xué)期開(kāi)課。因此，本文的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)在2019-2020年春季學(xué)期首次實(shí)施，取得了良好的效果?！稛o(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)成績(jī)、理論成績(jī)和總評(píng)成績(jī)相比于往屆都有提高。另外，16級(jí)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(xiàng)三等獎(jiǎng)，比15級(jí)同學(xué)的取得的1項(xiàng)三等獎(jiǎng)大幅提升。

5 結(jié)論

為適應(yīng)天津城建大學(xué)“發(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(shí)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(biāo)。本文針對(duì)《無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革實(shí)踐，著力解決課時(shí)少，資源配置困難、教學(xué)平臺(tái)缺失等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)攻擊場(chǎng)景，方便學(xué)生在軟硬件資源受限的前提下遠(yuǎn)程在線實(shí)驗(yàn)，下一步我們將繼續(xù)深入探索，研究網(wǎng)絡(luò)安全課程群其他課程如安全協(xié)議分析，防火墻，入侵檢測(cè)等的教學(xué)改進(jìn)。

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