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基于云计算和虚拟化的网络安全实验教学平台建设研究

2024-07-30 64 上传者：管理员

摘要：现代信息技术的迅速发展，对传统网络安全实践教学方式产生了很大的影响。各高校为了培养出实践能力强、综合素质高的应用型人才，对网络安全实践教学方式进行了改革，并取得了一定的成效。通过对传统网络安全实验教学平台存在的问题进行剖析,对基于云计算和虚拟化的网络安全实验教学平台设计和构建进行阐述,分析了网络安全实验平台的主要功能和具体操作步骤。使用基于云计算和虚拟化网络安全实验教学平台提升了学生的动手操作能力，降低了教学成本，解决了课程资源更新不及时等问题，为高校网络安全实践教学提供了一种新的思路和方式。

关键词：
云计算
实验教学平台
现代信息技术
网络安全
虚拟化技术
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随着云计算、物联网和大数据技术在许多领域的快速发展，网络安全问题日益凸显，如何有效培养网络安全专业人才已逐渐成为各高校网络安全专业当务之急。然而，在学校网络安全相关课程实际教学实践过程中，搭建相应的网络安全实验教学平台是目前开展网络攻防系统演练的技术基础，使用真实的计算机网络设备和虚拟物理基础设备进行建立网络攻防演练系统维护成本较高，如果开展网络安全实验还会对物理设备和虚拟主机系统造成危害，基于此，如何建立一种虚实结合的网络安全实验教学平台已经成为当前培养网络安全专业人才的一项具有重要意义的课题。

一、网络安全实验教学平台建设背景

随着互联网的快速发展，网络安全问题不断出现，国内许多高校为了适应社会网络安全技术人才的需要，开设了网络安全等课程。学生在学习时需要进行很多网络安全实验，如网络安全漏洞扫描、入侵检测、防火墙设置等实验，以培养学生的网络安全防御能力。但是由于网络安全实验对网络安全系统具有破坏性，所以不适合使用真实的物理设备进行。而云计算技术具有高扩展性和虚拟化的特点，为很多高校在网络安全实验教学方面提供了新的教学资源和建设思路。构建云计算和虚拟化的网络安全实验教学平台，运用分布式技术、虚拟化技术、网络技术将资源组合在一块实现共享，通过云平台统一管理和维护虚拟机，不仅降低了教学成本，而且提高了资源利用率，学生可不受时空限制实现远程访问操作，进一步提升了设备利用率，对学生网络安全教学提供了更有力的支持[1]。

二、传统网络安全实验教学平台存在的问题

高校计算机网络安全实验教学平台的建设经过多年的探索和发展，形式也越来越多，通过分析当前高校计算机网络安全实验教学平台建设情况，发现高校计算机网络安全实验教学平台建设存在以下问题。

（一）教学实验平台使用成本较高

传统的网络安全实验教学平台一般都是使用虚拟物理环境和真实虚拟设备结合来设计和搭建，设施复杂设备搭建投入高，如果开展网络安全实验还会对物理设备和虚拟主机系统造成一定危害。传统的网络安全实验教学平台对专业实验教学人数有限制，同时平台后续系统升级使用成本相对较高，无法完全满足高校网络安全实训教学的实际需求[2]。

（二）课程资源更新不及时

网络安全是门新兴学科，网络安全产业对于从业人员的实战性要求较高，因此在高校人才培养过程中需要注重实践教学。实践教学资源建设是网络工程专业实践教学改革的重点工作，内容包括学习视频、教学课件、电子教案、练习资料等。目前众多开设网络安全相关专业的高校都面临网络安全实验教学平台资源建设相对滞后的问题。

