云檔案信息安全技術

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　　[摘要]本文在分析我國信息安全專業與通信工程專業現狀的基礎上，首先探討了我國信息安全專業課程體系，分析了信息安全“跨學科”教學在各理工類專業中的重要性。然后以衛星通信課程為例，研究了為衛星通信中實現跨學科信息安全教學的方法和手段。最后對跨學科信息安全教學提出了一些建議，探討信息安全專業教育與其他理工專業教育“互為支撐、相互促進”的教育教學新方法。

　　[關鍵詞]衛星通信信息安全跨學科教學方法

　　隨著信息技術的迅猛發展，信息安全領域對于保障我國政治安全、軍事安全、國家基礎設施安全和社會穩定等全局性影響的極端重要性日益凸顯。尤其是在軍事領域，戰爭的重心已明顯向信息領域轉移，作戰的重心也轉移到了制信息權的爭奪上。現代戰場空間被立體分布、縱橫交錯的信息網絡所籠罩，各種作戰要素被以計算機和通信技術為基礎的信息網絡連接成一個有機的整體。為適應我國社會信息化建設在新時代面臨的新要求，盡快建設并形成網絡信息安全保障體系刻不容緩，教育部設立了信息安全專業。

　　由于起步晚、信息基礎薄弱，我國信息安全存在不少突出問題，其中之一就是信息安全專業人才嚴重匱乏，其根本原因是信息安全人才教育與培養制度的不完善。信息安全是信息工作穩定可靠的重要保障，涉及計算機、通信、數學、物理、法律、管理等多個領域的專業知識，需要進行專門人才的教育與培訓。目前我國主要采用高等院校設置專業課程的方式來進行信息安全教育，并且信息安全專業教育教學與其他學科信息安全教學嚴重脫節，形成了信息安全專業學生對所學知識“無用武之地”和其他理工類專業學生對信息安全知識“無所謂”的尷尬局面。

　　本文在分析我國信息安全專業與通信工程專業現狀的基礎上，首先探討了我國信息安全專業課程體系，分析了信息安全“跨學科”教學在各理工類專業中的重要性。然后以衛星通信課程為例，研究了為衛星通信課程中實現跨學科信息安全教學的方法和手段。最后對跨學科信息安全教學提出了一些建議，探討信息安全專業教育與其他理工專業教育“互為支撐、相互促進”的教育教學新方法。

　　一、我國理工類高等院校信息安全專業建設

　　(一) 信息安全專業建設

　　我國信息安全本科專業設置始于2001年，黨中央、國務院高度關注我國信息安全專業建設，教育部為此下發了教育部教高[2005年]7號文件，對加強信息安全學科專業建設提出了指導意見。目前，我國高校、科研機構的信息安全專業建設發展迅速。截至 2011 年底，全國在已有的 70 余所高校所建立的信息安全及相關類本科專業的基礎上，在 25 所高校和研究所中設立了信息安全二級學科博士點，在各大學和研究所建立了國家級和省部級的信息安全相關的重點實驗室與工程中心。

　　不少信息安全研究單位和企業與高校開展了多層次的合作，直接或間接地參與到信息安全人才的培養中來。另外，為促進高校形成自己的特色與品牌，面向社會需求培養，強化實踐教學，“十一五”期間，全國已有包括武漢大學、清華大學等在內的 16 所高校獲得教育部批準建設的國家級信息安全特色專業或方向。近幾年，武漢大學計算機學院和北京電子科技學院都增設了信息安全本科專業;有些院校和科研機構也已開設相關專業，培養專門人才。這類教育與培訓較為系統和體系化，主要針對在校學生和專業進修人員進行。

　　另外，許多高校根據自身的特點分別將信息安全設置在不同的一級學科中。實際上，信息安全專業所涉及的領域相當廣泛，尤其是理工類高等院校完全可以根據自身的傳統優勢學科發展相應的信息安全研究方向，自主設立相應的學科點，并且通過學科建設帶動本科專業的建設，使其對學科發展形成支撐作用。

