石川高専における情報ネットワーク・セキュリティ教育の実践と評価
長岡 健一，1) , 飯田 忠夫 2)1) 石川工業高等専門学校 電子情報工学科
2) 石川工業高等専門学校 技術教育支援センター
nagaoka@ishikawa-nct.ac.jp

Practice and Evaluation of Information Network and Security
Education at National Institute of Technology, Ishikawa College
Kenichi NAGAOKA1) , Tadao IIDA2)
1) Dept. of Electronics and Information Eng., National Institute of Technology, Ishikawa College.
2) The Technology and Education Support Center, National Institute of Technology, Ishikawa College.

概要
我が国では，情報通信ネットワークや情報セキュリティ分野における技術者は圧倒的に不足しており，これに対応できる高度人材を育成することが近年強く求められている．石川工業高等専門学校 電子情報工学科ではこのような課題に対応するため，より実践的なネットワーク工学およびセキュリティ演習を行っている．本報告では，我々が行ってきている教育実践事例について紹介する．また，学生評価アンケートからは肯定的な結果が得られ，一定の教育効果が得られていることなどについても述べる．と同様な内容で演習を実施した．

1 はじめに

以下，我々が実施している演習内容と，学生による近年我が国において，情報通信分野における基盤整評価アンケート結果について述べる．

備や情報セキュリティに関する重要性が顕著になって

2 実践教育いるが [1]，一方で，このような分野の技術者は絶対的に不足している．高等専門学校（高専）は実践的・創造

2.1

的技術者を養成することを目的とした高等教育機関で

2.1.1

ネットワーク工学演習
演習概要あり，この分野においてもより実践的な人材育成が求

本校電子情報工学科において，ネットワーク工学にめられ [2]，また産業界からも大きく期待されている．

関する教育は以前からも行われていたが，演習環境の石川高専（以下，本校）電子情報工学科においても制限から実践的な演習は限られたものとなっていた．

ネットワークやセキュリティに関する教育は座学を中

そこで，2018 年度より，CISCO Systems 社製ルー

心に以前から行われていたが [3][4]，より実践的な教育タ（881）を演習用として多台数導入し，より実践的を行うため，演習を通すことで技術や知識を深く習得なネットワーク工学実験を行える演習プログラムをさせる教育コンテンツを開発することとした．ネット

開発した．学生は，与えられた条件やセキュリティ課

ワーク工学演習では，実機ルータを演習用として多台題に従って，ルータをデフォルトの状態から VLAN数導入し，与えられた条件やセキュリティ課題に従っ（Virtual LAN）や ACL（Access Control List）を適切てルータを適切に設定することで LAN 環境を構築し，に設定することで LAN 環境を構築し，さらに構築したネットワークに関する理解を深められるようにしていLAN 上でさまざまな通信実験を行うことで TCP/IPる．また，セキュリティ教育では，クラッカーがよくやセキュリティに関する理解を深められることを目指用いるクラッキング手法を実際に実行することによっしている．また，2020 年度にはコロナ禍によって実て，これに対する防御技術を考察させる内容としてい機を使用した演習の実施が困難となったため，CISCOる．なお，2020 年度はコロナ禍により，前期期間はすSystem 社が提供するネットワークシミュレータであべての授業をオンラインで実施することとなった．そる「CISCO Packet Tracer」[5] を用いて実機を使用す

