王盛邦， 韋寶典

（中山大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州510006）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)空間被稱為“第五空間”，網(wǎng)絡(luò)空間安全不僅僅是學(xué)術(shù)界的事情，也關(guān)乎國計(jì)民生。習(xí)近平總書記指出：“沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全”［1］，網(wǎng)絡(luò)空間安全是國家安全的重要基石?？倳泴W(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)問題高度重視，并指出“網(wǎng)絡(luò)空間的競爭，歸根結(jié)底是人才競爭”［2］。目前，我國網(wǎng)絡(luò)安全人才主要來源于高校專業(yè)培養(yǎng)，人才產(chǎn)出與社會需求差距巨大，難以應(yīng)對日趨嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)空間安全形勢。2016年，教育部將“網(wǎng)絡(luò)空間安全”增設(shè)為一級學(xué)科，為“網(wǎng)絡(luò)空間安全”學(xué)科的教育與發(fā)展注入了強(qiáng)心針。特別在“新基建”浪潮下，網(wǎng)絡(luò)安全迎來新一輪發(fā)展動力［3］。網(wǎng)絡(luò)安全是“新基建”的重要內(nèi)涵，是未來“新基建”的堅(jiān)實(shí)保障［4-5］。

在眾多利好政策的推動下，許多高校加強(qiáng)了與網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)課程的教學(xué)和改革，學(xué)科建設(shè)得到空前發(fā)展。移動網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到社會的方方面面，同時也面臨著越來越多的各類惡意攻擊和挑戰(zhàn)，安全威脅層出不窮，加強(qiáng)相應(yīng)網(wǎng)管安全人才培養(yǎng)十分迫切。為此，我校于2016年起新開設(shè)移動網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)課程，經(jīng)過幾年建設(shè)和改革，已初見成效。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

移動網(wǎng)絡(luò)安全課程是交叉學(xué)科新課程，覆蓋廣泛的知識面，對任課老師、修課學(xué)生的綜合能力要求都很高，其先導(dǎo)課程包括通信技術(shù)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、密碼學(xué)、信息安全和電子商務(wù)等。首先要確定課程綱要，限于課時，將教學(xué)內(nèi)容精選為無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、WiFi身份認(rèn)證技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動終端操作系統(tǒng)安全、移動應(yīng)用安全等。由于該課程學(xué)生來自多個不同計(jì)算機(jī)類專業(yè)，存在一定專業(yè)差異，為此增加網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用基礎(chǔ)內(nèi)容，主要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議、協(xié)議分析、滲透測試技術(shù)等，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)打好專業(yè)提升基礎(chǔ)。

課程建設(shè)的目標(biāo)是面向綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)，以綜合運(yùn)用知識、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題為出發(fā)點(diǎn)，以創(chuàng)新能力和實(shí)戰(zhàn)能力培養(yǎng)為目標(biāo)。發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力可歸結(jié)為“綜合能力”，借助線上教學(xué)輔助平臺，線上/線下相結(jié)合，基于此構(gòu)建的移動網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系架構(gòu)

1.1 能力培養(yǎng)過程以遞進(jìn)方式分層

將培養(yǎng)過程劃分為基礎(chǔ)能力、綜合能力、實(shí)戰(zhàn)能力和創(chuàng)新能力4個層次?；A(chǔ)能力強(qiáng)調(diào)移動網(wǎng)絡(luò)安全滲透測試基本能力的運(yùn)用；綜合能力是核心，強(qiáng)調(diào)綜合運(yùn)用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)問題（如安全隱患、漏洞等）、解決問題（消除隱患、安全防御）的能力；實(shí)戰(zhàn)能力要求具備在錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的安全處置能力，能消除安全隱患，切實(shí)解決實(shí)際問題。而創(chuàng)新能力要求能發(fā)現(xiàn)新問題，或發(fā)現(xiàn)解決問題的新方法或新途徑。4個層次之間循序漸進(jìn)，綜合能力的培養(yǎng)逐次提升。