　　例如西安電子科技大學根據本校的特色，在信息與通信工程一級學科下自主設立了信息安全二級學科，從通信與密碼學外延培養通信保密和信息安全的專業人才，取得了良好的效果。國防科技大學、解放軍信息工程大學等軍事高等院校依托其理工特色，也根據現有的各類專業(數學、物理、計算機、通信、電子對抗等)外延，培養不同特色的信息安全領域的人才。

　　(二)信息安全課程體系建設

　　由于信息安全具有多學科交叉、理論與實踐結合和涉及國家安全等特殊性，它是計算機、通信、微電子、數學、物理、法律、管理、教育等多學科交叉的產物。而信息安全專業有著系統的知識體系，同時包含密碼理論與技術、安全協議理論與技術、信息對抗理論與技術、網絡與系統安全等諸多研究方向，每個方向都有配套的培養方案，側重點不同。信息安全專業學生既要系統地學習信息安全專業知識，又要與自己的專業方向相結合。由于國內的信息安全專業作為二級學科開設在不同的一級學科之間，因此課程設置差別很大。

　　在全國數百所理工類高等院校中，各高校依據其辦學思路和本校特點，其信息安全專業的定位不同，這決定了其課程體系設計差別很大。如“數字信號處理”、“編碼理論基礎”、“隨機信號分析”、“通信原理”、“信息網絡基礎”等課程使得信息安全專業培養更傾向于密碼學和通信安全;而“計算機網絡”、“軟件工程”、“操作系統”、“數據庫原理”等課程則將信息安全專業培養定位于計算機科學與技術專業之上。綜合來看，主要有以下幾種情況：

　　1.信息安全專業置于數學系，以密碼學作為教學重點。

　　2.信息安全專業置于通信系，以通信安全作為教學重點。

　　3.信息安全專業置于計算機系，以計算機網絡安全與系統安全為教學重點。

　　4.信息安全專業置于商學系，以電子商務安全作為教學重點。

　　課程體系基本上包含理論與技術兩個方面。在理論課程方面，一般包括初等數論、計算數論、密碼學、信息論、計算機體系結構、計算機網絡、協議形式化分析等內容;在技術課程方面，一般包括網絡安全與對抗、計算機惡意程序防范、計算機與通信網絡設計等內容。現代信息安全行業的深遠發展已經奠定了信息安全及其管理在信息安全教育與培訓中的地位，但目前還存在信息安全管理欠缺、信息安全專業“封閉性”較強、其他理工類專業信息安全教學意識淡薄等問題，其核心問題是沒有充分理解與利用信息安全的“跨學科”內涵，這一點在理工類研究生教育中體現得尤其突出。因此，我國教育科研機構尤其是理工類高等院校必須深入開展信息安全學科內涵的研究，從專業建設和課程體系建設上下真功夫，不斷整合已有的理工類教學科研資源，從而推動我國信息安全教育不斷向前發展。

　　二、衛星通信中的跨學科信息安全教學

　　本節將在分析目前衛星通信課程內容的基礎上，以衛星通信中的信息安全教學為例，探討進行跨學科信息安全教學的方法與手段。

　　(一)衛星通信課程體系

　　衛星通信結合了通信技術、計算機技術和航空航天技術等多種通信手段，是大部分理工類高等院校信息與通信工程專業的必修課程，是通信、電子、信息類專業中具有舉足輕重地位的交叉學科。因此，衛星通信課程涵蓋的知識面相當廣泛，從物理學科的開普勒三定律到數學的幾何運算，從衛星的發射控制技術到衛星與地球站之間的無線通信技術，涉及的內容非常多。

　　而衛星通信課程屬于專業課程，課時量一般為32-50學時。目前，我國大多數高等院校通信工程專業的衛星通信教學課程大致分為七個部分：衛星通信概述，通信衛星技術，衛星通信地球站，多址方式與分配制度，衛星通信鏈路分析，衛星通信系統與衛星通信網絡。教學目標與大綱一般設定為：使學生掌握現代衛星通信的基本概念和原理以及主要技術，洞悉衛星通信技術的最新動態及發展前景，加深對衛星通信系統的認識，從而使學生有較好的素質適應無線通信技術快速發展的趨勢。以課程講授階段劃分，課程組成如圖1所示，主要包括衛星通信概論、衛星通信系統、信號傳輸技術、典型的衛星通信網介紹等。