こで遠隔でも演習が行えるよう教材を改善し，対面時ることなく同等の演習を行えるように教材を追加し，321

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電子 情報 工 学 実 験Ⅳ

ネ ッ トワ ー ク 工学実験I長岡健一 さんがログイン中

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電子情報工学実験IV

CISCOルータの操作モード

目的原理

実験テキスト1macOS版 Packet Tracer

2

Windows版（64bit）

3

Packet Tracer

ネットワーク工学実験

LAN
MACアドレス

添付資料
添付資料

TCP/IP

IOSではモードという概念があり，主に以下の3つのモードを持っている．
ユーザモードIPアドレスIPアドレスの種類
VLAN
DHCP

ルータにログインした最初モード．pingなど基本的なコマンドだけが使用でき，ルータの設定や現在の設定情報も見ることができない．
プロンプト例

ホームゲートウェイ

Router>

ネットワークとサーバ
DNS

特権モード

ICMP

ルータの設定情報やルーティングテーブルの確認など詳細な情報を見ることができるが，設定は行えな

ACL

い．ユーザモードで「enable」あるいは「en」と入力することで特権モードに入ることができる．抜ける

ファイアウォール

ときは「exit」と入力する（ユーザモードになる）．

Packet Tracer
CISCOルータ設定

プロンプト例Router#モード
インターフェイスの状態

グローバルコンフィグレーションモード

その他
課題ルータの設定を行うことができる．特権モードで「conﬁg terminal」あるいは「conf t」と入力すること考察でグローバルコンフィグレーションモードに入ることができる．抜けるときは「exit」と入力する（特権モードになる）．
プロンプト例Router(conﬁg)#
特定コンフィグレーションモード
特定のインターフェイスやコントローラの設定を行うことができる．主にVLANやポートなどのインターフェイスの設定を行うのがインターフェイスコンフィグレーションモードである．

図2

プロンプト例

構築するネットワーク

Router(conﬁg-if)#

図1

ネットワーク工学実験指導書の一例

今年度まで 3 年間に渡って実践してきた．次節以降，具体的な演習内容とその実践例について，実機ルータを用いた演習，Packet Tracer を用いた演習に分けてそれぞれ述べる．

2.1.2 実機を用いた演習
電子情報工学科 4 年次「電子情報工学実験 IV」において，2018 年度，2019 年度に，テーマ「ネットワーク工学実験」として，5 コマ（1 コマ 90 分）で実施し図3た．学生は我々が作成した指導書に沿って実験を進める．なお，指導書は本校で使用している e-Learning システムで日本データパシフィック社の「WebClass」上で利用できるよう作成した．
まず 1 クラス 40 名を 2 名 1 組の 20 グループに分け，1 グループにつき 1 台ルータ CISCO 881 を配置し，図 2 のようなネットワークを構築させる．CISCO社製のルータ等ネットワーク機器は IOS と呼ばれる独特のインターフェイスを持つため，その基礎的な操作方法から習得できるように教材を作成した．ルータ内側に VLAN を設定し，上位ネットワークとは NAT 設定を行って疎通できるようにしている．また，PC 上に Linux（CentOS）をインストールし，基本的なネットワークサーバを 1 人 1 台構築する．
グループごとに構築したネットワーク環境を用いて以下の内容のネットワーク実験を行う．

実機ルータを用いて演習している様子

以上の課題をグループで実施し，得られた結果からネットワークにおける動作の考察を行い理解を深める内容としている．図 3 は演習を行っている様子である．

2.1.3

Packet Tracer を用いた演習

実機を用いた演習では基本的に学生 2 名で 1 台のルータを用いて作業を行うグループ演習形式となっていたが，前述したとおり，2020 年度はコロナ禍によりこのような演習を実施することは難しくなった．
また，この年度の前期のほとんどの期間（2020 年 4月から 8 月いっぱいまで）がオンライン授業を行うこととなったため，遠隔でも演習を可能とするよう，CISCO Packet Tracer[5] を用いて演習する内容とした．CISCO Packet Tracer とは，CISCO Systems 社が開発したネットワークシミュレーションソフトウェ• ICMP（ping, arp）

アである．ワークスペースと呼ばれるウィンドウ上に• DNS による名前解決ルータやネットワーク機器を配置し，また配置された• HTTP の設定と Web 動作確認

各機器に実機と同様なコンフィグレーション設定を• ACL（Access Control List）による VLAN 間の行うことで，実際のネットワークと同じ動作をシミュレーションできる．2020 年度以降はこの環境を用いセキュリティ設定と動作確認

322

教材

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続いて，以下のように，空きスロット（左側）に4ポートEthernetスイッチモジュールを挿入する．

してもらう演習である．
学生の評価

2.1.4

2022 年度演習を行った学生 40 名に対して学生評価アンケートを行った．従って本アンケート結果はPacket Tracer を用いて演習を行った学生に対するものである．なお，実機を用いて演習を行った学生へのアンケートについては文献 [7] にて報告を行っている．
アンケートは SD（Semantic Diﬀerential method）法により行い，主に教材の内容がネットワーク工学分野を学習することに適しているか，また教材を利用した

