信息安全專業(yè)中密碼學(xué)課程的教學(xué)研究

信息安全專業(yè)中密碼學(xué)課程的教學(xué)研究內(nèi)容摘要：密碼學(xué)作為一門數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信的穿插學(xué)科，是信息安全專業(yè)的核心課程，也是數(shù)學(xué)在信息科學(xué)中的主要應(yīng)用。該文從密碼學(xué)的特點(diǎn)出發(fā)，對密碼學(xué)課程當(dāng)前所存在的問題進(jìn)行分析，并從教學(xué)資料選擇、理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度給出自己的幾點(diǎn)建議。本文關(guān)鍵詞語：密碼學(xué)；信息安全；理論教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)方法中圖分類號：G642.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044〔2017〕26-0138-02隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用和深切進(jìn)入發(fā)展，電子商務(wù)和電子政務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)銀行和各種移動(dòng)支付已經(jīng)成為人們生活的一部分。在方便人們生活的同時(shí)，也帶來越來越多的信息安全問題。因而，信息安全遭到社會各界的高度看重，已成為信息社會急需解決的問題。密碼技術(shù)作為信息安全的核心技術(shù)，獲得越來越多的關(guān)注。密碼學(xué)已成為各類高校信息安全專業(yè)的核心課程。當(dāng)前，我們國家有80多所高校開設(shè)信息安全專業(yè)，100多所高校開設(shè)密碼學(xué)課程[1]。由于密碼學(xué)是一門集數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信科學(xué)等于一身的穿插學(xué)科，不同專業(yè)、不同學(xué)科，在教學(xué)資料的選擇、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法等眾多方面的認(rèn)識很難統(tǒng)一，給密碼學(xué)課程的教學(xué)造成眾多困難，同時(shí)也是密碼學(xué)課程教學(xué)中值得關(guān)注和討論的問題。1密碼學(xué)課程的特點(diǎn)1〕密碼學(xué)所牽涉的知識面廣，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高。密碼學(xué)課程前期需要學(xué)習(xí)信息論、計(jì)算復(fù)雜度和一些數(shù)學(xué)知識[2]。其中數(shù)學(xué)除高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)以外，還包含數(shù)論、抽象代數(shù)、代數(shù)編碼、概率論、有限域等相關(guān)內(nèi)容，這些數(shù)學(xué)知識的難度也相對較大。2〕理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的著重點(diǎn)難以把握。由于密碼學(xué)是一門穿插學(xué)科，對于不同專業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)的著重點(diǎn)也是不一樣的。例如數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，大多數(shù)著重理論教學(xué)，重要講授密碼算法的理論計(jì)算，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求比較高。而對于計(jì)算機(jī)學(xué)院信息安全專業(yè)的學(xué)生，又是以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，對編程語言和計(jì)算復(fù)雜度要求較高。3〕密碼學(xué)課程自己所牽涉的內(nèi)容較多，學(xué)習(xí)難度大。密碼學(xué)的重要內(nèi)容包含古典密碼、對稱密碼、公鑰密碼、哈希函數(shù)、數(shù)字簽名、密鑰管理、密碼協(xié)議等。古典密碼與對稱密碼要求學(xué)生對置換、代換、有限域方面要深切進(jìn)入理解與把握；公鑰密碼、數(shù)字簽名對數(shù)論、概率論方面要求又比較高。對于其他的內(nèi)容，重要是一些密碼應(yīng)用等，則要求靈敏使用公鑰密碼、數(shù)字簽名、哈希函數(shù)等。4〕密碼學(xué)知識更新速度快。自從1978年麻省理工學(xué)院的Rivest、Shamir和Adleman三人提出RSA公鑰密碼算法以來，密碼學(xué)家又提出Rabin、Elgamal、ECC、NTRU等經(jīng)典的公鑰密碼體制。近年來，由于其他學(xué)科的進(jìn)步與發(fā)展，又出現(xiàn)一些新的密碼技術(shù)，如量子密碼、混沌密碼、DNA密碼等。2密碼學(xué)課程所存在的問題以及解決方法2.1教學(xué)資料選擇密碼學(xué)教學(xué)資料種類繁多，而作者編寫教學(xué)資料的著重點(diǎn)也不一樣，有的著重于密碼算法的介紹，有的著重于密碼技術(shù)的應(yīng)用。不同學(xué)科專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)不同，在選擇教學(xué)資料方面也有所差別，而且前置基礎(chǔ)課程與培養(yǎng)目的也存在差別，所以選擇教學(xué)資料的時(shí)候要充足考慮前置課程的布置和培養(yǎng)目的的設(shè)置。對于理科專業(yè)，如數(shù)學(xué)專業(yè)，應(yīng)該選用理論性較強(qiáng)的教學(xué)資料，而對于工科專業(yè)，如通信專業(yè)，信息安全專業(yè)，應(yīng)該選擇理論性較強(qiáng)的教學(xué)資料。2.2理論教學(xué)當(dāng)前大多數(shù)高校的密碼學(xué)教學(xué)是以理論講授為主，配合多媒體演示。理論教學(xué)是密碼教學(xué)的重要手段。而密碼學(xué)是一門穿插性很強(qiáng)的學(xué)科，課程所牽涉的內(nèi)容許多，各個(gè)知識點(diǎn)之間既互相獨(dú)立又聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密。