　　可以看出，目前的衛星通信課程體系存在內容多、系統性強，結合實際應用較多的特點，但并未涉及信息安全內容，而衛星通信的協議及數據安全始終是衛星測控系統與通信系統設計中最重要的問題之一，同時也是衛星測控任務實施過程中的關鍵性問題。電子偵察和電子對抗手段的發展對依靠機要手段保障空間數據系統安全的傳統方法形成了嚴重的威脅。

　　信息安全知識講授的匱乏造成了通信工程專業學生在信息安全方面的專業知識缺失。另一方面，信息安全專業學生的課程學習大多以地面有線和無線網絡為背景，對于衛星通信中的信息安全教學并未涉及，而地面網絡與衛星通信網絡環境的極大差異又造成其已掌握的信息安全知識無法直接運用到某些具體工程實踐問題上，這對于軍隊理工類高等院校等涉及國家基礎設施安全保障任務的高等院校來說是一個亟需解決的問題，并且該問題在信息與通信工程專業研究生教育上體現得更加突出。

　　實際上，在單純的課堂理論講授之外，應花大力氣研究如何提高衛星通信課程的教學質量，使學生在理解掌握衛星通信基本原理的同時，能夠學以致用地解決工程實踐問題。

　　(二)加強意識教育，使學生了解衛星通信中信息安全的重要性

　　首先要讓通信工程專業的學生了解信息安全在衛星通信中的重要性。衛星通信的安全性是任何空間任務都不能忽視的問題，特別是目前分包系統和交互支持應用廣泛的現代空間信息體系，由于空間鏈路的開放性，航天任務期間存在著各種形式的對空間數據系統安全的威脅。

　　第三方可以通過技術手段截獲所發送的通信信號，竊取并解譯信息內容，并通過偽造信息對正常工作的衛星進行攻擊破壞，從而達到破壞信息、數據或資源，泄露秘密信息，中斷系統的正常業務的目的。在這種情況下，衛星通信乃至空間數據系統的安全就出現了前所未有的需求;面對高技術手段形成的電子偵察和對抗環境，對數據保護技術的要求也達到了前所未有的程度。空間信息傳輸的安全主要由通信節點和通信鏈路的安全來保障，而通信鏈路的安全主要由通信協議的安全來保障。

　　如上，通過分析衛星通信系統在目前高技術條件下所面臨的安全威脅，使學生充分掌握課程講授的目的。可以通過引入信息安全理論中的安全威脅建模與衛星通信系統遭受信息攻擊案例等多種形式增強教學的趣味性，以提高學生的興趣。

　　(三)結合衛星通信環境，使學生掌握衛星通信中信息安全的知識點

　　在具體教學實踐過程中，要掌握因材施教的原則，針對信息安全專業與通信工程專業學生，授課內容重點有所不同，重點結合衛星通信環境，使通信工程專業學生掌握需要學習的信息安全知識點，使信息安全專業學生掌握其所學的信息安全知識在具體衛星通信工程實踐中應用的方式方法。其根本在于，空間信息鏈路的特點決定了其安全增強方式與傳統的地面網絡安全機制之間的不同。主要表現在以下幾個方面：

　　1.由傳輸距離遠而引起的長傳播時延以及上下行鏈路的高度不對稱，導致了衛星鏈路遭受攻擊的反應時間增加。

　　2.信息傳輸誤碼率高，信息傳輸過程幾乎全部需要利用衛星鏈路，惡劣的空間輻射環境以及敵方的電磁干擾、電磁攻擊，會導致信息誤碼率升高，而高誤碼率會對加密數據的正確性產生更大的影響，密碼學算法的錯誤擴散影響范圍急劇擴大，增加數據重傳的概率。

