束妮娜 王懷習(xí) 王晨

摘? 要：信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)安全越來(lái)越重要。密碼學(xué)課程是信息安全及其相關(guān)專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本文針對(duì)密碼學(xué)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在的主要問題，提出基于攻防思想的模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方法，對(duì)觀察實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)、編程實(shí)驗(yàn)和自主實(shí)驗(yàn)五大模塊進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，力求使實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)貼近網(wǎng)絡(luò)安全競(jìng)賽實(shí)際，應(yīng)根據(jù)學(xué)生能力設(shè)置分層目標(biāo)，以期為密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有益建議。

關(guān)鍵詞：密碼學(xué)課程;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;模塊化;競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2021）39-0107-03

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)日新月異的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)空間安全變得越來(lái)越重要，事關(guān)國(guó)家安全和世界和平，目前已得到了世界各國(guó)的高度重視，并紛紛將其提升為國(guó)家戰(zhàn)略。為加強(qiáng)我國(guó)網(wǎng)絡(luò)空間安全研究和人才培養(yǎng)，教育部將網(wǎng)絡(luò)空間安全設(shè)立為一級(jí)學(xué)科，之后國(guó)內(nèi)掀起了開展網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科建設(shè)和深化研究的熱潮。密碼學(xué)是網(wǎng)絡(luò)空間安全的基礎(chǔ)理論和核心知識(shí)單元，從底層的物理設(shè)備到高層的系統(tǒng)應(yīng)用，密碼技術(shù)貫穿網(wǎng)絡(luò)空間安全的每一層。

一、密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在的主要問題

高校密碼學(xué)課程一直安排了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但是實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容設(shè)置、學(xué)時(shí)安排及考核方式等方面存在以下較難克服的問題[1]：

算法編程實(shí)現(xiàn)難的問題?，F(xiàn)代密碼學(xué)算法常涉及較多數(shù)學(xué)知識(shí)，且算法本身較為抽象和復(fù)雜，學(xué)生理解起來(lái)很困難，特別對(duì)于某些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和編程能力較弱同學(xué)來(lái)說壓力更大，難以完全獨(dú)立自主完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

學(xué)時(shí)少但實(shí)驗(yàn)耗時(shí)多的問題。某些復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)及綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等很難在規(guī)定的課時(shí)內(nèi)完成，需要學(xué)生利用課余時(shí)間加以補(bǔ)充，但是由于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)環(huán)境配置復(fù)雜，尚無(wú)系統(tǒng)便捷的線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生離開實(shí)驗(yàn)室便無(wú)法開展實(shí)驗(yàn)，因此學(xué)生解決復(fù)雜問題的積極性和主動(dòng)性受到很大影響。

考核方式僵化的問題。目前密碼學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的形式因內(nèi)容不同呈現(xiàn)了多樣化的趨勢(shì)，但大都還是采用較為僵化的傳統(tǒng)方式（如實(shí)驗(yàn)報(bào)告等）進(jìn)行考核，既難以精準(zhǔn)考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，又難以實(shí)現(xiàn)層次化、個(gè)性化培養(yǎng)。

針對(duì)以上問題，課題組進(jìn)行了深入研究，并且結(jié)合學(xué)院以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出基于攻防思想的模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，探索競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)與分層目標(biāo)相結(jié)合的教學(xué)模式，以更加人性化的方式為學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

