云档案信息安全技术

时间：2022-10-03 02:36:25 信息安全毕业论文我要投稿

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　　[摘要]本文在分析我国信息安全专业与通信工程专业现状的基础上，首先探讨了我国信息安全专业课程体系，分析了信息安全“跨学科”教学在各理工类专业中的重要性。然后以卫星通信课程为例，研究了为卫星通信中实现跨学科信息安全教学的方法和手段。最后对跨学科信息安全教学提出了一些建议，探讨信息安全专业教育与其他理工专业教育“互为支撑、相互促进”的教育教学新方法。

　　[关键词]卫星通信信息安全跨学科教学方法

　　随着信息技术的迅猛发展，信息安全领域对于保障我国政治安全、军事安全、国家基础设施安全和社会稳定等全局性影响的极端重要性日益凸显。尤其是在军事领域，战争的重心已明显向信息领域转移，作战的重心也转移到了制信息权的争夺上。现代战场空间被立体分布、纵横交错的信息网络所笼罩，各种作战要素被以计算机和通信技术为基础的信息网络连接成一个有机的整体。为适应我国社会信息化建设在新时代面临的新要求，尽快建设并形成网络信息安全保障体系刻不容缓，教育部设立了信息安全专业。

　　由于起步晚、信息基础薄弱，我国信息安全存在不少突出问题，其中之一就是信息安全专业人才严重匮乏，其根本原因是信息安全人才教育与培养制度的不完善。信息安全是信息工作稳定可靠的重要保障，涉及计算机、通信、数学、物理、法律、管理等多个领域的专业知识，需要进行专门人才的教育与培训。目前我国主要采用高等院校设置专业课程的方式来进行信息安全教育，并且信息安全专业教育教学与其他学科信息安全教学严重脱节，形成了信息安全专业学生对所学知识“无用武之地”和其他理工类专业学生对信息安全知识“无所谓”的尴尬局面。

　　本文在分析我国信息安全专业与通信工程专业现状的基础上，首先探讨了我国信息安全专业课程体系，分析了信息安全“跨学科”教学在各理工类专业中的重要性。然后以卫星通信课程为例，研究了为卫星通信课程中实现跨学科信息安全教学的方法和手段。最后对跨学科信息安全教学提出了一些建议，探讨信息安全专业教育与其他理工专业教育“互为支撑、相互促进”的教育教学新方法。

　　一、我国理工类高等院校信息安全专业建设

　　(一) 信息安全专业建设

　　我国信息安全本科专业设置始于2001年，党中央、国务院高度关注我国信息安全专业建设，教育部为此下发了教育部教高[2005年]7号文件，对加强信息安全学科专业建设提出了指导意见。目前，我国高校、科研机构的信息安全专业建设发展迅速。截至 2011 年底，全国在已有的 70 余所高校所建立的信息安全及相关类本科专业的基础上，在 25 所高校和研究所中设立了信息安全二级学科博士点，在各大学和研究所建立了国家级和省部级的信息安全相关的重点实验室与工程中心。

　　不少信息安全研究单位和企业与高校开展了多层次的合作，直接或间接地参与到信息安全人才的培养中来。另外，为促进高校形成自己的特色与品牌，面向社会需求培养，强化实践教学，“十一五”期间，全国已有包括武汉大学、清华大学等在内的 16 所高校获得教育部批准建设的国家级信息安全特色专业或方向。近几年，武汉大学计算机学院和北京电子科技学院都增设了信息安全本科专业;有些院校和科研机构也已开设相关专业，培养专门人才。这类教育与培训较为系统和体系化，主要针对在校学生和专业进修人员进行。

　　另外，许多高校根据自身的特点分别将信息安全设置在不同的一级学科中。实际上，信息安全专业所涉及的领域相当广泛，尤其是理工类高等院校完全可以根据自身的传统优势学科发展相应的信息安全研究方向，自主设立相应的学科点，并且通过学科建设带动本科专业的建设，使其对学科发展形成支撑作用。

