网上考试系统安全性的研究与实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 917.01KB 60 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 研究背景
随着网络技术和计算机技术的不断发展，以及随之而来的信息高速公路计划，
一轮新的革命正在全球范围内方兴未艾，其核心就是信息技术在各个领域的全面
渗透与广泛应用。计算机成为当代发展最为迅猛的科学技术，其应用已经深入到
人类社会活动和生活的各个方面，大大提高了社会生产力。随着网络技术的应用
越来越广泛，如何利用 Internet 和校园网开展远程教育正受到人们的普遍关注。
远程教育是一种现代教育模式，是指教与学双方在时空分离的情况下，利用
现代教育技术，保持教学双方的双向信息联系，自主的完成施教与学习活动的过
程[1，3]。利用 Internet 开展远程教育，是一种实现远程教育的具有发展前景的手段，
它可以实现不受时空限制的、交互的、图文并茂的网上教育，任何人只要有一台
联网的计算机，就可以通过网络进行学习和考试，不受时间或是地域的限制[2]。
随着信息技术的发展，教育信息化，也是必然的趋势。虽然教师面授这种传
统形式的学校教育，也许永远不会消失，但远程教育成为热门话题，并取得迅速
发展，是有特定的背景和深刻原因的。
首先，信息社会经济发展的一个重要特征就是社会财富的创造和积累对信息、
知识的依赖越来越高。在这样一个大背景下，一个劳动者，不仅在就业前需要接
受教育和培训，在就业后仍然需要不断地接受教育和培训，更新自己的知识，只
有这样才能满足就业的需要。
其次，社会的发展还使自我完善以追求更完美的物质和精神生活成为一种时
尚，这也促进了教育的终身化。很显然，传统的以面授为主的学校教育不再能满
足终身教育的需要了。终身教育需要第二种更开放的、更灵活的、更容易得到的
教育形式，远程教育的发展就成了必然。
第三，信息时代带来的“知识爆炸”现象要求提高教学质量和教学效率。据
联合国教科文组织的统计：人类近 30 年来所积累的科学知识， 占有史以来积累
的科学知识总量的 90%，而在此之前的几千年中所积累的科学知识只占 10%。英
国技术预测专家詹姆斯。马丁的测算结果也表明了同样的趋势：人类的知识在 19
世纪是每 50 年增加一倍，20 世纪初是每 10 年增加一倍，70 年代是每 5年增加一
倍，而近 10 年大约每 3年增加一倍。可见，知识总量在以爆炸式的速度急剧增长，
老知识很快过时，知识就像产品一样频繁更新换代。显然，随着信息社会中知识
爆炸式增长和迅速更新换代，按照传统的教学模式与落后的教学方法，许多知识
还没等到学生把它学会，可能就已经过时了。低效率的传统教育体制与教学模式
难以适应教育需求。远程教育具有比传统教育更高的效率，普及面大，可以使更
网上考试系统安全性的研究与实现
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多的人获得较高水准的教育和培训，这都是传统教育所不能满足的。
而作为远程教育的一个重要组成部分的网上考试，就不是偶然，而是时代发
展的一种必然趋势。教育的成果需要评价，教育评价是教育活动的一个重要组成
部分，它是以教育目标为依据，运用有效的评价技术和手段，对教育活动的过程
和结果进行测定、分析、比较，并给出价值判断的过程。考试是进行测评的重要
手段，笔试又是最为传统的一种考试方式，也就是将学生集中起来，在规定的时
间内进行测试。这种考试形式有着相当长的历史，有它一定的优势，所以至今仍
是一种主要的考试形式。但这种考试在科技高度发达的今天，就显得相对呆板，
缺乏灵活性，不方便实施。组织实施考试要经过如人工出卷、试卷印刷、试卷运
输、考试安排、考生考试、人工阅卷、成绩评估以及试卷分析等一系列繁琐的步
骤。随着考试类型的不断增加及考试要求的不断提高，教师的工作量将会越来越