1.2 教學(xué)內(nèi)容按難度分層設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容開展移動網(wǎng)絡(luò)安全的實(shí)踐，對應(yīng)于教學(xué)的4個目標(biāo)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)型、綜合型和研究型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)戰(zhàn)能力，特增設(shè)專業(yè)型實(shí)驗(yàn)，依次將實(shí)踐類型劃分為設(shè)計(jì)型、綜合型、專業(yè)型和研究型實(shí)驗(yàn)，難度由基礎(chǔ)（如網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用設(shè)計(jì)）到高端（如Android App逆向分析），依次推進(jìn)。

1.3 教學(xué)方法采用基于深度學(xué)習(xí)的任務(wù)驅(qū)動法［6］

開展深度學(xué)習(xí)，教師發(fā)揮幫助引導(dǎo)作用，學(xué)生全身心參與綜合性、挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)。而任務(wù)驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)能力到綜合能力、專業(yè)能力到創(chuàng)新能力的質(zhì)變，有助于提升學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)。

為了激發(fā)學(xué)生主觀能動性的學(xué)習(xí)探索能力，對于實(shí)驗(yàn)任務(wù)宏觀指導(dǎo)是必要的，但應(yīng)避免因過于細(xì)節(jié)化。實(shí)驗(yàn)前學(xué)生要廣泛閱讀教材、課件和相關(guān)文獻(xiàn)資料，拓寬知識視野。對于經(jīng)學(xué)生“上下求索”仍難以獨(dú)立解決的問題，可以尋求老師進(jìn)行“微觀”指導(dǎo)，幫助學(xué)生解決關(guān)鍵問題［7］。

1.4 實(shí)踐教學(xué)以線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺為抓手

在網(wǎng)絡(luò)（特別是移動網(wǎng)絡(luò)）廣為普及的今天，借助線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，在網(wǎng)絡(luò)所及之處，學(xué)生可以遠(yuǎn)程進(jìn)行虛擬環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)。這樣可突破實(shí)驗(yàn)依賴于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的時空限制，同時也促進(jìn)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。

1.5 課程考核方式實(shí)行分級累加

主要考核項(xiàng)包括傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報告文檔、反映實(shí)驗(yàn)過程的視頻和線上攻防測試，研究性項(xiàng)（題）目和學(xué)科競賽成績作為參考項(xiàng)，主要突出對課程核心技術(shù)的掌握、應(yīng)用。評價的主要參考內(nèi)容見表1。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1 分層教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)課程不同，移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，更新?lián)Q代非?？?。如5G還未普及，6G已經(jīng)開始研發(fā)；WiFi 6尚未全面推廣，WiFi 7已經(jīng)在應(yīng)用測試。因而，本課教學(xué)內(nèi)容需要及時更新，將業(yè)界最新成果介紹給學(xué)生。像目前備受關(guān)注的5G技術(shù)、由于谷歌斷供華為安卓系統(tǒng)而橫空出世的鴻蒙OS［8］、APP安全隱私問題［9］、廣為普及的移動支付安全性問題［10］，等。

與傳統(tǒng)課程經(jīng)歷常年建設(shè)資源豐富截然不同，本課程在建設(shè)初期面臨教學(xué)資源尤其是實(shí)驗(yàn)資源嚴(yán)重缺乏的難題。經(jīng)過不斷探索和積累，推出了一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，其部分如表2所示。這些實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是比較完整的滲透測試實(shí)踐，綜合程度較高。題材上接地氣，融合了先進(jìn)性、探索性、新穎性、趣味性和實(shí)用性等特點(diǎn)。

表2 分層教學(xué)內(nèi)容

2.2 教學(xué)實(shí)例

以“利用DNS Tunnel繞過Web Portal認(rèn)證系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)為例，該案例以現(xiàn)實(shí)生活常見的WiFi連接的Web Portal認(rèn)證為切入點(diǎn)［11］，要求利用認(rèn)證系統(tǒng)存在的漏洞，建立DNSTunnel［12-13］繞過認(rèn)證系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。