二、基于攻防思想的模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

密碼學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要包含密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)，也就是說密碼學(xué)具有顯著的攻防對(duì)抗的特點(diǎn)[2]，但是，由于密碼分析難度大，加上課時(shí)有限，學(xué)生在參加各類安全競(jìng)賽時(shí)，此類題目得分率不高。實(shí)際上，從訓(xùn)練學(xué)生的程序思維和實(shí)踐能力考慮，密碼分析的內(nèi)容也應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)。因此，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以分為兩大類，密碼編碼實(shí)驗(yàn)和密碼分析實(shí)驗(yàn)。密碼編碼實(shí)驗(yàn)主要由密碼算法組成，覆蓋了分組密碼、公鑰密碼、古典密碼、HASH算法等。例如，在古典密碼方面，實(shí)現(xiàn)Caesar密碼、仿射密碼、Vigenere密碼、Hill密碼等;在分組密碼方面，實(shí)現(xiàn)DES、AES算法等;在HASH算法方面，實(shí)現(xiàn)MD5、SHA算法等;在公鑰密碼方面，實(shí)現(xiàn)RSA算法。密碼分析實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)不同的密碼算法，開展相應(yīng)的密碼分析。例如針對(duì)維吉尼亞密碼的頻率分析攻擊;針對(duì)DES算法的差分攻擊;針對(duì)RSA算法的共模、低加密指數(shù)、低解密指數(shù)等攻擊;針對(duì)MD5算法的生日攻擊。

每一大類設(shè)計(jì)觀察實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)、編程實(shí)驗(yàn)和自主實(shí)驗(yàn)5個(gè)模塊。

（一）觀察實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是對(duì)一些重要密碼算法流程的觀察和理解，教師主要可以通過Flash或模擬器等網(wǎng)上現(xiàn)有資源或自制演示工具，使學(xué)生對(duì)算法原理和流程有感性的認(rèn)識(shí)。例如Enigma是二戰(zhàn)時(shí)期德軍使用的密碼機(jī)，是目前為止應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)的密碼體制中被分析得最為透徹的密碼裝備，在密碼學(xué)歷史上具有舉足輕重的地位，了解它的內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)行原理，對(duì)理解傳統(tǒng)密碼學(xué)有重要作用。網(wǎng)上關(guān)于Enigma的介紹很多，教師完全可以直接利用現(xiàn)成的模擬器邊演示邊講解，既能吸引學(xué)生的注意力，又能使原理更易理解。AES作為新的加密標(biāo)準(zhǔn)，是學(xué)生必須掌握的典型算法，但算法流程復(fù)雜，且涉及很多數(shù)學(xué)知識(shí)，如果僅僅依靠理論講授很難理解，因此，可以利用Flash將抽象的過程形象化，使學(xué)生對(duì)算法有直觀的認(rèn)識(shí)。觀察實(shí)驗(yàn)大部分可以在課堂完成，也可以讓學(xué)生課后利用網(wǎng)站進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，以達(dá)到最佳教學(xué)效果。

（二）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是對(duì)各類密碼算法的驗(yàn)證，主要可以通過算法驗(yàn)證軟件或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，使學(xué)生深刻理解密碼算法原理及流程，通過交互式操作熟練掌握密碼算法的工作模式、參數(shù)設(shè)置等。此模塊的實(shí)驗(yàn)可以采用兩類驗(yàn)證軟件來(lái)完成，一類是已有的“黑盒式”的驗(yàn)證軟件（如CrypTool、CAP等）來(lái)驗(yàn)證算法的加、解密流程，這類實(shí)驗(yàn)難度不大。但是，這類軟件僅提供加、解密界面，學(xué)生只能輸入明文（密文）然后得到密文（明文）外，關(guān)于算法的總體流程和各個(gè)步驟的詳細(xì)情況難以深入了解，因此，可以采用另一類自研的驗(yàn)證軟件，這類軟件除了能夠提供常見的加、解密界面，還能清晰地展現(xiàn)算法的整體流程和步驟細(xì)節(jié)，而且能夠交互式設(shè)定每個(gè)步驟中的參數(shù)。課程中驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要包括古典密碼算法驗(yàn)證、DES算法驗(yàn)證、AES算法驗(yàn)證、RSA算法驗(yàn)證和SHA-1算法驗(yàn)證[3]。