　　例如西安电子科技大学根据本校的特色，在信息与通信工程一级学科下自主设立了信息安全二级学科，从通信与密码学外延培养通信保密和信息安全的专业人才，取得了良好的效果。国防科技大学、解放军信息工程大学等军事高等院校依托其理工特色，也根据现有的各类专业(数学、物理、计算机、通信、电子对抗等)外延，培养不同特色的信息安全领域的人才。

　　(二)信息安全课程体系建设

　　由于信息安全具有多学科交叉、理论与实践结合和涉及国家安全等特殊性，它是计算机、通信、微电子、数学、物理、法律、管理、教育等多学科交叉的产物。而信息安全专业有着系统的知识体系，同时包含密码理论与技术、安全协议理论与技术、信息对抗理论与技术、网络与系统安全等诸多研究方向，每个方向都有配套的培养方案，侧重点不同。信息安全专业学生既要系统地学习信息安全专业知识，又要与自己的专业方向相结合。由于国内的信息安全专业作为二级学科开设在不同的一级学科之间，因此课程设置差别很大。

　　在全国数百所理工类高等院校中，各高校依据其办学思路和本校特点，其信息安全专业的定位不同，这决定了其课程体系设计差别很大。如“数字信号处理”、“编码理论基础”、“随机信号分析”、“通信原理”、“信息网络基础”等课程使得信息安全专业培养更倾向于密码学和通信安全;而“计算机网络”、“软件工程”、“操作系统”、“数据库原理”等课程则将信息安全专业培养定位于计算机科学与技术专业之上。综合来看，主要有以下几种情况：

　　1.信息安全专业置于数学系，以密码学作为教学重点。

　　2.信息安全专业置于通信系，以通信安全作为教学重点。

　　3.信息安全专业置于计算机系，以计算机网络安全与系统安全为教学重点。

　　4.信息安全专业置于商学系，以电子商务安全作为教学重点。

　　课程体系基本上包含理论与技术两个方面。在理论课程方面，一般包括初等数论、计算数论、密码学、信息论、计算机体系结构、计算机网络、协议形式化分析等内容;在技术课程方面，一般包括网络安全与对抗、计算机恶意程序防范、计算机与通信网络设计等内容。现代信息安全行业的深远发展已经奠定了信息安全及其管理在信息安全教育与培训中的地位，但目前还存在信息安全管理欠缺、信息安全专业“封闭性”较强、其他理工类专业信息安全教学意识淡薄等问题，其核心问题是没有充分理解与利用信息安全的“跨学科”内涵，这一点在理工类研究生教育中体现得尤其突出。因此，我国教育科研机构尤其是理工类高等院校必须深入开展信息安全学科内涵的研究，从专业建设和课程体系建设上下真功夫，不断整合已有的理工类教学科研资源，从而推动我国信息安全教育不断向前发展。

　　二、卫星通信中的跨学科信息安全教学

　　本节将在分析目前卫星通信课程内容的基础上，以卫星通信中的信息安全教学为例，探讨进行跨学科信息安全教学的方法与手段。

　　(一)卫星通信课程体系

　　卫星通信结合了通信技术、计算机技术和航空航天技术等多种通信手段，是大部分理工类高等院校信息与通信工程专业的必修课程，是通信、电子、信息类专业中具有举足轻重地位的交叉学科。因此，卫星通信课程涵盖的知识面相当广泛，从物理学科的开普勒三定律到数学的几何运算，从卫星的发射控制技术到卫星与地球站之间的无线通信技术，涉及的内容非常多。

