計算機病毒課程實驗教學方法研究

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計算機技術的飛速發展給我們的工作和生活帶來了極大的便利，然而伴隨而來的信息安全問題也日益嚴峻，已經成為影響信息技術應用和進一步發展的瓶頸。其中計算機病毒就是威脅信息安全的重要因素之一，如感染可執行文件的PE病毒、感染Word文檔等數據文件的宏病毒、以U盤為寄生傳播對象的Auto病毒、利用郵件進行傳播的郵件型病毒、利用系統漏洞進行傳播破壞的蠕蟲、木馬等，無時無刻不在威脅著信息的安全。然而，目前社會和企業都面臨著信息安全人才配備嚴重不足的情況，因此，為了維護信息安全，培養具備分析與對抗紛繁復雜的計算機病毒能力的高素質的應用型、創新型信息安全人才是目前國家和社會必須面臨的重要問題。信息安全專業是一個新興的專業，該專業的重要基礎課程“計算機病毒”也是一門隨著信息技術發展而產生的全新課程，目前在教學環節和教學模式的設計等方面尚存在較多需要探索和改進的地方。“計算機病毒”是一門理論性和實踐性都很強的課程，傳統的“傳遞－接受式”、“重理論、輕實踐”的教學模式只適合培養知識型人才，距離培養面向工程應用的實用性、復合型的信息安全反病毒專業人才還有很大的差距。因此，必須以“工程實踐創新”理念為導向，研究一種將計算機病毒理論與實踐教學相融合的教學模式和教學方法，以最終達到培養高素質的應用型、創新型信息安全專業人才的目標。對此，本文重點從“計算機病毒”課程的教學環節與實驗、實踐教學過程設計等方面進行探索，并以計算機病毒中破壞力最為強大、技巧性極強的Win32PE病毒為例展開教學研究，進而為整個課程各個教學環節的改革提供良好的參考。

1課程實驗內容設置

“計算機病毒”課程不僅具有很強的理論性，同時具有很強的實踐性，許多病毒和反病毒技術必須在實踐過程中去認識、理解和掌握，因此，其教學過程必須注重原理和實踐的良好結合。目前，計算機病毒種類繁多，病毒特點與實現原理、運行機制各有不同，對此，本課程的實驗內容主要圍繞“DOS引導型病毒、Windows32PE病毒、Word宏病毒、Java腳本病毒、VB腳本病毒、Outlook郵件病毒、蠕蟲、木馬”等典型的計算機病毒展開。雖然通過案例式的課堂理論教學可以讓學生在一定程度上對計算機病毒保持興趣，但是，如果沒有實踐的環節讓學生“近距離”地接觸病毒、感受病毒，那么學生的興趣就會漸漸地變淡。因此，必須合理規劃和安排實驗時間，在學生還保持著興趣的情況下盡快安排實驗，使學生從對原理似懂非懂的狀態下親自實踐，深入理解病毒原理，并能夠激發學生想盡快實現分析病毒的“沖動”。為了更好地說明本課程各個實驗教學環節的教學內容安排、教學過程以及教學方法，本文以典型的Win32PE病毒為例進行闡述。

2Win32PE病毒實驗教學過程探索

目前所存在的各種類型的病毒中，Win32的PE病毒最為盛行，功能最強，分析難度也最大，因此，掌握Win32PE病毒的基本原理及其運行機制，并能進行合理的對抗與分析對于一名反病毒分析師非常重要。PE病毒原理復雜，如何既能使學生不會因為原理的復雜而嚇退、放棄，又能使學生激發并保持學習的熱情和興趣，就必須合理設計其教學過程與教學方法，本文主要從以下幾個教學環節展開討論。

2．1理論教學

如果沒有扎實的理論知識的支撐，就不可能有良好的實驗效果。對此，本文從以下幾個角度開展PE病毒的理論教學。

(1)病毒案例的演示與簡單功能說明。由于PE病毒原理非常復雜，如果一開始就進入復雜枯燥的原理講解，必定會使學生的學習興趣消失殆盡。因此，為了保持學生的學習興趣，采用病毒案例演示和簡單講解的方式進行導課，從而激發學生學習的“沖動”。

(2)詳解PE文件格式。PE文件格式是Win32環境自身所帶的執行體文件格式，是PE病毒感染的對象。PE格式的講解比較枯燥，但是內容卻很重要，是學習、理解和掌握PE病毒工作原理的關鍵，為了使學生能聽得進去，就不能僅僅講解PE的結構構成，而要邊講結構邊借助PPT的動畫演示功能對照一個PE文件的二進制信息進行說明，這樣可以使學生對PE文件有一個更加直觀的認識。此外，對于PE病毒所關心的PE文件關鍵字段要結合病毒的運行機制和行為特點進行講解，告訴學生這個字段的作用是什么，病毒如何來利用它，這樣學生不會孤立地學習PE格式，也就不會覺得學得無趣。