三、网络安全实验教学平台关键技术研究

（一）云计算技术

云计算（cloud computing）是分布式计算的一种，指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，然后，通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。云计算早期是简单的分布式计算，解决任务分发，并进行计算结果的合并[3]。因而，云计算又称为网格计算。通过这项技术，可以在很短的时间内（几秒钟）完成对数以万计的数据的处理，从而达到强大的网络服务。现阶段所说的云服务已经不单单是一种分布式计算，而是分布式计算、效用计算、负载均衡、并行计算、网络存储、热备份冗杂和虚拟化等计算机技术混合演进并跃升的结果[4]。云计算将所有计算机的资源集中整合起来，通过专门的云软件平台实现自动化的管理，无需人的参与。用户端还可以随时动态重新申请部分网络资源，支持各种网络应用程序的正常运转。这种操作方式可以使用户不必自己动手建设这些企业基础软件设施，能够更加全心专注于自己的软件业务，有利于企业提高效率、降低运营成本和促进技术创新[5]。

（二）虚拟化技术

随着计算机技术的不断发展，虚拟化技术已成为计算机网络安全课程教学中必不可少的一部分。虚拟化技术是通过软件或硬件对物理资源进行抽象，创建虚拟资源的技术。该技术可应用于计算、存储、网络等领域。通过将物理资源划分为多个虚拟资源，多个应用程序或使用者可以共享同一组物理资源，从而提高资源利用率，降低成本，并实现灵活的资源管理。在云计算、数据中心、企业IT环境等场景中，虚拟化技术得到了广泛应用，成为资源高效利用、灵活管理的有力工具。虚拟化技术在网络安全实验教学中具有许多优势，如降低教学成本、提高教学效率、提高教学质量、提高学生自主学习能力等[6]。

1. 降低教学成本

教学成本一直是教育领域的一个重大问题。传统的计算机网络安全课程需要大量的实验室设备和维护费用，同时还需要专业的教师和技术人员来管理和维护实验室。虚拟化技术的出现，教师和学生可以直接使用虚拟实验室，而不需要大量的实验设备和维护费用，降低了教学成本。

2. 提高教学效率

虚拟化技术可以大大提高教学效率，让学生更加快速地掌握知识。通过虚拟仿真实验，学生可以模拟真实的计算机网络安全环境，不受实验条件的限制，可以随时进行实验，不会因为人员不足或实验条件受限而导致实验无法开展的情况发生。同时，学生可以通过虚拟化技术学习到更加全面和实用的知识，更好地理解计算机网络安全设备的运行原理和细节[7]。

3. 提高教学质量

在传统的计算机网络安全教学中，学生可能只能通过理论课程来了解计算机网络安全知识，而虚拟化技术可以让学生更加贴近实际，更好地掌握计算机网络安全的相关知识和技巧。通过虚拟实验，学生可以看到和了解计算机网络安全设备的实时运行情况，更好地了解计算机网络安全设备的运行原理和细节，从而提高教学质量。

4. 提高学生自主学习能力

虚拟化技术可以促进学生的自主学习。虚拟实验可以自动记录学生的操作记录，通过对学生的操作记录进行对比和分析，学生可以快速发现自己学习中的不足，并针对性地进行改进。同时，虚拟实验还可以让学生随时随地进行学习，提高学生自主学习能力和独立思考能力[8]。

四、网络安全实验教学平台的设计及构建

（一）网络安全实验教学平台的设计

随着我国云计算技术的快速发展，使用开放式的云计算架构的解决方式可以构建新的网络安全实验教学平台，能够低成本、快速灵活地进行部署与组织实施，能快速高效提供对网络安全实验教学的技术支持。

CII网络安全实验教学云平台是中锐与锐捷网络股份有限公司合力研发的一套支持大规模并发的在线教学实战系统，兼具实战与教学两大功能。实现了网络安全硬件与网络安全虚拟机的有机结合，将图形化的拓扑结构转化成真实的网络设备拓扑搭建。学生可以直接在虚拟资源池的设备上实现拓扑连线，连线动作即时生效，学生通过图形化界面可以对机架中真实的设备进行操作。同时利用虚实结合技术，减少传统使用设备对设备寿命的影响，保护了设备端口，缩短了拓扑搭建时间。内置一键清除设备配置功能，为管理员带来极大的便捷性，实验设备管理效率大大提升；内置危险命令过滤功能，避免学生在做实验时可能会执行一些危险的操作，极大避免设备软性破坏，保证设备使用安全。