Web Portal是目前在多數(shù)公共區(qū)域（如地鐵、商場、機(jī)場、賓館等）采用的一種認(rèn)證方式，該認(rèn)證方式的特點(diǎn)是通過手機(jī)號碼獲取密碼來實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。由于這種方式認(rèn)證方有收集手機(jī)號碼之嫌，用戶有顧慮。這也是本案例企圖繞過認(rèn)證的原因。如圖2所示是必勝客的Web Portal認(rèn)證頁面。

圖2 必勝客公司的Web Portal認(rèn)證頁面

為完成這樣復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)，需要部署DNS服務(wù)器，以及申請域名等。為了使學(xué)生免受實(shí)體設(shè)備不足的困擾，引導(dǎo)學(xué)生申請免費(fèi)的云服務(wù)器（如通過騰訊云），以及域名（每域名只需付費(fèi)1元）部署云端DNS服務(wù)器，然后以Kali-Linux的iodine工具創(chuàng)建DNS隧道，嘗試?yán)寐┒蠢@過Web Portal認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)免認(rèn)證聯(lián)網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，的確能通過DNS隧道繞過認(rèn)證上網(wǎng)，即存在認(rèn)證漏洞，但網(wǎng)速下降明顯。實(shí)際上，利用DNS隧道繞開認(rèn)證上網(wǎng)并非實(shí)驗(yàn)的主要目的，漏洞利用測試、云端服務(wù)體驗(yàn)更重要。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生們真切地知道了漏洞的危害性，而不是停留在“漏洞危害”的概念性“例行介紹”。像這樣的案例，背景具有趣味性、工程性、實(shí)現(xiàn)方法的多樣性，學(xué)生在學(xué)習(xí)中能產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的情感共鳴；該案例涉及知識綜合性高，分析、設(shè)計(jì)相結(jié)合，有利于循著知識產(chǎn)生的脈絡(luò)去準(zhǔn)確把握問題的本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識的遷移和應(yīng)用。案例的設(shè)計(jì)思想，充分體現(xiàn)了提升學(xué)生綜合能力的教學(xué)理念。

3 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺輔助教學(xué)

3.1 引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助平臺

對于網(wǎng)絡(luò)安全攻防實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，普遍存在實(shí)踐場景搭建難等問題。為此，與業(yè)界知名網(wǎng)絡(luò)安全企業(yè)展開合作，引進(jìn)其優(yōu)質(zhì)的線上網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺（以下簡稱平臺），可以解決場景搭建問題。平臺架構(gòu)如圖3所示。

圖3 在線攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺架構(gòu)

平臺采用虛擬化技術(shù)構(gòu)建高度仿真的實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，可以進(jìn)行滲透測試、逆向工程、密碼破解等實(shí)操以及一些攻防對抗演練。此外還可進(jìn)行考試、解題練習(xí)。如果原生系統(tǒng)題庫數(shù)量不能滿足需求，可通過題庫管理功能，將自行設(shè)計(jì)開發(fā)的題目擴(kuò)充進(jìn)系統(tǒng)，達(dá)到自主掌控題材以及題目的難度和考核點(diǎn)的目的。目前已經(jīng)將自行開發(fā)的約30余套題目導(dǎo)入系統(tǒng)，豐富了題庫，鞏固了教學(xué)成果。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助平臺教學(xué)實(shí)例

如何依托教學(xué)輔助平臺開展實(shí)驗(yàn)，以漏洞挖掘利用為例，如臟牛漏洞［14］（DirtyCow，CVE-2016-5195）。臟牛漏洞是一個比較典型的提權(quán)漏洞。一般來說，對于已發(fā)布的漏洞，演練時需要漏洞復(fù)現(xiàn)，但環(huán)境搭建比較復(fù)雜。如果通過平臺進(jìn)行漏洞復(fù)現(xiàn)，可以節(jié)省配置環(huán)境的時間，達(dá)到演練的目的。

