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2024年1月26日发(作者：if和countif嵌套使用)
信息安全专业“嵌入式系统”课程教学实践改革的研究
信息安全专业是武汉大学在2001年在全国率先开设的专业，在国内具有领先的地位，嵌入式系统是信息安全专业新设的必修课。由于信息安全专业的特殊性，目前尚没有针对本专业的嵌入式系统方面的实验课程，只能照搬其他学科的教学和实验内容，无法反映嵌入式系统在密码学和可信计算等信息安全领域内的作用和特点。为了改变这一不利的局面，提高学生的实际动手能力，课程组将嵌入式系统的实验引入到信息安全学科领域，将嵌入式技术应用到信息安全教育领域，为信息安全专业学生的学习提供全新的学习方式，并培养学生自主学习能力，促进教学的个性化及教学资源的共享。
1嵌入式系统
现代信息安全技术实际上就是密码学、信息论、通信等学科的密切结合,它不但应具有过程控制功能,而且还应具有信息管理能力。目前密码的计算、网络通信安全等信息安全技术正朝着微型化、智能化和网络化的方向发展，而嵌入式系统恰恰能够全方位满足信息安全发展的需要。
嵌入式系统是指作为一个部件嵌入于各种设备及应用产品内部的计算机，一般由嵌入式微控制器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序四部分组成。它应具有如下特点: (1)体积小、功耗小、结构紧凑；(2)数据采集和处理能力强，实时性好；(3)采用非常规的输入输出设备(如标准键盘、CRT显示器)。
广义地说，嵌入式系统是具有特定功能或用途的计算机软、硬件的集合体。因此嵌入式系统可分为硬件部分与软件部分，而相应的嵌入式技术也可分为嵌入式硬件技术与嵌入式软件技术两部分。嵌入式系统的最高形式——片上系统(SoC)将是这些技术的集大成者。狭义的嵌人式系统则仅指装入另一设备并控制该设备的专用计算机系统，包括目标机与宿主机两部分。
嵌入式系统可以大致分为如下类型: (1)单机嵌入式系统，它是以单机方式工作,获取输入并产生输出；(2)实时嵌入式系统，该系统被要求在指定时间内完成特定任务；(3)网络设备，这类系统是近年出现的一种新类型，能够履行完整的网络协议并能与网络上的其它节点通信；(4)移动设备，该类设备可运行功能强大的移动操作系统，支持无线网络。
嵌入式系统经历了基于芯片、标准总线、嵌入式PC及高性能嵌入式计算机几个发展阶段,将向网络化、智能化、规范化、集成化方向发展。随着微处理器、半导体工艺技术的进步,嵌入式计算机将向高性能、低功耗、源代码公开化方向发展。
嵌入式系统已经广泛应用于社会生活的各个领域，几乎所有的电器设备，如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、
数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等，无不同嵌入式技术有着密切的关系。教育行业作为各种电器设备和实验设备的重要应用行业，与嵌入式技术的关系显得尤为紧密。
嵌入式系统作为当代最为前沿的科技之一被应用于信息安全专业当中，正适应了我国教育信息化的需求，这将有利于实现我国信息安全教育的跨越式发展。嵌入式系统在教育行业的一个典型应用是嵌入式计算机教学系统。从理论上来讲，密码学以及可信计算等方向上的理论和算法的实现必须建立在硬件的基础之上。嵌入式计算机教学系统具有普通PC机的所有功能，但价格低于普通PC机，性能价格比高；嵌入式计算机教学系统除具有普通PC机所有功能外，还具有多媒体处理能力(视音频的硬解码)和双向控制功能。普通PC机则需要配备各种专用的软硬件才能实现上述功能。嵌入式系统的这些特点非常适合信息安全专业开展相关的各种试验。
2嵌入式系统教学实践改革
为了将嵌入式系统的教学实践应用到信息安全学科领域，课程组考虑安排了一些验证型的实验，同时，也有指导的进行了一些设计性的综合实验。下面简单介绍一下信息安全专业嵌入式实验的主要内容。
(1) 嵌入式系统的密码学实验
密码学是信息安全中的一个骨干基础课程，是信息安全的学生的一门必修课。以往学生在学习密码学课程的时候，主要是采用软件的方式来验证密码算法是否可以正确实现，仅仅停留在理论证明的基础上，同学们普遍反应和实际的脱节。国家密码委早已规定，一切密码算法的使用都必须建立在硬件的基础上。基于此，参照其他厂商的密码机及设备，我们制定了密码学的嵌入式实验，该实验分为2个步骤。
