基于积木式编程的网络安全训练环境构建方法

《Computers & Security》：A block programming approach for cybersecurity training environment construction

　　

本研究提出了一种将积木式编程（block-based programming）应用于网络安全训练环境构建的新方法。该方法旨在解决现有构建方式中“易用性”与“配置过程的主动参与”之间的矛盾。研究人员设计并实现了一个概念验证（Proof of Concept，PoC）系统，该系统通过拖拽式操作定义网络、虚拟机（Virtual Machines，VMs）和安全组，无需命令行界面（Command-Line Interface，CLI）或基础设施即代码（Infrastructure as Code，IaC）知识。系统利用积木的形状约束和实时验证机制，辅助识别和修正配置错误。初步实验（N=10）结果表明，与Horizon图形界面和CLI相比，该方法显著缩短了构建时间，其系统可用性量表（System Usability Scale，SUS）得分为84.5分，表明具有良好的可用性。

研究背景与现存问题

随着全球网络威胁持续升级，根据Check Point Research（2025）报告，2025年第一季度全球组织每周平均遭受1925次网络攻击，较2024年同期增长47%。与此同时，全球网络安全劳动力缺口在2024年达到476万，67%的组织因缺乏专业技能而面临更高风险。在此背景下，网络安全演习成为培养安全专业人员的重要手段。然而，现有的训练环境构建方法面临一个关键权衡：一方面，预构建环境分发虽然启动迅速，但隐藏了配置细节，使受训者无法理解“构建了什么”；另一方面，通过CLI或IaC进行构建虽允许显式配置操作，但其语法学习和错误解释成本对于初学者而言过高，难以在有限的课堂时间内掌握。此外，基于表单的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）虽然介于两者之间，但由于配置分散在多个屏幕，整体架构的理解和错误定位仍然困难。因此，研究人员的目标是提出一种既能降低构建工作量，又能确保受训者在配置过程中保持主动参与的构建方法。

研究内容与结论

研究人员针对上述问题，提出了将积木式编程应用于网络安全训练环境构建的方法。通过设计包含简化积木和标准积木的两层积木体系，系统支持不同熟练程度的用户。标准积木允许受训者单独定义每个元素的详细参数，而简化积木则将特定练习场景所需的多个标准积木聚合封装为一个整体。实验结果表明，该方法在构建时间和可用性方面均优于现有工具（CLI和Horizon），初步验证了其有效性。这一研究的意义在于，它为在自带设备（Bring Your Own Device，BYOD）环境下进行的网络安全教育提供了一种新的、低门槛的解决方案，使受训者能够在不依赖专用服务器或持续网络连接的情况下，自主构建和修改训练环境，从而更深入地理解网络安全配置原理。

关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：首先，基于Google的Blockly库开发了Web前端，实现了积木式可视化编程界面；其次，设计了一个代码生成引擎，将积木结构转换为基于OpenStack软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）的Python脚本；第三，构建了一个基于Flask的OpenStack操作模块，负责执行生成的代码并调用OpenStack应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）；最后，采用OpenStack作为虚拟化平台，利用libvirt/内核虚拟机（Kernel-based Virtual Machine，KVM）驱动和开放虚拟交换机（Open vSwitch，OVS）实现内存空间隔离和外部网络逻辑隔离。

研究结果

5.1 定位与范围：研究从三个方面对系统进行评估，分别对应需求2（短时间内完成环境构建）、需求4（易于处理构建错误）和需求5（在受训者设备上的可行性）。

5.2 用户实验验证构建时间与可用性：研究人员招募了10名电气与信息工程领域的本科生和研究生，采用被试内设计，通过拉丁方平衡顺序效应。参与者需使用三种界面（所提出的方法、Horizon、CLI）构建WordPress漏洞场景的训练环境。结果显示，所提出的方法在构建时间上显著快于Horizon和CLI，其SUS得分达到84.5分，表明具有良好的可用性。

5.3 错误处理机制评估：系统集成了多种错误处理机制，包括输入验证（如无效CIDR表示法）、依赖管理（如变量名重复、未定义引用）和环境信息验证（如内存不足）。这些机制通过积木形状约束和实时验证在构建阶段预防错误，并在执行阶段通过自动回滚和错误定位功能辅助纠错。

5.4 资源使用可行性验证：研究在配备Intel Core i9-12900HK处理器、32GB内存和1TB固态硬盘（Solid State Drive，SSD）的机器上运行Ubuntu 24.04.2 LTS操作系统和OpenStack Caracal版本，验证了系统能够在典型的消费级笔记本电脑上正常运行，满足了需求5的要求。

讨论与结论

本研究提出的积木式编程方法成功解决了网络安全训练环境构建中“易用性”与“主动参与”之间的权衡。通过将OpenStack API操作抽象为可视化积木，系统不仅降低了技术门槛，还通过形状约束和实时验证机制确保了配置的正确性。初步实验证实了该方法在减少构建时间和提高可用性方面的优势。研究结论指出，该概念验证系统为在BYOD等受限环境中开展网络安全教育提供了可行方案，使受训者能够自主地、迭代地构建和调整训练环境。然而，研究也承认其局限性，包括样本量较小（N=10），且评估聚焦于构建工作量和可用性，教育有效性的验证留待未来工作。