　　而卫星通信课程属于专业课程，课时量一般为32-50学时。目前，我国大多数高等院校通信工程专业的卫星通信教学课程大致分为七个部分：卫星通信概述，通信卫星技术，卫星通信地球站，多址方式与分配制度，卫星通信链路分析，卫星通信系统与卫星通信网络。教学目标与大纲一般设定为：使学生掌握现代卫星通信的基本概念和原理以及主要技术，洞悉卫星通信技术的最新动态及发展前景，加深对卫星通信系统的认识，从而使学生有较好的素质适应无线通信技术快速发展的趋势。以课程讲授阶段划分，课程组成如图1所示，主要包括卫星通信概论、卫星通信系统、信号传输技术、典型的卫星通信网介绍等。

　　可以看出，目前的卫星通信课程体系存在内容多、系统性强，结合实际应用较多的特点，但并未涉及信息安全内容，而卫星通信的协议及数据安全始终是卫星测控系统与通信系统设计中最重要的问题之一，同时也是卫星测控任务实施过程中的关键性问题。电子侦察和电子对抗手段的发展对依靠机要手段保障空间数据系统安全的传统方法形成了严重的威胁。

　　信息安全知识讲授的匮乏造成了通信工程专业学生在信息安全方面的专业知识缺失。另一方面，信息安全专业学生的课程学习大多以地面有线和无线网络为背景，对于卫星通信中的信息安全教学并未涉及，而地面网络与卫星通信网络环境的极大差异又造成其已掌握的信息安全知识无法直接运用到某些具体工程实践问题上，这对于军队理工类高等院校等涉及国家基础设施安全保障任务的高等院校来说是一个亟需解决的问题，并且该问题在信息与通信工程专业研究生教育上体现得更加突出。

　　实际上，在单纯的课堂理论讲授之外，应花大力气研究如何提高卫星通信课程的教学质量，使学生在理解掌握卫星通信基本原理的同时，能够学以致用地解决工程实践问题。

　　(二)加强意识教育，使学生了解卫星通信中信息安全的重要性

　　首先要让通信工程专业的学生了解信息安全在卫星通信中的重要性。卫星通信的安全性是任何空间任务都不能忽视的问题，特别是目前分包系统和交互支持应用广泛的现代空间信息体系，由于空间链路的开放性，航天任务期间存在着各种形式的对空间数据系统安全的威胁。

　　第三方可以通过技术手段截获所发送的通信信号，窃取并解译信息内容，并通过伪造信息对正常工作的卫星进行攻击破坏，从而达到破坏信息、数据或资源，泄露秘密信息，中断系统的正常业务的目的。在这种情况下，卫星通信乃至空间数据系统的安全就出现了前所未有的需求;面对高技术手段形成的电子侦察和对抗环境，对数据保护技术的要求也达到了前所未有的程度。空间信息传输的安全主要由通信节点和通信链路的安全来保障，而通信链路的安全主要由通信协议的安全来保障。

　　如上，通过分析卫星通信系统在目前高技术条件下所面临的安全威胁，使学生充分掌握课程讲授的目的。可以通过引入信息安全理论中的安全威胁建模与卫星通信系统遭受信息攻击案例等多种形式增强教学的趣味性，以提高学生的兴趣。

　　(三)结合卫星通信环境，使学生掌握卫星通信中信息安全的知识点

　　在具体教学实践过程中，要掌握因材施教的原则，针对信息安全专业与通信工程专业学生，授课内容重点有所不同，重点结合卫星通信环境，使通信工程专业学生掌握需要学习的信息安全知识点，使信息安全专业学生掌握其所学的信息安全知识在具体卫星通信工程实践中应用的方式方法。其根本在于，空间信息链路的特点决定了其安全增强方式与传统的地面网络安全机制之间的不同。主要表现在以下几个方面：

　　1.由传输距离远而引起的长传播时延以及上下行链路的高度不对称，导致了卫星链路遭受攻击的反应时间增加。

　　2.信息传输误码率高，信息传输过程几乎全部需要利用卫星链路，恶劣的空间辐射环境以及敌方的电磁干扰、电磁攻击，会导致信息误码率升高，而高误码率会对加密数据的正确性产生更大的影响，密码学算法的错误扩散影响范围急剧扩大，增加数据重传的概率。