同时基于岗位实战制，搭载行业前沿的教学资源，可用来构建校级实验中心、虚拟仿真中心、地区实训中心等，支持网络安全、大数据、信息安全等众多新兴领域的高校专业网络安全课程实验和技能实操。

教学云是为了辅助教师进行日常的教学实验，教师可以通过平台进行授课安排，让学生完成理论知识及实验课程的学习。教师对学生的学习成果进行评分后，系统内的胜任力模块可以通过相应的算法对学生的胜任力进行计算，学生查看后可对自己与目标岗位匹配进行直观的认知。

实战云是为了辅助教师对学生进行岗位实战的考核，实战云基于真实岗位工作流进行教学路径设计，同时采用真实的岗位实战项目，从任务到流程进行项目仿真实战。同时教师对学生的实战成果进行评分后，系统内的胜任力模块可以通过相应的算法对学生的胜任力进行计算，学生查看后可对自己与目标岗位匹配进行直观的认知。

将教学云平台和实战云平台引入网络安全实验平台，教学云平台和实战云平台实现与网络教学设备的联动，学生在平台上进行拓扑连线与设备配置，保证了设备的高效安全利用。教学云平台搭载网络工程专业相关教学资源包，涵盖传统数通、无线技术、出口技术、防火墙技术等，满足高校对新技术教学的需求。实战云平台引入企业真实项目流程、项目标准、项目案例，让学生在学校里就能进行真实企业案例学习[9]。

（二）网络安全实验教学平台的构建

网络安全实验教学平台包含云教学领航中心、教学云、路由交换设备管理组件、网络安全设备管理组件、信息安全云拓扑构建模块、虚拟实验集群控制主机、虚拟实验集群运算节点、教学实验资源包，教学实验资源包涵盖网络安全、主机安全、应用数据安全等方面内容。网络安全实验教学平台由三层组件构成。其中云业务管理中心在最上层运行，主要将资源及策略整合成数据中心资源池，达到混合运用资源的目的。虚拟化管理平台在中间层运行，达到计算数据、管理网络和存储软件虚拟化的目的。虚拟化内核系统则在最底层运行。虚拟化内核系统主要用于屏蔽异构硬件之间的差异，进一步实现管理透明化，消除上层用户的操作对硬件设备的依赖性，对功能进一步优化。同时网络安全实验教学平台提供了强大的服务器资源，如网络攻防、网络搭建等实验都可以在云平台实现运行。学校可以充分利用云平台的特点，将实验中涵盖的实验报告以及教学资源、学生信息等资源进行整合放到云平台当中，使教师和学生之间进行充分的学习交流，达到资源使用的最大化。

五、网络安全实验教学平台系统功能介绍

（一）能够灵活的定制课程体系

网络安全实验教学平台基于虚拟化和云计算技术，内置虚拟化路由器、交换机、防火墙和各种系统环境，提供图形化的操作接口和虚拟仿真操作接口，教师可以自主规划学生的教学实训仿真拓扑环境。系统提供灵活的自主定制功能，提供课件、虚拟机导入接口，教师可以根据教学计划导入自己教学的视频。教师安排学习任务后网络安全实验教学平台通过课程安排帮助学生自动化生成学习规划路线，帮助学生理清课程学习思路，使学生快速掌握教师安排的课程。在学习计划中，能够显示任课教师、所在学期、学生专业、授课班级和授课时间等内容。学生能看到本学期要学习的网络安全课程，并且可以进行窗口模式的切换，学生点击开始实验就可以进行相关实验学习操作。学生完成实验后可以进行评价打分，可以查询自己的实验成绩。