大，对他们来说考试工作将变成一项低效率和高差错率的工作。可以说传统的考
试方式已经很难适应现代教育考试的需要。
而实现网上考试就需要一个健全的网上考试系统，因此，设计和实现安全而
功能齐全的网上考试系统势在必行。网上考试系统的建设有重要的意义：
第一，工作效率得以提高。考试系统将通过建成题库来实现考试的自动化，
网上考试系统中试卷的生成、客观题的批阅等工作都是由计算机自动完成。因此，
老师所要做的工作就是设计考试题目，进行试题库的维护工作，从而使老师从繁
重的考试组织工作解脱出来，大大提高了效率。
第二，经济效益得以提高。远程教育参加的学员没有地域限制，如果要求学员
从各地集中到一处进行考试，这样不但组织考试的学校需要承担巨大的经费负担，
同时也给学院带来了交通和住宿方面的额外开支。因此，开发网上考试系统将使
考试成本大大降低。
第三，教育体系得以发展和完善。正因为有了网络的教学和考试形式，使得更
多的人员参与到教育的行列来。这样使得高效的优质的教育资源可以为求学者提
供学习的机会和条件，为构建终身教育体系和学习型社会服务。
综上所述，以互联网技术为支撑的现代教育技术的应用变得越来越普及，通
过计算机网络组织和实施各种规模的实时考试已经成为现代考试的一种必然趋
势。网上考试系统不仅可以满足各种网络学院远程教学平台的需要，将来也一定
可以适用于更多的普通院校的需求。
§1.2 课题研究内容及其课题意义
目前现存的网上考试系统基本上都采用自动阅卷的形式，所以考试范围基本都
第一章 绪论
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定于客观题，而没有真正实现考察的目的。本论文从人工阅卷着手，主要是针对
其中的身份认证、试题保密和阅卷公正三个问题来展开研究。
1、为了实现人工阅卷，考生答题时的匿名性就非常重要，这样才能保证阅卷
的公正性，所以本系统利用群签名技术来实现匿名答题。即阅卷老师在阅卷过程
中，实现考生姓名的隐藏，但是在评分以后，又能够保证考生对自己所答试卷无
法抵赖。本论文中使用了 LC98 的群签名方案，考生参加考试了以后，由考试中心
给考生颁发一张数字证书，含有群私钥，考生答题交卷的时候，就用这个群私钥
进行签名，于是，阅卷老师阅卷时，只能判断该考生是否属于考生群，而无法判
断是哪个考生了，从而就达到了考生匿名的目的。
2、为了提高整个网上考试系统的安全性，增强系统的实用性，本系统抛弃了
一般考试系统中口令认证登陆的方式，改用基于公钥体制的认证及口令相结合的
登陆方式。本系统主要研究了 SSL 协议和数字证书相结合的双向认证方式，这样
既验证了考生、阅卷老师的身份，也消除了把敏感信息发送至伪造网站的潜在威
胁，保证考试的试题来自正确的服务器，考试的答案来自正确的考生，考试的成
绩来自正确的阅卷老师。
3、考虑到网上考试时试题信息的保密，防止试题的泄漏，本系统研究了自动
组卷的算法。自动组卷的效率与质量基本取决于抽题算法质量的优劣。为了满足
本系统生成的试卷能具有随机性、科学性、合理性，尤其在网络交互式环境下，
用户对组卷速度的要求较高，所以采用了遗传算法作为组卷算法。
4、在此基础上还进行了相应的部分代码实现，虽然离商品化还有一定的距离，
但基本上实现了理论向实践的转化。
本论文的研究内容属于目前社会上急切需要解决的热点问题，迎合了 16 大以
来大力发展信息化建设的需求，对现存的大量的网上考试系统进行了分析并改进，
具有深远的社会价值。作为运用了大量当前信息安全研究成果的解决方案，将为
以后其他安全应用，提供借鉴。本人在广泛查阅当前信息安全技术最新发展的基
础上，深入的了解数字证书技术、群签名技术等众多安全技术的主要研究成果，
并进行了有关的技术创新工作，实现了系统的匿名答卷，并提高了整个系统从身
份认证到答题这个过程的安全性，具有很强的理论意义和重大的实际意义；对自
动组卷的效率和质量的算法进行了讨论，实现了整份考卷的随机性和组卷的高效
