安全协议课程

安全协议课程（精选三篇）

安全协议课程篇1

《网络协议分析》课程既包含大量的理论知识又有许多需要动手操作的实验,是一门理论与实践密切结合的课程[1]。它涉及多门学科,有的概念使初学者感到很抽象,不易理解。为使学生理解某一概念或某一协议的原理,教师很费心力。经过多年的教学探索,笔者发现可视化教学方法可以明确观察到两台或多台计算机之间数据包的交互情况,清楚地观察到数据包中各个字段的值,对于深入了解协议的工作原理非常有帮助。各个学校可以根据经济条件选择可视化教学工具,这里推荐两种:一种是免费软件Wireshark,适合经费不充足的教学单位;另一种是商业化的网络协议仿真教学系统,适合经费充裕的教学单位。使用可视化教学法不但能提高学生学习兴趣和动手能力,还能让学生加深对理论知识的理解,减轻学习负担。

1 计算机网络教学难点

1.1 网络知识庞杂

《网络协议分析》是计算机网络的后续课程,计算机网络涉及多学科,如计算机技术、通信技术、电子电工技术、概率论、图论等诸多领域,知识量大、概念抽象。计算机网络包含大量的知识点,如信息编码、物理复用、逻辑复用、物理地址、逻辑地址、面向连接、无连接、客户/服务器、点到点等,并且TCP/IP协议族的每一层都包含若干协议,每种协议都有各自的特点[2]。协议分析非常注重实验操作,在实践过程中涉及计算机、交换机、路由器、各类软件以及某些特殊设备,这些特点增加了学习该课程的难度。

1.2 TCP/IP协议族的抽象性

现在的协议分析课程多数是以TCP/IP协议族的各层为主线讲述,层次结构的协议族很抽象,每一层中的某一协议如何与对方的对等层协议同步工作、协同完成通信,初学者难以理解[3]。传统讲授的主要方式是通过课件中的图片或动画,虽然有一定的效果,但学生仍然缺乏对真实网络环境和数据包的直观认识,学生脑海中产生的视图未必与教师脑海中的视图一致,也就是说学生在理解教师讲解的内容时产生了偏差,这种偏差不仅影响了对理论知识的理解,也直接影响着实验课的成败。

1.3 实验工具选择困难

网络实验主要是各类服务器的配置,基本过程是:在一台计算机上安装服务器软件,然后在另一台计算机上运行客户端程序访问服务器,这种方式能够看到最终的执行结果,但看不到数据包的交互过程,不利于理解协议的工作原理。还有一种实验工具是NS2网络仿真器,这种工具适合专业人员,对初学计算机网络的学生不合适,因为它需要丰富的网络知识和编程知识,学习周期长。

2 Wireshark软件

2.1 Wireshark简介

Wireshark是世界范围内广泛使用的网络数据包分析软件之一,是一款遵循GNU/GPL版权协议的开源软件。Wireshark使用WinPcap作为接口,直接从网卡捕捉数据包并尽量详细地显示数据包的相关信息[4],网络管理员可以使用这一软件排除网络故障。通过分析捕获到的数据包,可清楚地了解使用者的网络行为。在分析捕捉到的数据包时,还可以设置过滤器,以减少无关数据包的干扰[5]。

2.2 TCP协议分析

对相应的协议进行分析时,应事先详尽地设计好实验过程。下面以运输层的TCP协议为例,说明用Wireshark进行协议分析的方法。

准备知识:(1)客户/服务器工作方式概念;(2)逻辑地址概念;(3)TCP协议作用;(4)TCP报文段结构。此外,由于TCP协议是为应用层协议服务的,要想捕获到TCP报文段,需要在客户端执行TCP服务的应用程序,如浏览器、FTP客户端、邮件客户端等。

启动Wireshark并开始捕捉数据包,打开浏览器并访问Web页面。万维网使用的运输层协议是TCP协议,可以捕获到TCP报文段并对TCP协议的工作过程进行分析。设置好过滤器并捕捉,捕捉结果如图1所示。

可以提前设计若干问题,引导学生观察Wireshark捕捉到的数据包,以加深对TCP协议工作原理的认识。设计的问题有:(1)TCP请求报文中的目的端口和源端口分别是什么?(2) 关闭浏览器后再访问相同的页面,目的端口和源端口会发生怎样的变化?(3) 能否找出TCP连接建立时三次握手的各个报文段? 每个报文段的SYN、seq、ack字段的值是什么?(4)能否找出TCP连接释放时四次挥手的各个报文段?每个报文段的FIN、seq、ack值是什么?