面對信息安全專業(yè)密碼學(xué)課程這些特點(diǎn)，怎樣改變教學(xué)理念、創(chuàng)新教學(xué)思路、找準(zhǔn)教學(xué)放方法，是密碼學(xué)課程理論教學(xué)關(guān)鍵。2.2.1教學(xué)理念密碼學(xué)課程內(nèi)容多，算法的邏輯推理性強(qiáng)，學(xué)生難以把握所有的算法。密碼學(xué)課程的教學(xué)理念不該該是讓學(xué)生記住密碼算法，而是培養(yǎng)學(xué)生正確的密碼學(xué)思維方式，使學(xué)生理解密碼學(xué)的設(shè)計(jì)思想。如：分組密碼算法的設(shè)計(jì)思路是使用置換密碼與代換密碼的組合，利用迭代的方式產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)的經(jīng)過中要知足混同與擴(kuò)散原則；公鑰密碼體制的設(shè)計(jì)則是根據(jù)形式化的定義、精到準(zhǔn)確的安全假設(shè)與嚴(yán)格的安全性證明三個(gè)原則來設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)教學(xué)目的，需要在各章節(jié)具體介紹少量經(jīng)典的密碼算法，使學(xué)生了解每一步算法的來龍去脈與密碼學(xué)家設(shè)計(jì)密碼算法的思路，這就要求教師對密碼學(xué)所牽涉的內(nèi)容融會貫穿，而且深刻理解密碼學(xué)的設(shè)計(jì)思路與精華真髓。2.2.2教學(xué)思路對于主流的密碼學(xué)教學(xué)資料，重要內(nèi)容一般包含古典密碼、對稱密碼、公鑰密碼、哈希函數(shù)、數(shù)字簽名、密鑰管理、密碼協(xié)議等[3]。這些內(nèi)容外表上看起來是松懈的，實(shí)際上是嚴(yán)密相連的要使學(xué)生能夠清楚明晰地理解并把握這些內(nèi)容，首先要有明確的教學(xué)思路。密碼技術(shù)是信息安全的核心技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)消息的保密性、完好性、認(rèn)證性、不可否認(rèn)性等安全屬性，這些安全屬性是整個(gè)密碼學(xué)知識體系發(fā)展的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。能夠根據(jù)這個(gè)思路建立密碼學(xué)知識構(gòu)造的基本框架模型，然后進(jìn)行講授。2.2.3教學(xué)方法傳統(tǒng)的教學(xué)方式是教師在講臺上講，學(xué)生鄙人面聽、記筆記。這種方式只能讓學(xué)生記居處講授的密碼算法，而無法使學(xué)生理解密碼學(xué)的思想。對于不同的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該采取不同的教學(xué)方法，如互動(dòng)啟發(fā)式、小組討論式等方法，這些方法能夠讓學(xué)生自動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中[4]。還要留給學(xué)生充足的考慮空間和時(shí)間，讓學(xué)生在考慮的經(jīng)過中構(gòu)成自動(dòng)探尋求索、分析問題和尋求解決問題方法的習(xí)慣。1〕互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)?；?dòng)教學(xué)方法是大多數(shù)課程所討論并采取的教學(xué)方法，能夠讓學(xué)生參與到問題的解決經(jīng)過中?？鬃釉唬翰粦嵅粏?，不悱不發(fā)，強(qiáng)調(diào)的就是學(xué)習(xí)的啟發(fā)式教學(xué)。啟發(fā)式教學(xué)的關(guān)鍵是調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。很好地運(yùn)用互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)方法，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，通過經(jīng)歷問題的解決經(jīng)過，激發(fā)學(xué)生的自立學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)習(xí)興趣。例如，在講授序列密碼時(shí)，說到序列密碼的安全性是由種子密鑰所產(chǎn)生密鑰序列的性質(zhì)決定的，能夠通過互動(dòng)啟發(fā)式方法，讓學(xué)生考慮：密鑰序列具有何種性質(zhì)能力保證安全性？能否知足隨機(jī)性和不可預(yù)測性就安全了？密鑰序列和種子密鑰之間有什么關(guān)系？通過解決問題，使學(xué)生理解序列密碼的設(shè)計(jì)思想。2〕小組討論式教學(xué)。小組討論式教學(xué)方法能夠開拓學(xué)生的思維，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生嘗試從不同的角度與觀點(diǎn)來解決問題，而且還能夠培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力。密碼學(xué)對學(xué)生而言是生疏的，而密碼思想更是學(xué)生所欠缺的。通過小組討論，能夠使學(xué)生從本身角度考慮密碼算法知足安全性的條件，以及明文、密文與密鑰之間的關(guān)系，密文統(tǒng)計(jì)特性應(yīng)知足的概率分布等問題。通過小組討論并不一定能到達(dá)完全解決問題的目的，但是這種方法極大的開拓學(xué)生的思維，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，而且能夠使學(xué)生深刻理解密碼學(xué)的設(shè)計(jì)思想。2.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)密碼技術(shù)是解決信息安全問題的核心技術(shù)，密碼學(xué)的特點(diǎn)決定它是一門理論性很強(qiáng)的課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)能夠使學(xué)生在理解算法原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并根據(jù)需要進(jìn)一步進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。