實(shí)驗(yàn)前，先由老師配置好一個尚未修復(fù)該漏洞的實(shí)驗(yàn)環(huán)境提交至平臺，等待克隆分發(fā)。實(shí)驗(yàn)時，學(xué)生在平臺上申請靶機(jī)后，平臺分發(fā)一個Docker靶機(jī)，該靶機(jī)已經(jīng)配置好了先前提交的預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生得到靶機(jī)的SSH賬號，登錄平臺之后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指引，獲取概念驗(yàn)證（Proof of Concept，POC）并對漏洞進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，親身體會漏洞挖掘利用的流程。整個過程中不需要在本地部署環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，平臺自動銷毀靶機(jī)環(huán)境，等待下一次分發(fā)。

該實(shí)驗(yàn)考察了學(xué)生對操作系統(tǒng)原理（寫時復(fù)制、條件競爭、段頁式內(nèi)存管理、缺頁中斷處理、文件系統(tǒng)等）的認(rèn)識，可以引導(dǎo)同學(xué)們對知識的融匯貫通，剖析漏洞產(chǎn)生原理，對漏洞挖掘利用有更深刻的認(rèn)識。像這樣的實(shí)驗(yàn)，平臺輔助作用優(yōu)勢明顯。

3.3 以賽促學(xué)、寓賽以學(xué)

在網(wǎng)絡(luò)安全人才需求方面，社會急需的是具有實(shí)戰(zhàn)能力的“專才”。近年，國內(nèi)外涌現(xiàn)各類網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)科競賽（如全國大學(xué)生信息安全競賽、紅帽杯等），這些賽事為“專才”們提供了實(shí)戰(zhàn)鍛煉的平臺。事實(shí)證明，以賽促學(xué)、寓賽以學(xué)，是鍛煉、培養(yǎng)和發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全人才的重要途徑，競賽對網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科的發(fā)展也起到很好的促進(jìn)作用［15］?；诖?，教學(xué)中注意發(fā)現(xiàn)“苗子”，將能力較為突出、有共同興趣的學(xué)生組織起來，利用在線攻防實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行指導(dǎo)和培訓(xùn)，并組織他們組隊(duì)參賽，對獲獎學(xué)生參照表1“實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核依據(jù)”給予適當(dāng)加分或減免實(shí)驗(yàn)次數(shù)的獎勵。

4 實(shí)驗(yàn)過程視頻化

4.1 實(shí)驗(yàn)過程視頻化的意義

網(wǎng)絡(luò)安全問題時常伴隨“黑客”攻擊的報道，給大眾的觀感不止是神秘性，而且是具有高深學(xué)問的技術(shù)活。實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上也具有復(fù)雜性和神秘性的特征。之所以要求將實(shí)驗(yàn)過程拍攝成視頻，是因?yàn)橐曨l能清晰地展現(xiàn)復(fù)雜性，毫無保留地揭示神秘性。在反映實(shí)驗(yàn)過程方面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報告（電子版）通常都是無聲的、靜態(tài)的，雖然也能呈現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)過程的描述與分析，但在表現(xiàn)形式上沒有充分運(yùn)用信息技術(shù)手段；而反映實(shí)驗(yàn)過程的視頻恰恰相反，不但是動態(tài)的，而且通過同步解說成為有聲讀物，還可以配上字幕加強(qiáng)效果。個別難以描述的過程（所謂“只可意會，不可言傳”），可通過視頻彌補(bǔ)。實(shí)驗(yàn)視頻對提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)、拓展教學(xué)的深度和廣度，凸顯學(xué)生綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新思維的能力很有幫助。