首先是验证型步骤，学生利用ARM9实验平台的linux操作系统和C语言编写AES或DES密码算法，然后下载到嵌入式实验板的Flash中去，利用minicom终端观察程序在嵌入式平台运行的情况等。这种实验和目前国内主流的密码机的工作方式基本类似，学生可以体会到密码算法在实际中应用的情况和特点。
在此基础上，学生应进行跟高层的密码机综合实验，运用网络编程的知识，设计出PC机的文件如何通过局域网发送到嵌入式平台自动加解密。这里需要学生深入掌握网络编程、通信协议、主机客户机应答机制等许多问题。我们在具体的实验环节中，会给学生介绍出大概的实验流程，然后安排学生组成2～3人的实验小组，利用课余时间查找相关资料，最终上机形成完整实验过程，并由老师进行点评。
(2) 嵌入式系统的安全增强操作系统
ARM使用的主流操作系统有WINCE、Linux、风河等几种，根据教学的实际需要，教学研究系统应该使用开源的Linux操作系统，需要设计实验了解和熟悉嵌入式操作系统的特点和使用方法，以及GUI方面实现的方法和概念，并结合信息安全中的相应内容，探讨安全操作系统的形成。
目前在本科阶段对于安全操作系统的概念，一般还是限于如何增强操作系统的安全功能，本实验设计的是针对嵌入式Linux系统的某些操作命令的改进，如利用用户身份和口令的限制，改写CP命令的源代码，使 CP命令成为单行指令，或者在符合要求的情况下成为全功能指令。本实验要求学生熟悉Linux开放的各种操作命令的源码，既能读懂，又可以按照自己设计的方案进行改写工作，学生在进行此项实验的过程中，可以真正的体会到开源操作系统的方便性和重要性。
(3) 利用嵌入式系统进行的网络安全实验
信息安全中的网络安全技术是学生非常重视和学习生活中经常遇见的课题，针对目前市场上出现各种网络攻防工具，在指导学生了解其原理后，针对DOS攻击等设计一个堡垒机，或者蜜罐系统，利用嵌入式系统实现。并将其挂在需要保护的PC机前端，利用其他的PC机进行攻击实验，获得攻击和响应数据，以加深对网络攻防技术的理解。
(4) 嵌入式系统的其他实验
除了和信息安全相关的实验之外，我们还将计算机科学技术专业所必须掌握的嵌入式实验有针对性的移植了一些过来，包括基本的Linux C编程实验，嵌入式系统的步进电机控制实验，miniGUI图形化界面实验等，这些实验大多以验证性实验为主，主要是要求同学掌握嵌入式系统的一般技术和技巧。
值得一提的是，我们在安排上述1～3项实验的时候，更多的是强调学生的自主学习和创新能力，要求学生能够独立的完成相关的设计工作，在交由老师评估后，再具体的实现。因此，对于这些实验的具体实现我们也强调百家争鸣，实验本身没有统一的标准答案，让每个小组都做出自己的特色。但是对于实验报告的编写，我们要求按照统一的格式，这样虽然增加了教师的批改工作量，但是同学们普遍反应效果良好，确实开动了脑筋，锻炼了动手能力，同时对信息安全的一些理论知识的具体应用，有了更加明确的认识。
3嵌入式系统教学实践改革成果
目前，信息安全嵌入式系统教学实践改革已经进行了近两年的时间，在这两年中已取得了较好的成果。
首先，从信息安全专业的课程考试成绩上可以明显的看出，对于设计题等回答条理很清晰，各种理论的分析和使用都非常到位。
学生们在综合性实验的启发下，对嵌入式系统的学习和信息安全知识的了解情趣也更加浓厚，已经有同学自组兴趣小组参加各类竞赛。如由微软主办的，目前全球最大的学生科技大赛Imagine Cup。武汉大学计算机学院学生自2005年开始参加此项赛事，2005-2006年度有4支队伍进入前200名，2006-2007年度有6支队伍进入前200名，并有一支队伍入选全球前15名，获准进入韩国参加总决赛，最终进入前6名。武汉大学计算机学院学生今年参加2007-2008年度的竞赛，有五支队伍进入了前200名，目前正在准备复赛。
同时，在IBM的嵌入式竞赛中，我们也进入了最终的TOP11。
以上成果说明，通过这次教学实践改革，能够调动学生主动学习的积极性，有效培养了学生的实践能力，下一步，我们将在此基础上继续深化改革，将数字逻辑、组成原理等传统课程结合信息安全专业的特点，制定出更有人才培养成效的实践教学课程体系。
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