　　3.卫星通信资源异常宝贵，传统的认证、加密及访问控制机制会大大消耗有限的卫星链路资源，应在实现安全控制的同时要避免浪费通信资源。

　　4.卫星的计算资源、存储容量及处理能力受限，使得采用的安全机制必须高效，以处理效率和安全为双重目标;并且，由于空间环境的电磁辐射引起的单事件翻转(SEU)会导致安全模块计算错误，同样加剧了错误扩散的程度。

　　5.卫星信道状态的不可预测性决定了在空间链路上实施入侵检测的难度较高、较为复杂。

　　通过如上分析，让不同专业学生了解到自己目前所掌握知识的差距，从而提升通信工程专业学生掌握信息安全与对抗知识的兴趣，也能够培养信息安全专业学生“学有所用”的自信。

　　(四) 跟踪科研发展成果，设计卫星通信信息安全教学内容

　　针对卫星通信协议所面临的安全威胁，基于卫星链路复杂性、异构性、高动态性、长延迟等特点，可从物理层的信息理论安全和链路层/网络层的计算安全两个方面研究空间通信协议的安全增强和数据保护技术，主要包含基于计算安全理论的数据安全保护和基于信息理论安全的物理层安全两大教学内容。由于卫星通信技术发展速度快，因此要紧跟最新科研成果，动态调整设计卫星通信信息安全教学内容。

　　1.基于计算理论安全的CCSDS链路协议数据保护。依据最新的CCSDS国际标准，重点讲授CCSDS空间数据链路协议保护的加密与认证技术。在讲授过程中，根据信息安全专业学生的密码学知识储备与通信工程专业学生的通信原理知识储备，减少理论授课内容，因材施教。结合卫星信道的高误码率等链路特点，讲授信息安全技术对链路协议的吞吐量效率、等待延迟等传输性能造成的影响

　　。要让信息安全专业学生理解，安全机制实施的位置、采用的密码学算法和协议的执行过程之间存在错综复杂的联系。在原有卫星通信系统上添加安全机制，从可靠性角度来看无疑是增加了一个可能给系统可靠性带来不利影响的额外环节。可让学生在教学环节展开深入讨论，让信息安全专业学生和通信工程专业学生深入交流，从不同专业背景出发，讨论卫星通信系统中需要的数据保护技术具有哪些特点，受到哪些限制，与传统地面网络存在何种不同。　　由于涉及的密码学知识较多，基于计算理论安全的卫星通信数据保护技术适宜在信息安全专业进行课程教学。

　　2.基于信息理论安全的物理层安全机制。首先，要让学生了解课程教学目的。由于空间链路中存在被动偷听的可能性，如果通信双方完全通过在经典信道上传输信息，则在双方之间建立保密的密钥是不可能的。其次，随着技术的不断发展，计算机的计算速度呈级数增长，量子计算机的即将出现更是威胁着计算密码的安全性，要满足空间链路的信息机密性需求就必须构建更科学更完善的密码体制。

　　然后，引入信息理论安全的概念。信息理论安全结合了信息论与密码技术，其基本原理是利用信道传输的随机性，保证无线网络中恶意偷听的第三方不能对信息进行正确译码。在卫星通信链路的物理层采用基于信息理论安全的安全机制，星地通信双方不需要共享加密密钥，不需要复杂的加密解密算法，利用信道特性、编码、调制等一系列通信机制建立来建立安全的通信模型。

　　在具体教学实践过程中，要以Shannon信息论意义上的安全通信系统模型为基础，结合卫星通信信道存在着多径效应、阴影效应、多普勒频移和电离层闪烁等特征，重点讲授多径衰落等自然因素对信道安全容量和安全通信速率的影响，使学生掌握多径衰落环境下的信息理论安全模型。让学生了解通过多径衰落的阴影效应和多普勒效应的影响来加大偷听方对信息不确定性的方法，并学习利用多径衰落的相关系数之间的内在关系掌握基于信息理论安全的密钥生成算法等。由于涉及的信息论与通信原理知识较多，基于信息理论安全的物理层安全机制适宜在通信工程专业进行课程教学。