（二）实验课程学习

教师设置好学习计划后，学生点击“我的课程”即可看到本学期将要学习的所有网络课程，学生点击“开始实验”即可进入相应实验进行理论学习及实践操作，实验完成后可以查看实验报告。学生点击“激活实验”即可开启实验操作环境，左侧可控制显示实验指导视频、实验文档、实验报告、课堂答疑和课堂笔记五个模块。实验界面在右侧，显示具体实验界面和逻辑拓扑图两个模块。实验指导视频可以对本次实验具体操作步骤进行详细讲解，使学生快速掌握实验目的和实验操作方法，熟练网络安全设备的配置命令和操作。实验文档包括本次实验目的、实验原理和实验工具。

（三）实时远程访问

为了更好地开展实践教学，网络安全实验教学平台通过互联网提供动态易扩展且为虚拟化的资源。采用B/S的软件架构，基于WEB浏览器访问，使教师和学生可以整合以及共享资源，同时不受时间和地区因素的限制，方便教师和学生随时随地通过智能终端接入云平台。可以实现“Any where,Any PC”的管理和使用。同时系统提供实验学生、实验设备、实验资料、实验课程、实验结果于一体的管理功能，因此，教师可随时随地进行教学安排，能够有效控制实验学生行为、自动分配和控制实验设备、快速分发实验资料，帮助教师合理安排课程[10]。

（四）实时教学互动

学生在学习过程中如果遇到问题，可以通过课堂答疑模块，即时将自己的问题通过系统发送到教师端，教师根据学生提出的问题进行讲解或回复。同时，教师可以将自己的备课笔记通过系统“共享教师笔记”功能分享给学生。学生通过查看教师的备课笔记，更好地熟悉本次网络安全实验的教学目的、教学重点和难点，更深入掌握本次课程的知识。通过教学互动，学生可以随时和教师沟通，为更好地学习网络安全知识提供了更加便捷的通道。

综上所述，高校使用基于云计算和虚拟化的网络安全实验教学平台进行网络安全实验教学改革，促进了网络安全课程实体实验和虚拟仿真实验的有机结合，提升了网络工程专业实践教学的深度和广度，拓展了网络安全实验教学空间，在课程方面增添了新的内容和方式，提升了学生的动手操作能力，同时降低了教学成本，形成了虚拟和实际有机结合的应用型本科高校工程人才实践教学体系，进一步体现了使用网络安全实验教学平台进行实践教学的共享性和先进性，使之成为推进网络安全课程教学改革和提高实践教学质量的新途径。

参考文献:

[1]谭畔,袁慧.云计算在图书馆数据管理中的应用研究[J].中国管理信息化,2021(5):179-180.

[2]刘雨航,魏周思宇.云计算安全问题及其技术对策探讨研究[J].智库时代,2020(2):249-250.

[3]丰丙金.大数据下云计算的问题及策略分析[J].计算机产品与流通, 2020(4):123-124.

[4]项华灵,马东伟,张鑫,等.云计算标准化赋能数字经济产业发展研究[J].中国标准化,2023(1):53-59.

[5]成启明.大数据时代云计算在新媒体平台中的运用分析[J].信息记录材料,2021(11):93-94.

[6]陆歌皓,杨丹妮.区块链即服务的发展现状与展望[J].计算机与现代化,2020(10):31-35.

[7]王杨惠,从立钢,底晓强.虚拟化仿真平台在网络信息安全实验教学中的应用研究[J].教育现代化,2019,6(16):122-124.

[8]王颢瑾.基于云计算和虚拟化的网络攻防实验教学平台建设探索[J].软件开发与应用,2018(4):79-80.

[9]杜平,马晓东,王健美.云平台虚拟计算机实验室的建设与应用[J].中国现代教育装备,2022(9):1-3.

[10]刘莞玲,谢伙生,叶福玲,等.网络安全与计算机技术虚拟仿真实验教学平台建设与探索[J].计算机教育,2019(6):62-66.

文章来源:刘勇.基于云计算和虚拟化的网络安全实验教学平台建设研究[J].对外经贸,2024,(07):89-92.