性。本系统尽管离完全实现还有一定距离，但是对这些问题的探讨，对将来进一
步的工作起到了一定的推动作用。
希望通过本论文对于人工阅卷的设计和实现，能为将来的整个网上考试系统，
不仅仅是其中的答题阅卷过程，包括整个考试的过程的研究与设计能够起到一个
网上考试系统安全性的研究与实现
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抛砖引玉的作用。
§1.3 论文主要研究成果
本文主要成果包括以下几点：
1、首次在网上考试系统中研究人工阅卷引发的匿名答题的问题，并利用群签
名技术实现了考生的匿名答题，以保证在人工阅卷过程中的公正性。在考试前，
首先对合法考生的身份进行验证，阅卷老师阅卷时，实现对考生身份的隐藏，但
是在公布成绩之后，又能够保证考生对自己所答的试卷无法抵赖，从而满足人工
阅卷的公正性；
2、在网上考试系统中应用新的身份认证方式，引入加入随机数的双向认证方
式，在考生及阅卷老师登陆时，进行双向认证，既对考生及阅卷老师的身份进行
认证，同时对考试中心服务器进行认证，保证考试的安全性；
3、选择遗传算法作为自动组卷算法，对生成试卷的速度有一定的保证；并根
据组卷的特性对遗传算法的选择、交叉和变异算子作略微的改进，使组卷算法的
空间复杂度更小，这样更容易得到期望的适应度值，即得到更为随机、科学、合
理的试卷。利用自动组卷的功能，可以保证考试时试题的保密性，防止泄露。
4、分析了现有网上考试系统的现状和不足，提出一个具有人工阅卷功能的网
上考试系统。
§1.4 论文安排
论文第二章介绍了网上考试的概念，意义；对传统的考试以及网上考试系统的
工作流程进行了比较；对国内外存在的一些网上考试系统的现状从各个层面进行
深刻的分析，并对存在问题做出了总结。
在论文第三章中，针对人工阅卷问题进行研究，在对现存的系统的总结之上，
对目前存在的多种实现匿名的技术进行比较，并利用群签名技术真正实现匿名答
题。
第四章首先引入加入随机数的双向认证方式，实现在登陆过程中，防止冒名考
生以及消除伪造网站的潜在威胁，保证考试的试题来自正确的服务器，考试的答
案来自正确的考生，考试的成绩来自正确的阅卷老师。并利用遗传算法组卷，保
证试卷的及时性、随机性、科学性和合理性，防止试题在考前泄露，保证考试的
公正性。
论文最后一章，对具有人工阅卷功能的安全网上考试系统进行代码实现。
第二章 网上考试系统现状分析
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第二章 网上考试系统现状分析
§2.1 网上考试系统概述
为满足信息时代教育事业的发展，提高远程教育的普及，充分体现考试中的
“公平、公正”的原则，充分提高教育考试的工作效率，需开发建立一套电子化、
网络化的考试系统。
§2.1.1 网上考试的定义
所谓网上考试，是指不以时间、地点为限制，以电子数据形式记录和传递考
试结果和成绩的一种无纸化考试形式，考生通过网络答题，阅卷老师通过网络批
阅考卷并进行评分。
基于 Web 模式的网上考试以互联网为桥梁，通过访问服务器来完成网上考试
的各个功能。它以电子题库为依托，从出题、考试到判卷、统计，实现了数字化，
使得整个考试流程更加灵活、方便。任何用户均可对非保密信息进行查询。
§2.1.2 网上考试系统的需求及其意义
从我国目前院校教育考试的状况来看，一方面传统考试要求老师打印试卷、
安排考试、监考、收集试卷、批改试卷、讲评试卷和分析试卷，是一个较复杂烦
琐的过程，已经越来越不能适应现代教学的需求，需要一套科学的网上考试系统
来实现无纸化的“网络考场”；另一方面，由于现今各种各样的考试越来越多，学
员集中一处进行考试，考试成本也逐渐增大，使用网上考试系统，将大大节省成
本；再次，随着信息时代的推进，远程教育将越来越重要，实行考试电子化，可
以使远程教育在国内越来越普及，与国际接轨。
网上考试具有以下几点意义：