(3)講解PE病毒的一般行為及其工作原理。這部分是理解PE病毒行為特點、工作原理、運行機制的核心部分。重點介紹PE病毒的重定位技術、獲取API函數地址的多種方法、獲取感染目標文件的方法、文件的多種感染技術等等。

2．2驗證型實驗教學

本課程的病毒驗證型實驗的開展主要是借助了信息安全實驗教學平臺，該平臺針對實驗內容提供了詳細的指導，包括實驗基礎、實驗原理及其動畫演示、實驗步驟和思考問題等，并提供了針對性的實驗輔助工具，可以更好地幫助學生理解每類病毒的運行機制。PE病毒的驗證型實驗主要是利用PE文件信息查看工具、二進制文件查看工具、動態調試工具等多種工具相結合，來驗證PE病毒的基本原理。具體的實驗過程和實驗內容包括:

(1)以一個簡單的PE文件為例，采用UltraEdit等工具，手動查看PE文件的詳細二進制信息，以深入理解PE文件格式。

(2)在虛擬機中運行病毒，觀察病毒的感染機制、感染前后宿主文件的變化等，對PE病毒有一個直觀的認識。

(3)以案例病毒為樣本進行分析。首先，使用LordPE等PE文件信息查看工具，分別讀取病毒感染前后宿主文件的PE頭信息、數據目錄表、節表等信息，記錄下病毒所關心字段的關鍵數值，并分析其不同的原因;然后，使用UltraEdit工具的文件比較功能，打開病毒感染前后的文件，查看其二進制信息，并將UltraEdit窗口中用不同顏色標記的二進制字段進行詳細分析，思考病毒修改該字段的目的所在，進而理解病毒的工作原理和運行機制。最后，結合使用OllyDBG等動態調試工具將樣本病毒加載進內存，分析其在內存中的運行過程。

2．3設計型實驗教學

通過驗證型實驗環節使學生對PE病毒的基本原理、運行機制有了一定的理解，但是如果不親自動手實現一個病毒，那么這種理解不會太深刻，也會有很多的細節無法解釋，對此，設計型實驗教學環節就變的更加重要，本課程需要學生獨立完成以下幾個工作。

(1)簡單PE病毒的設計與實現。請學生從病毒編寫者的角度出發，設計簡單PE病毒的運行過程，并實現一些PE病毒的基本行為和簡單功能，以使學生更深入地理解和掌握PE病毒的一些共性行為特征和個性的行為特征，以及這些行為的實現方式。

(2)搭建病毒分析實驗室，分析簡單病毒樣本。搭建病毒分析實驗室，即安裝病毒運行環境－虛擬機，并將要用到的病毒行為監控工具、病毒分析工具等都裝入其中，如Filemon、Regmon、ProcessExplorer、Tcpview、IceSword、OllDBG、IDA等，然后將最常用的工具運行起來，完成各種配置，最后在虛擬機中制作快照，以便病毒分析時直接還原快照。在搭建好的病毒分析實驗室中，學生可以獨立分析自己編寫的病毒和教師提供的病毒樣本。病毒分析實驗室的搭建不僅可以督促學生掌握虛擬機、常用病毒行為監控工具、分析工具等的使用方法，而且可以更方便地運行和分析病毒。

2．4課程拓展－創新型實踐教學

計算機病毒的分析與對抗能力是在大量的實踐過程中培養起來的，因此，在PE病毒課程結課之后，仍需利用國家、學校、學院、教師等創造的各種機會來培養和鍛煉學生，即鼓勵學生積極參與國家和天津市的信息安全競賽、科技立項、教師科研項目、知名企業實習實訓平臺、畢業設計等實踐活動，圍繞“病毒的分析與對抗”，自主命題、自主設計解決方案和實驗步驟，以促進學生自主學習與自主科研，提高學生的創新研究能力。

3結語

“計算機病毒”課程是信息安全系列課程的專業基礎課程之一，對于信息安全人才的培養具有舉足輕重的作用。為了培養具備分析與對抗紛繁復雜的計算機病毒能力的高素質的工程實踐型信息安全人才，本文以“工程實踐創新”理念為導向，重點探索了計算機病毒課程實驗教學方面的幾個主要環節，并以Win32PE病毒為例，從理論教學、驗證型實驗教學、設計型實驗教學、創新型實踐教學幾個方面展開了探索，為本課程的后續改革以及信息安全專業同類課程的教學改革提供參考。

作者：王靜 熊育婷 鐘安鳴 付宇 單位：中國民航大學