當(dāng)前，在密碼學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，還存在密碼實(shí)驗(yàn)工具選擇不合理與密碼實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型不明確的問題。1〕密碼實(shí)驗(yàn)工具的選擇。密碼實(shí)驗(yàn)工具一般包含密碼分析軟件、密碼實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件、密碼設(shè)計(jì)軟件、密碼算法的代碼庫等。在密碼實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前要確定密碼實(shí)驗(yàn)的工具。當(dāng)下，密碼學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大都要求學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)一些經(jīng)典的密碼算法，而密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是加強(qiáng)學(xué)生對密碼算法的理解，以及把握密碼算法在信息安全中的應(yīng)用，不是簡單地鍛煉學(xué)生的編程能力，這種做法很難提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。密碼學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇密碼實(shí)驗(yàn)工具，能力具體表現(xiàn)出密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。比方對于古典密碼算法，這些密碼算法已經(jīng)被破譯，對于學(xué)生來說只起到一個(gè)借鑒的作用，因而能夠選擇具有驗(yàn)證和分析作用的密碼工具。CAP4軟件就是一款適宜的密碼分析軟件。對于DES，AES等對稱密碼算法，其加密流程比較復(fù)雜，學(xué)生難以理解。這時(shí)能夠選擇具有可視化功能的密碼工具，CrypTool的可視化演示功能能夠使學(xué)生更好的理解加解密運(yùn)算的每一個(gè)流程。對于算法設(shè)計(jì)，不能只把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目給學(xué)生之后，讓學(xué)生去編寫代碼。應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生使用密碼算法庫，例如OpenSSL、Miracl、Boten，NTL等[5]。2〕密碼實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與類型確實(shí)定。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型一般分為演示或驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)或綜合型、研究或創(chuàng)新型三個(gè)條理。合理布置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型能夠加深對密碼算法的理解以及提升創(chuàng)新能力。當(dāng)前，多數(shù)高校的密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型都是簡單的驗(yàn)證，教師在老師機(jī)演示，學(xué)生在學(xué)生機(jī)從新驗(yàn)證一遍?；蛘唔?xiàng)目類型都是設(shè)計(jì)型，教師把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自己編程。這兩種簡單的方式都不能很好地提升學(xué)生的綜合能力。因而，密碼學(xué)的實(shí)驗(yàn)類型要由實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來確定。布置密碼實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)該由淺入深，首先布置簡單的驗(yàn)證項(xiàng)目，比方古典密碼算法，其次布置綜合型項(xiàng)目，如RSA的實(shí)現(xiàn)等，最后布置研究型項(xiàng)目。研究型項(xiàng)目由教師確定一個(gè)具有新穎性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目范圍，由學(xué)生根據(jù)興趣自立選題。研究型項(xiàng)目選題能夠依托學(xué)科競賽來確定，比方全國大學(xué)生信息安全競賽等。3結(jié)束語密碼技術(shù)是信息安全的核心技術(shù)，密碼學(xué)也是信息安全專業(yè)的核心課程，研究密碼學(xué)課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有側(cè)重要的意義。在信息安全專業(yè)密碼學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)課程，以及密碼學(xué)前置課程的多年教學(xué)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息安全競賽的一些經(jīng)歷體驗(yàn)，針對信息安全專業(yè)密碼學(xué)教學(xué)在教學(xué)資料選擇、教學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面存在的問題，從教學(xué)理念、教學(xué)思路和教學(xué)方法三個(gè)方面給出教學(xué)改良方案，教學(xué)理論表示清楚這些改良方案能夠獲得更好教學(xué)效果。江明明以下為參考文獻(xiàn)：[1]王后珍，張煥國.密碼學(xué)課程建設(shè)及教學(xué)方法討論[J].高教學(xué)刊，2016〔7〕：79-79.[2]丁勇.信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)密碼學(xué)教學(xué)研究[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28〔2〕