次に，以下のようにデバイスパレットの [End Devices]からPCとLaptopを選び，ワークスペースにドラッグする．

ことによる学生たちの理解度の変化などを調査していCiscoPacketTracer@
ALogical

る．具体的な質問項目を表 1 に，またアンケート結果

106-58:30

Physical×:792,y:420を図 5 に示す．
図 5 より，全体的に肯定的な意見が多数を占めてい1941
Routero

ることがわかる．ただし，質問項目 B「演習内容の理PCを選択して「。
ドラッグ

解のしやすさについて答えてください． 」では，「良Laptopを選択してドラッグ

Laptop-PT
Laptopoい」がその他の質問項目と比較して最も少なく，「悪EndDevicesを選択Realtime

Time:00:18:25

Printer 1PPiryo

VOIP•Simulation

い」「やや悪い」というネガティブな意見がやや多く

Generic Genereなっている．本学科では学生実験においてネットワー
ク工学，さらにはルータ設定などに類似した演習はこのテーマの他にはないため，いわゆる「とっつきにく
図 4 PacketTracer を用いて演習を行う指導書の一例て演習を行っている．図 4 に PacketTracer を用いて演習を行う指導書の一例を示す．

表1

ネットワーク工学実験に対するアンケートの質問項目

質問項目

内容

実機を使用した演習の際はルータの物理的な配置

A

WebClass の教材における文章の簡潔さについて答（ケーブルの接続や電源接続），また Linux サーバのBインストール等で演習時間の多くを使用していたが， ABCう程度となること，また遠隔実施においては，ある程D

D
EPacket Tracer ではソフトウェアのインストールを行C
E

度学生にも時間の余裕ができたこともあり，前節で説Fえてください．
表1
演習内容の理解のしやすさについて答えてくださ
やや悪い
やや良い
良いい．
0
613
教材の図や画像、レイアウトの見やすさについて答2
1018
えてください．
2011
演習課題の量について答えてください．
4618
教材内容の興味の持ちやすさについて答えてくださ
04
14い．
0
3
19
課題を行った後の理解度の変化について答えてくだ
さい．

悪い

F

明した実機を用いた演習内容に加えて以下の項目を追加した．

悪い• DNS サーバの構築と設定• DHCP サーバの構築と設定

やや悪い

やや良い

良いA

• Firewall を用いたパケットフィルタリング型の通B

信制限演習• ホームゲートウェイ，WiFi ルータの設置と設定

C（オプション演習）D

2021 年度，2022 年度は対面にて演習を行ったが，2019 年度と比較して 1 コマ演習時間を増やし，全体で6 コマとしたため，上記項目を追加してもほぼ同様のペースで演習を行うことができている．なお，「ホームゲートウェイ，WiFi ルータの設置と設定」はオプ

EF0%25%50%75%100%ション演習としたが，これは，余力のある学生に実施
図5323

ネットワーク工学実験学生評価アンケート結果

211027122218

さ」がこのような回答に現れたのではないかと思われる．一方で，質問項目 F「課題を行った後の理解度の変化について答えてください．
」ではほとんどが肯定的な意見を占めており，理解しにくい分野ではあるが，演習を通して習得度は向上したと考えられる．
その他自由記述回答のうち，肯定的なものと否定的な主なものの一部をそれぞれ以下に挙げる（すべて原文のまま）．

• 肯定的– 構築できた時、とても楽しく達成感がありました！

– 普段何気に使っているネットワークの知識が少しついた気がします。

– 面白いテーマで楽しめました• 否定的– 図の文字が小さくて画質が良くないので目が痛くなりました– ACL の設定が大変でした。
他にもこれら自由記述において「楽しい」という評価が多く見受けられた．ルータ設定や VLAN の概念など，一見学生には受け入れられにくい実験と当初思わ

図6

クラッキング手法演習の教材一例れたが，我々の予想に反して概ねポジティブに評価さに有害なスクリプトを書き込んでみよ」というテーマれたといえる．

に従い，現状のクラッキング技術を演習しながら，セ2.2

情報セキュリティ実験

キュリティ対策技術について学ぶ内容としている．社

本校電子情報工学科 5 年生「電子情報工学実験 V」
において，テーマ名「情報セキュリティ」を 6 コマで会でしばしば問題となる以下の情報セキュリティに関する攻撃手法や対策技術を演習に含めた．