　　三、加强理工类高等院校跨学科信息安全教育的几点建议

　　根据上述分析，本文就如何加强理工类高等院校跨学科信息安全教育提出以下四点建议。

　　(一)因材施教，进行信息安全学科内部跨学科“二次教育”

　　信息安全专业研究生大多来自计算机、通信与数学等各个专业，其在本科阶段的知识背景、知识结构都较为不同。针对这种情况，应充分利用学生知识结构，找准切入点，选择适合来自不同专业学生的研究方向，使他们既能获得全面系统的信息安全专业知识又能发挥他们所长，因材施教进行“二次教育”。具体来说，针对来自计算机、通信等工程类专业的学生，利用其在互联网技术、通信技术以及计算机软硬件等方面的知识储备优势，重点加强其在信息安全理论知识方面的教育培养，指导学生阅读学习密码学与安全协议相关理论知识的经典教材或经典论文，培养其信息安全理论学习兴趣。相应地，针对来自数学等理论性较强专业的学生，由于其已经具备了扎实的理论基础与理论学习方法，故应提高计算机、通信网和程序开发等方面的工程实践能力，弥补相应知识与能力的欠缺。

　　(二)与时俱进，有机结合系统工程知识与理论基础知识

　　对于信息对抗与网络系统安全等侧重于工程技术的研究方向，在打牢信息安全理论知识基础的同时，应加强工程实践教育，使教学工作融合于科研项目的研究开发过程中，让学生能够更加生动具体地理解专业知识并加以掌握。要不断总结经验，根据不断变化的本学科发展情况和学生的综合素质改进培养方案，根据最新的科研成果改进系统教材，做到研究生教育与项目科研与时俱进、研究方案与教学教材紧密结合、工程研发培训与信息安全理论教学跨学科并进，从而促使研究生培养水平不断提高。

　　(三)融会贯通，加强其他理工类专业信息安全“跨学科”教育

　　对于其他理工类专业，如自动控制类专业、物理类专业、化工类专业、航空航天类专业等涉及国家基础设施安全的专业学生来说，首先要加强其对信息理论知识重要性及理解程度，要求其重视本专业学科中信息安全问题的重要性;其次是在课程体系建设方面，适当增加信息安全在本专业应用方面的课程。例如在飞行器设计专业方面，要加强学生对于飞行器通信安全重要性的理解，掌握飞行器通信安全在飞行器设计中的方法与要求;在电力系统专业方面，要求学生在设计电力网络的同时，要能够充分考虑电力网的安全性。总而言之，要理工类各专业学生在扎实掌握本专业基础知识的同时，具备一种包含信息安全在内的“大局观”，融会贯通地掌握体系知识与体系设计能力，全面提升专业素质能力。

　　(四)丰富形式，利用多种手段加强信息安全专业与其他专业的“跨学科”交流

　　除正规课程之外，信息安全教育还可以通过其它形式多样的跨学科教育活动来进行。许多高校都开设有“计算机文化节”之类的课外教学活动，信息安全可以作为这些活动中的重要组成部分，比如举行信息安全知识竞赛，计算机渗透技术大比拼等。另外，小型报告会、问卷调查、技术讲座等都可以作为信息安全教育的方式。总之，通过形式多样的教育活动，使信息安全专业学生充分了解所学知识与技术的“用武之地”与“用武之法”;使其他理工类专业学生了解信息安全的重要性，掌握基本的信息安全技术，增强其专业知识体系的全面性及其大局观，为实现信息安全管理、解决信息安全问题奠定坚实的教学基础。

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