實(shí)驗(yàn)視頻主要由錄屏和少量外拍（利用手機(jī)拍攝功能，如果需要的話）相結(jié)合，錄屏工具有許多（如EV錄屏），視頻裁剪可以采用貍窩全能視頻轉(zhuǎn)換器［16］。學(xué)生經(jīng)短暫學(xué)習(xí)、操作，即能掌握這兩款工具。形成視頻并不難，難的是成為“優(yōu)秀”視頻。雖然無須像影視劇一樣由名家操刀寫作一個“劇本”，但也非實(shí)驗(yàn)過程的簡單重現(xiàn)。需要有一個切合實(shí)驗(yàn)的“故事情節(jié)”，妥善合理安排這些情節(jié)，才能展現(xiàn)如何通過技術(shù)手段揭露安全風(fēng)險的細(xì)節(jié)。

4.2 優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)視頻的示范作用

如何展示優(yōu)秀學(xué)生實(shí)驗(yàn)，由于綜合性的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)，過程復(fù)雜曲折，現(xiàn)場操作演示難度大、時間長，通過視頻觀摩學(xué)習(xí)是較為理想的選擇。對于綜合性實(shí)驗(yàn)，像“利用DNSTunnel繞過Web Portal認(rèn)證系統(tǒng)”其視頻成績分布如圖4所示。由圖可見，視頻優(yōu)秀率并不高，說明展示優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)視頻具有重要的示范意義。

圖4 利用DNSTunnel繞過Web Portal認(rèn)證系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)視頻成績分布

優(yōu)秀視頻展示是比較受學(xué)生歡迎的環(huán)節(jié)。通過觀摩，找出差距，取長補(bǔ)短，共同進(jìn)步。由于視頻在展示實(shí)驗(yàn)過程上效果較好，獲得學(xué)生普遍認(rèn)同。

5 應(yīng)用效果分析

本課程每學(xué)期36學(xué)時，累計(jì)授課學(xué)生數(shù)約800人，根據(jù)對修讀過該課程的學(xué)生問卷調(diào)查、實(shí)驗(yàn)作業(yè)批改等渠道分析得出圖5所示的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

由圖5可見，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)的參與度、完成度較高，而專業(yè)型和研究型就差強(qiáng)人意，需要進(jìn)一步改進(jìn)；線上實(shí)驗(yàn)因良好的體驗(yàn)方式而受到普遍歡迎，累加式考核方式由于能體現(xiàn)個人綜合能力程度，也獲高度認(rèn)同。對于實(shí)驗(yàn)過程視頻化的要求，開始一些學(xué)生因沒有接觸過視頻處理，需要一個接受和熟悉的過程。在“課后感”中，學(xué)生認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)視頻相當(dāng)于一次實(shí)驗(yàn)的總結(jié)與提升，不但拓展了能力，而且有利于確立解決問題的全局觀。該課程在2019年還進(jìn)入廣州大學(xué)城互選課程，有7所兄弟高校約50位學(xué)生跨校、跨專業(yè)修讀了本課程的學(xué)分［17-18］。課程的教學(xué)理念、教學(xué)方法得到推廣和應(yīng)用。

圖5 教學(xué)改革效果統(tǒng)計(jì)

通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生綜合能力提升顯著，在學(xué)生參加網(wǎng)絡(luò)安全競賽方面屢獲佳績。如獲第十二屆全國大學(xué)生信息安全競賽創(chuàng)新實(shí)踐能力賽總決賽一等獎及“網(wǎng)絡(luò)安全創(chuàng)新單項(xiàng)獎”、2019年“第五空間”網(wǎng)絡(luò)安全創(chuàng)新能力大賽一等獎、2019第三屆紅帽杯網(wǎng)絡(luò)安全攻防大賽總決賽冠軍等。

6 結(jié) 語

對移動網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)進(jìn)行了研究，構(gòu)建了教學(xué)體系，對教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，同時借助線上網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)平臺輔助教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容緊跟學(xué)科前沿，與時俱進(jìn)。通過教學(xué)改革，整體上教學(xué)效果顯著，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動性和探索能力明顯增強(qiáng)，分析設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)能力得到了有效訓(xùn)練和提高，開闊了學(xué)科視野，提升了課程的教學(xué)質(zhì)量。