実施した．内容は次の 3 部構成としている．次節以降• ポートスキャンそれぞれについて述べる．

• ブルートフォース攻撃によるパスワード解析
1. クラッキング手法の演習• SQL インジェクション

2. CISCO ネットアカデミーの受講• クロスサイトスクリプティング

3. CTF の基礎チャレンジ• 公開鍵暗号技術

2.2.1 クラッキング手法の演習

本教材では，仮想基盤と脆弱性 Web アプリケーショ

従来のセキュリティ教育では，セキュリティ対策技ンを利用した演習環境を構築した．脆弱性のあるシス術を座学で行っているものが多い．現代社会では様々テムを利用するには，ある程度閉じた（アクセス制限な手法でセキュリティ攻撃が行われており，これに対を用いた）ネットワーク環境で，またシステムの初期応できる人材の育成が必要である．そこで，脆弱なシ化が容易な仮想サーバを用いるのが適切と考えていステムに対するセキュリティ攻撃を実際に行うことにる．そこで Microsoft Azure を用い，脆弱性のある仮より，その攻撃手法および対策技術を習得できること

想マシンに 40 名程度の学生が攻撃を行うようなシスを目標とした．

テムとしている．そして，演習を行う脆弱システムと

図 6 に示すような WebClass 上の教材を参照しながして DVWA（Damn Vulnerable Web Application）

ら「ネットワーク上の脆弱なサーバとユーザを見つけ，を用いた．これは次のような脆弱性を含む Web アプ

その SQL データベースから，すべてのユーザの氏名リケーションである．Linux 上の PHP/MySQL を利を盗みだし，さらにサーバ上に設置されている掲示板用して動作する．

324

演習手順

対応するセキュリティ攻撃・技術

SQLデータベースがあるサーバを見つけ出す

ポートスキャン攻撃

サブネット内の攻撃サーバIPアドレス内にある脆弱なユーザアカウントを見つけてサーバにログインする（総当たり攻撃によりユーザIDとパスワードを解析する）．

ブルートフォース

そのサーバのホスト名（FQDN）を知る．
インターネット経由でデータベースサーバにWebでアクセスする．（データベースにログインするためのユーザIDが書かれた暗号化されたファイルを解読する）

SQLインジェクションの脆弱性があれば，そこからデータベース内のユーザを盗み出す．

図7

シーザ・RSA暗号

図8
SQLインジェクション

「Introduction to Cybersecurity」のコース

インデックスの一例

た．本コースは以下の 5 章構成となっており，より社

クラッキング手法演習の流れ

会で求められる実践的なセキュリティの知識を習得することができる．

• Brute Force• Command Execution

1. サイバーセキュリティの必要性• Cross Site Request Forgery (CSRF)

2. 攻撃，概念，技術• Insecure CAPTCHA

3. データとプライバシーの保護• File Inclusion

4. 組織の保護• SQL Injection

5. あなたの将来とサイバーセキュリティ• Insecure File Upload

図 8 にコースインデックスの一例を示す．また同• Cross Site Scripting (XSS)

コースで準備されている最終試験によって総合的な理• Easter eggs
図 7 に 演 習 の 大 ま か な 流 れ を 示 す ．Microsoft

Azure 上にある踏み台となるサーバにインターネッ
ト経由でログインし，同一サブネット内に接続されている IP アドレスとインターネット側のホスト名（FQDN）が未知の SQL データベースを持ったサーバに対してクラッキングを進める．それぞれの攻撃手
法は，ヒントとともに，WebClass 上の教材で示している．また，実際にこれらの攻撃を行うと不正アクセス禁止法で処罰の対象となることについても説明している．

解度の確認を行う．2022 年度の学生の最終試験成績の平均得点率は 81.46（%）であった．

2.2.3

CTF の基礎チャレンジ

CTF（Capture The Flag）は，情報セキュリティについて与えられた課題に対し，ネットワークやセキュリティに関して自らが持つ技術や知識を用いてその答え（Flag）を見つけ出す競技で，近年セキュリティのイベントにおいてコンテストとして多く行われている．高専でもこのようなコンテストに興味を持ち参加する学生が増加しており，CTF にチャレンジするきっかけを与えることを目的として，基本的な CTF 問題