通过观察数据包并回答这些问题,学生直观地看到了TCP报文段的结构和数据包的传输情况,发现TCP报文段的结构并不像想象中那样复杂,许多字段的含义十分容易理解,对于TCP连接的建立、释放过程也有了深入认识;使用TCP连接进行通信的是进程,进程是通过端口号来表示的;通过seq可以看出TCP是面向字节流的,每个字节都有对应的编号,由此对TCP协议工作原理的认识豁然开朗。

进一步引导学生思考:除了正常释放一条TCP连接,怎样终止一条出现严重错误或长时间空闲的TCP连接?三次握手有什么必要性?为什么要四次挥手才能完全释放一条TCP连接?通过认真思考和讨论这些问题,学生能更深入理解TCP工作机制的合理性。

3 网络协议仿真教学系统

3.1 系统简介

网络协议仿真教学系统是吉林中软吉大信息技术有限公司开发的一款商业产品,由组控设备、智能网络设备、中心设备、IPv4服务器、IPv6服务器等几大硬件模块组成,安装时可以组装在一个机柜里。可以连接多至上百台的终端计算机,方便大规模教学[6]。每6台计算机分成一组,每组又有3种不同的网络拓扑结构供选择,如图3所示。

3.2 与Wireshark比较

系统既能捕捉网络上的数据包,又能手动编辑数据包,修改数据包的字段值然后再发送。而Wireshark不能修改和发送数据包,只能捕获数据包;能以图形的方式显示出网络拓扑和数据包流向,比Wireshark更直观;对数据包的分析更加详尽,能够分析数据包所有字段的值,而Wireshark只能分析部分关键字段的值;对数据包的过滤比Wireshark更加详细方便,能够方便地进行一些Wire-shark难以进行的实验,如组播、路由等。

3.3 协议分析教学

以最常用的ping命令为例介绍一下数据包的捕获和分析过程。以主机A、B为例,主机A启动协议分析器并开始捕捉数据包,主机B去ping主机A,这一过程中产生的数据包都可以捕捉到。从图4可以看出,当需要对方的MAC地址时,会自动调用ARP协议进行解析,这一过程是用户感觉不到的。如果对捕获到的数据包感兴趣,点击该数据包就会显示详细信息。

借助网络协议仿真教学系统,使许多原本抽象复杂、难以进行的实验变得简单起来,使网络协议的学习变得轻松愉快而又理解深刻,配置操控网络的能力得到很大提高。

4 教学效果

为了验证可视化教学方法效果,对近6届学生的《网络协议分析》成绩进行统计,其中最近3届采用了可视化教学,试题都是从题库中随机抽取。发现采用可视化教学方法后,考试成绩的优秀率、及格率、平均成绩都比以往有了明显提高。此外,通过作业、实验报告、问卷调查对教学效果进行评估,发现学习难度降低了,学习兴趣提高了,对网络模型及协议原理的理解更加深入了。

5 结语

网络协议的可视化教学是《网络协议分析》教学改革的一次有益尝试,收到了良好的教学效果。但这种方法仍存在一定的局限性:《网络协议分析》是一门综合性学科,可视化教学方法主要解决了协议工作原理教学难问题,主要适用于数据链路层及以上各层。如果要改进物理层教学以及多学科结合的综合知识点教学,则要探索新的教学方法。

参考文献

[1]胡谷雨.计算机网络教学中的创新能力培养尝试[J].计算机工程与科学,2014,36(2):13-15.

[2]谢希仁.计算机网络[M].北京:电子工业出版社,2013.

[3]袁艺,薛质.“思维实验”在网络体系结构教学中的应用[J].电气电子教学学报,2014,36(4):76-78.

[4]IVO BATISTI04,JADRANKA STOJANOVSKI.Development of wireshark network protocol analyzer[J].Hrvatska Znanstvena Bibliografija I Mzos-svibor,2013(4):25-28.

[5]王晓卉,李亚伟.Wireshark数据包分析实战详解[M].北京:清华大学出版社,2015.