（三）操作實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是熟悉密碼工具和安全軟件的使用，使得學(xué)生能夠在需要時(shí)熟練地應(yīng)用這些工具，課程主要采用CrypTool和PGP密碼工具。PGP是目前最為普遍使用的一個(gè)應(yīng)用于郵件和文件的加密軟件，結(jié)合了對(duì)稱密碼、公鑰密碼和散列算法等多種技術(shù)，可以說是一個(gè)集大成的軟件。軟件操作可以在單機(jī)上練習(xí)，也可以師生互動(dòng)的形式完成。教師通過軟件生成自己的公鑰并分發(fā)給學(xué)生，教師利用公鑰向?qū)W生發(fā)送加密的信息，教師再用自己的私鑰解開密文;再互換身份完成這一系列操作。在這個(gè)過程中，教師可以直接檢驗(yàn)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率，而且教師的參與也大大提高了學(xué)生的積極性。

（四）編程實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是完成密碼學(xué)中重要算法及分析程序的編寫，該模塊是較高層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，目的是促使學(xué)生理解算法結(jié)構(gòu)，提高編程能力，掌握算法設(shè)計(jì)原理。實(shí)驗(yàn)中古典密碼部分（仿射密碼和Vigenre密碼等）較為簡(jiǎn)單，大部分學(xué)生都可以順利地獨(dú)立完成，但現(xiàn)代密碼算法（如DES、AES、RSA等）的編程難度較大，很多學(xué)生面對(duì)這些算法，往往不知道該如何下手，因此就會(huì)投機(jī)取巧從網(wǎng)上尋找原代碼，違背了實(shí)驗(yàn)設(shè)置的根本目的。因此，重點(diǎn)要考慮的問題是如何在不影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上以適當(dāng)?shù)姆绞浇档途幊屉y度，使學(xué)生既有能力又有興趣在有限的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。教師通?？梢圆捎靡韵聝煞N思路：

一是對(duì)算法進(jìn)行簡(jiǎn)化和降維處理。為了降低編程難度，教師可以讓學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)化的密碼算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn);再如RSA等公鑰算法，可以要求學(xué)生選擇較小的參數(shù)來(lái)完成編程實(shí)驗(yàn)，因此繞過了大素?cái)?shù)選擇、大數(shù)的模冪運(yùn)算等編程難點(diǎn)，這就會(huì)在很大程度上降低編程的整體難度。

二是對(duì)算法進(jìn)行關(guān)鍵部分編程或拼裝式編程。關(guān)鍵部分編程是指將算法中較為簡(jiǎn)單的部分事先提供，只讓學(xué)生編寫算法的關(guān)鍵部件并調(diào)試成功，這種方式可以節(jié)省學(xué)生的時(shí)間而又不影響學(xué)生對(duì)算法的理解及編程的能力。拼裝式編程是指按照面向?qū)ο蟮木幊趟枷雽?duì)算法進(jìn)行“拆解”，然后給學(xué)生提供各個(gè)模塊的源代碼，讓其拼接并調(diào)試完成一個(gè)完整的程序，這種方式可以促使學(xué)生參考和閱讀優(yōu)秀的源代碼，從一定程度上減少編程工作量，降低實(shí)驗(yàn)難度，激發(fā)學(xué)生的積極性，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。

在具體實(shí)施時(shí)，課題組以上述思路指導(dǎo)，依托EduCoder平臺(tái)，構(gòu)建了系統(tǒng)便捷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間，提高算法編程能力。

（五）自主實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是分析某類網(wǎng)絡(luò)空間安全問題所涉及的密碼學(xué)知識(shí)，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)針對(duì)該類問題的解決方案或應(yīng)用系統(tǒng)。自主實(shí)驗(yàn)采用開放式教學(xué)模式，教師可以參考各類學(xué)科競(jìng)賽中的命題來(lái)設(shè)置實(shí)驗(yàn)選題范圍，也可以讓學(xué)生根據(jù)興趣自主選題。自主實(shí)驗(yàn)可以采用分組的形式完成，也可以讓能力較強(qiáng)的學(xué)生單獨(dú)完成，以此培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和開拓創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生后續(xù)的科研工作奠定良好的基礎(chǔ)。