2.2.2 CISCO ネットアカデミーの受講
CISCO ネットアカデミー [6] の「Introduction toCybersecurity」を自習形式で受講させる．CISCO ネットアカデミーとは，世界中の機関や個人を対象とした IT スキルとキャリア構築プログラムであり，ネットワークやセキュリティなどに関する幅広い学習教材を e-Learning で学べるシステムである．筆者
は CISCO ネットアカデミーのインストラクタ認定を受けているため，コンテンツのコース開設や学生への展開が可能となっている．そのうち，セキュリティに関する内容においてもっとも基本的なコースである「Introduction to Cybersecurity」を教材として用い325を解く課題を設定した．図 9 に本演習の CTF 課題例を示す．一つ目は写真の Exif（EXchangeable ImageFile Format）データを解読して撮影された場所を探し出すものである．その他 2 つは与えられたファイルからさまざまな特徴を抽出して Flag を見つけるもので，

CTF コンテストで出題された例 [8] を出題している．
2.2.4

学生の評価

定量的な評価は今のところ行っていないが，以下のような学生からの感想が得られている．

• 暗号がどのようなメカニズムで用いられているかが知れてよかった。

うな工夫を行えばさらに教育効果の向上を達成することができるかなどを明らかにしていく予定である．

参考文献[1] 総務省， ICT 人材の不足・偏在 ，令和 3 年度情報通信白書，2021．

[2] 経済産業省 商務情報政策局情報処理振興課， IT人材育成の状況等について ．

[3] 長岡健一，喜多啓介， ネットワークシミュレーションのためのウェブインターフェースの開発

図 9 CTF の基礎チャレンジの課題例と評価 ，電子情報通信学会総合大会講演論文集，

D-6-12，2013．
• 実際にクラッキングしてみて、セキュリティの大切さを感じることが出来た。

[4] Kenichi NAGAOKA,Development and Eval-uation of the Web Interface of NS2 for Network• セキュリティの脆弱性に対する攻撃を一連の流れを通して体験できたことで、攻撃の脅威を知るとともに, 自分の使っているアカウントや端末のセキュリティについて考える良い機会となった.

Engineering Education ，International Symposium on Advances in Technology Education，26，p.132，2014．
[5] CISCO Systems， Cisco Packet Tracer ，• 本実験で RSA の暗号化、復号化のプログラムを作成したことで RSA の手続きがわかった。

• CISCO Networking Academy の実施により，より 現実的な脆弱性に対する対策について学ぶこともできた.

• CTF はゲーム感覚で FLAG を探すことができ非常に楽しかった。もし CTF の コンテストについて機会があれば参加したいと思った。

https://www.netacad.com/ja/courses/
packet-tracer[6] シスコシステムズ， シスコネットワーキングア
カデミー ，https://www.cisco.com/c/m/ja_jp/netacad.html[7] 長岡健一，飯田忠夫， 実践的ネットワーク工学
教育 ，全国高専フォーラム 2019，2019．

[8] 清水祐太郎，竹迫良範，新穂隼人， セキュリティ• CTF の問題は脱出ゲ ームを連想させる面白い問題だった.

コンテストのための CTF 問題集 ，マイナビ出版，2017．

今後，第 2.1 節の「ネットワーク工学演習」で行った[9] 長岡健一， 仮想基盤を用いた情報セキュリティ手法を用いて教材や演習内容について定量的評価を行

教育 ，平成 28 年度全国高専フォーラム，2016．

い，教育効果や改善点等を明らかにする必要がある．

3 まとめ
石川高専電子情報工学科において実施している，ネットワーク工学および情報セキュリティに関する実践的演習について報告した．また，学生による評価アンケートを行ったところ，概ね肯定的な結果が得られ，一定の教育効果をあげられていると考えられる．
一方，ネットワーク工学に関する演習では，ルータの設定等については「とっつきにくい」内容であることが学生の評価からわかった．演習後に理解度が向上してはいるものの，より学生が取り組みやすい演習内容に改善していく必要がある．また，情報セキュリティ演習では，自由記述より学生の肯定的評価が多く得られた．今後はより詳細に評価を行い，具体的にどのよ

326