　　3.衛星通信資源異常寶貴，傳統的認證、加密及訪問控制機制會大大消耗有限的衛星鏈路資源，應在實現安全控制的同時要避免浪費通信資源。

　　4.衛星的計算資源、存儲容量及處理能力受限，使得采用的安全機制必須高效，以處理效率和安全為雙重目標;并且，由于空間環境的電磁輻射引起的單事件翻轉(SEU)會導致安全模塊計算錯誤，同樣加劇了錯誤擴散的程度。

　　5.衛星信道狀態的不可預測性決定了在空間鏈路上實施入侵檢測的難度較高、較為復雜。

　　通過如上分析，讓不同專業學生了解到自己目前所掌握知識的差距，從而提升通信工程專業學生掌握信息安全與對抗知識的興趣，也能夠培養信息安全專業學生“學有所用”的自信。

　　(四) 跟蹤科研發展成果，設計衛星通信信息安全教學內容

　　針對衛星通信協議所面臨的安全威脅，基于衛星鏈路復雜性、異構性、高動態性、長延遲等特點，可從物理層的信息理論安全和鏈路層/網絡層的計算安全兩個方面研究空間通信協議的安全增強和數據保護技術，主要包含基于計算安全理論的數據安全保護和基于信息理論安全的物理層安全兩大教學內容。由于衛星通信技術發展速度快，因此要緊跟最新科研成果，動態調整設計衛星通信信息安全教學內容。

　　1.基于計算理論安全的CCSDS鏈路協議數據保護。依據最新的CCSDS國際標準，重點講授CCSDS空間數據鏈路協議保護的加密與認證技術。在講授過程中，根據信息安全專業學生的密碼學知識儲備與通信工程專業學生的通信原理知識儲備，減少理論授課內容，因材施教。結合衛星信道的高誤碼率等鏈路特點，講授信息安全技術對鏈路協議的吞吐量效率、等待延遲等傳輸性能造成的影響

　　。要讓信息安全專業學生理解，安全機制實施的位置、采用的密碼學算法和協議的執行過程之間存在錯綜復雜的聯系。在原有衛星通信系統上添加安全機制，從可靠性角度來看無疑是增加了一個可能給系統可靠性帶來不利影響的額外環節。可讓學生在教學環節展開深入討論，讓信息安全專業學生和通信工程專業學生深入交流，從不同專業背景出發，討論衛星通信系統中需要的數據保護技術具有哪些特點，受到哪些限制，與傳統地面網絡存在何種不同。　　由于涉及的密碼學知識較多，基于計算理論安全的衛星通信數據保護技術適宜在信息安全專業進行課程教學。

　　2.基于信息理論安全的物理層安全機制。首先，要讓學生了解課程教學目的。由于空間鏈路中存在被動偷聽的可能性，如果通信雙方完全通過在經典信道上傳輸信息，則在雙方之間建立保密的密鑰是不可能的。其次，隨著技術的不斷發展，計算機的計算速度呈級數增長，量子計算機的即將出現更是威脅著計算密碼的安全性，要滿足空間鏈路的信息機密性需求就必須構建更科學更完善的密碼體制。

　　然后，引入信息理論安全的概念。信息理論安全結合了信息論與密碼技術，其基本原理是利用信道傳輸的隨機性，保證無線網絡中惡意偷聽的第三方不能對信息進行正確譯碼。在衛星通信鏈路的物理層采用基于信息理論安全的安全機制，星地通信雙方不需要共享加密密鑰，不需要復雜的加密解密算法，利用信道特性、編碼、調制等一系列通信機制建立來建立安全的通信模型。