三、競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)與分層目標(biāo)相結(jié)合的教學(xué)模式

（一）競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

學(xué)科競(jìng)賽是培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的有效途徑之一，但無(wú)論是哪一類的競(jìng)賽，密碼學(xué)都占有舉足輕重的地位。基于這一背景，在密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，建議教師以競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)，以項(xiàng)目開發(fā)的形式組織實(shí)驗(yàn)。在這一過程中，一定要充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念[4-5]。教師具體可以按照以下幾個(gè)步驟組織：首先，教師根據(jù)競(jìng)賽要求提供選題，并且給出明確的目標(biāo)和要求;由學(xué)生自行選擇感興趣且符合要求的項(xiàng)目，在教師的指導(dǎo)下確定最終目標(biāo)[6]。其次，學(xué)生查閱材料，進(jìn)行小組討論，在初步分析并檢驗(yàn)項(xiàng)目的可行性之后，給出具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案并提交教師，由教師審查修訂并最終確定。再次，學(xué)生按設(shè)計(jì)方案實(shí)施項(xiàng)目研發(fā)。在此過程中，教師要適時(shí)組織學(xué)生進(jìn)行討論，及時(shí)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目研發(fā)過程中出現(xiàn)的問題并提出有益建議[7]。最后，教師對(duì)學(xué)生提交的作品進(jìn)行驗(yàn)收和評(píng)價(jià)。學(xué)生在截止時(shí)間前上交作品，教師檢驗(yàn)作品是否達(dá)到既定目標(biāo)，并且給出客觀評(píng)價(jià)，指出可以進(jìn)一步改進(jìn)的方向[8-9]。

（二）分層目標(biāo)教學(xué)

根據(jù)密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)，分層目標(biāo)教學(xué)主要考慮以下三個(gè)方面。

第一，分層制定任務(wù)。設(shè)計(jì)單次實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)，教師不但要考慮對(duì)多數(shù)學(xué)生程序思維能力的初步培養(yǎng)，還要考慮對(duì)部分學(xué)生程序思維能力的提高，因此，單次實(shí)驗(yàn)任務(wù)以及總體實(shí)驗(yàn)任務(wù)都應(yīng)具有階梯性[10]。教師可根據(jù)學(xué)生的掌握程度以及實(shí)際的動(dòng)手能力，將學(xué)生分為不同的層次進(jìn)行分層教學(xué)，對(duì)能力較強(qiáng)的學(xué)生可以制定較復(fù)雜的任務(wù)，對(duì)于能力較弱的學(xué)生制定較簡(jiǎn)單的任務(wù)。

第二，分層實(shí)施任務(wù)。實(shí)驗(yàn)任務(wù)中設(shè)置基礎(chǔ)性的必做題和拓展性的選做題，兼顧不同層次學(xué)生的需求。對(duì)于能力較強(qiáng)的學(xué)生，教師可要求其完成較高的學(xué)習(xí)目標(biāo)，遇到困難時(shí)引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料和討論來(lái)解決問題;對(duì)于能力較差的學(xué)生，則要求其完成最基本的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并給予詳細(xì)指導(dǎo)[11-12]。

第三，分層考核評(píng)價(jià)：在完成前兩個(gè)方面的工作之后，建立合理的分層考核評(píng)價(jià)機(jī)制。能力較差的學(xué)生完成基本的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則認(rèn)定其通過考核，針對(duì)能力較強(qiáng)的學(xué)生，教師可鼓勵(lì)其完成高階的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并指導(dǎo)其參加各類學(xué)科競(jìng)賽。

四、結(jié)語(yǔ)

密碼學(xué)課程是網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)課程總體目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)?；诠シ浪枷氲哪K化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)與分層目標(biāo)相結(jié)合的教學(xué)模式，提升了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，在密碼學(xué)競(jìng)賽中取得了顯著的效果，后續(xù)還要在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和考核方式制訂等方面進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：淳潔）