（1）具有快速和高效的优点。传统考试中，教师要准备一次考试，从搜索资料开
始，选考题、印制考卷、组织考试、批改分数、最后记录成绩，工作量十分繁重，
工作周期也从数周到数月不等。而网上考试可以大大提高工作效率，缩短考试周
期，使教师有更多的时间专注于自己的教学工作[4]。
（2）突破了地域和时间的限制。网上考试以互联网为桥梁，它可以充分利用网络
无限广阔的空间，不受时间与空间的限制，任何人都可以随时随地开始一场考试，
检验自己的知识和水平。当然在比较正式的考试中，还是需要进行严格的组织，
但比较传统的考试，其形式可以更加灵活多样[4]。
（3）试题抽取范围相对较大。网上考试只需要在老师在空闲时间维护试题库，考
试系统采用自动组卷的方式，试题抽取范围相对较大，可较全面的考察学生的实
网上考试系统安全性的研究与实现
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际水平，保证了考试的客观准确性。
（4）公平、公正原则能够得到充分体现。考试题目是开考时由计算机随机产生，
每个试卷都不一样，避免了考试作弊行为，考试公正合理。学生所答题目的客观
题部分，由考试系统自动判卷，防止了人工判卷时经常出现的错判、漏判和分数
计算等错误，以及人情分等问题，使考试过程规范化。
（5）满足实时性考试需求。由于网上考试没有时间和地点限制，时效性好，可以
为远程教育组织实施大规模异地实时考试，在教和学间达成互动，使教师可以及
时掌握学生的学习状况。
（6）网上考试可以实现资源共享，数据交换无须再用磁盘等实现而可以直接通过
网络进行，速度、容量和可靠性都有了很大的提高。
（7）节约大量考试成本。由于传统考试从准备到考试到查询成绩，不仅需要大量
人力，也需要大量的经济支持。特别是参加远程教育的学员，如果要集中到一处
进行考试，交通、住宿等额外开支将是一笔很大的成本。而采用网上考试，不但
可以节省这笔额外开支，还可以节省原本的考试成本。
网上考试还对远程教育的普及有很强的推动效应，网上考试的推行，使远程
教育更加方便，更加人性化，坐在家中读书已经不再是梦想，这样可以使更多的
愿意读书的人参与到教育行列来，优质的教育资源为求学者提供了学习的机会和
条件，这将对我国整个信息化教育事业的发展起到积极的推动作用。
§2.2 传统考试现状分析
最早的考试，应该是发生在中国，根据《学记》的记载，早在我国的西周时期，
就实行了教育考评。20 世纪初，从 1933 年开始到 1940 年止美国进行了为期 8年
的课程设置和成绩测试的改革实验，这就是所谓的“八年研究”。从 20 年代开始，
考试一直沿着从主观化到客观化的方向发展。但是，七十年代以后，教育评价的
人文化特点得到迅速发展，在评价中不只是单纯从评价者的需要出发，而是考虑
到所有参与人的需要，强调个体的经验、活动和主观认识的作用，不过分追求客
观性。
§2.2.1 传统考试流程
传统的考试过程共分为 7个步骤，如下图 2-1。
§2.2.2 传统考试现状
从整个考试的流程出发，我们对整个考试的过程做出总结，可以知道，随着
摘要：

第一章绪论-1-第一章绪论§1.1研究背景随着网络技术和计算机技术的不断发展，以及随之而来的信息高速公路计划，一轮新的革命正在全球范围内方兴未艾，其核心就是信息技术在各个领域的全面渗透与广泛应用。计算机成为当代发展最为迅猛的科学技术，其应用已经深入到人类社会活动和生活的各个方面，大大提高了社会生产力。随着网络技术的应用越来越广泛，如何利用Internet和校园网开展远程教育正受到人们的普遍关注。远程教育是一种现代教育模式，是指教与学双方在时空分离的情况下，利用现代教育技术，保持教学双方的双向信息联系，自主的完成施教与学习活动的过程[1，3]。利用Internet开展远程教育，是一种实现远程教育...

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