　　在具體教學實踐過程中，要以Shannon信息論意義上的安全通信系統模型為基礎，結合衛星通信信道存在著多徑效應、陰影效應、多普勒頻移和電離層閃爍等特征，重點講授多徑衰落等自然因素對信道安全容量和安全通信速率的影響，使學生掌握多徑衰落環境下的信息理論安全模型。讓學生了解通過多徑衰落的陰影效應和多普勒效應的影響來加大偷聽方對信息不確定性的方法，并學習利用多徑衰落的相關系數之間的內在關系掌握基于信息理論安全的密鑰生成算法等。由于涉及的信息論與通信原理知識較多，基于信息理論安全的物理層安全機制適宜在通信工程專業進行課程教學。

　　三、加強理工類高等院校跨學科信息安全教育的幾點建議

　　根據上述分析，本文就如何加強理工類高等院校跨學科信息安全教育提出以下四點建議。

　　(一)因材施教，進行信息安全學科內部跨學科“二次教育”

　　信息安全專業研究生大多來自計算機、通信與數學等各個專業，其在本科階段的知識背景、知識結構都較為不同。針對這種情況，應充分利用學生知識結構，找準切入點，選擇適合來自不同專業學生的研究方向，使他們既能獲得全面系統的信息安全專業知識又能發揮他們所長，因材施教進行“二次教育”。具體來說，針對來自計算機、通信等工程類專業的學生，利用其在互聯網技術、通信技術以及計算機軟硬件等方面的知識儲備優勢，重點加強其在信息安全理論知識方面的教育培養，指導學生閱讀學習密碼學與安全協議相關理論知識的經典教材或經典論文，培養其信息安全理論學習興趣。相應地，針對來自數學等理論性較強專業的學生，由于其已經具備了扎實的理論基礎與理論學習方法，故應提高計算機、通信網和程序開發等方面的工程實踐能力，彌補相應知識與能力的欠缺。

　　(二)與時俱進，有機結合系統工程知識與理論基礎知識

　　對于信息對抗與網絡系統安全等側重于工程技術的研究方向，在打牢信息安全理論知識基礎的同時，應加強工程實踐教育，使教學工作融合于科研項目的研究開發過程中，讓學生能夠更加生動具體地理解專業知識并加以掌握。要不斷總結經驗，根據不斷變化的本學科發展情況和學生的綜合素質改進培養方案，根據最新的科研成果改進系統教材，做到研究生教育與項目科研與時俱進、研究方案與教學教材緊密結合、工程研發培訓與信息安全理論教學跨學科并進，從而促使研究生培養水平不斷提高。

　　(三)融會貫通，加強其他理工類專業信息安全“跨學科”教育

　　對于其他理工類專業，如自動控制類專業、物理類專業、化工類專業、航空航天類專業等涉及國家基礎設施安全的專業學生來說，首先要加強其對信息理論知識重要性及理解程度，要求其重視本專業學科中信息安全問題的重要性;其次是在課程體系建設方面，適當增加信息安全在本專業應用方面的課程。例如在飛行器設計專業方面，要加強學生對于飛行器通信安全重要性的理解，掌握飛行器通信安全在飛行器設計中的方法與要求;在電力系統專業方面，要求學生在設計電力網絡的同時，要能夠充分考慮電力網的安全性。總而言之，要理工類各專業學生在扎實掌握本專業基礎知識的同時，具備一種包含信息安全在內的“大局觀”，融會貫通地掌握體系知識與體系設計能力，全面提升專業素質能力。

　　(四)豐富形式，利用多種手段加強信息安全專業與其他專業的“跨學科”交流

　　除正規課程之外，信息安全教育還可以通過其它形式多樣的跨學科教育活動來進行。許多高校都開設有“計算機文化節”之類的課外教學活動，信息安全可以作為這些活動中的重要組成部分，比如舉行信息安全知識競賽，計算機滲透技術大比拼等。另外，小型報告會、問卷調查、技術講座等都可以作為信息安全教育的方式。總之，通過形式多樣的教育活動，使信息安全專業學生充分了解所學知識與技術的“用武之地”與“用武之法”;使其他理工類專業學生了解信息安全的重要性，掌握基本的信息安全技術，增強其專業知識體系的全面性及其大局觀，為實現信息安全管理、解決信息安全問題奠定堅實的教學基礎。

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