网络考试系统中防止U盘作弊方法研究

无纸化考试系统的模式通常有单机版模式、C/S模式和B/S模式三种，无认哪种模式均要有客户端，而考生必须在客户端上完成其考试内容。目前USB存储设备特别是U盘的存储容量大、存取速度快、体积小、价格低廉，普及程度也越来越高，在考试中使用U盘作弊现象时有发生。由于考生在考试过程中使用U盘的隐蔽性极高，监考老师很难发现。目前大多数考试系统的客户端并没有对USB端口进行管理的功能。“网络考试客户端USB端口监视系统”（后文简称系统）就是实现在考试过程对考试客户端的USB端口进行全程监视，一旦客户端有USB设备接入，系统即刻锁屏、封锁键盘，发出使用USB设备的提示警告。本系统经过我校进行的“试点高校网络教育部分基础课程统一考试”多次使用实验表明，该系统在考试过程中能有效地监控USB端口，杜绝了考生使用U盘的现象，从而保证考试的公正、公平和权威性。
1 系统功能要求
    (1)系统要能识别从计算机任何一个USB端口接入的移动存储设备，如U盘等设备。对于非存储类的USB设备，如：USB接口的打印机、扫描仪等，不能误判作移动存储设备。
    (2)锁屏。一旦有U盘接入，系统能立即响应，并做出相应的处理。用一个无标题、无边框、无关闭按钮、最大化显示的窗体覆盖在所有窗体和任务栏的前面实现锁屏。
　(3)封锁键盘。封锁键盘就是使用户键盘上的键失效,尤其是一些特殊功能组合键,如：Ctrl-Alt-Delete、Alt-Tab、Alt-Esc、Alt-F4、Windows-Key。
　(4)关闭任务栏和开始菜单。
　(5)封锁状态解锁。系统有提供给系统管理员或监考人员解锁的功能，解锁时要输入特定的解锁密码。
　(6)解锁密码管理功能。系统提供由系统管理员使用的密码维护、修改、重置和忘记密码的处理功能。
2 系统总体设计
2.1 系统组成
　系统主要由USB端口监视系统和密码维护系统两部分组成。其组成结构如图1所示。

2.2 USB端口实时监视系统组成结构
    USB端口实时监视系统由核心模块、USB端口监视模块、屏幕、键盘加锁模块、键盘解锁模块、记录/读取系统USB使用状态模块、密码解锁处理模块和重启处理模块组成。其组织结构如图2所示。

2.3 密码维护系统组成结构
    密码维护系统由密码修改和使用初始密码两部分组成。如图3所示。

    密码修改提供给管理员修改维护解锁密码。遗忘解锁密码时，先使用初始密码功能将解锁密码设置为初始密码，然后再修改成指定密码。
    该系统为一个相对独立的子系统，由系统管理员掌管使用。
3 USB端口监视系统设计
    为了不和考试系统争抢资源，系统被设计成后台运行方式，以中断方式获取机器USB端口状态变化。采用进程保护技术进行系统自我保护，使系统在运行时不被考生强行终止，提高了系统的安全性。当考生在考试过程中插入U盘时，系统自动弹出锁屏窗体，并在窗体中显示考生已使用U盘的提示信息。锁住键盘，记录U盘的状态信息，即使考生拨掉U盘，系统自锁也不撤消。若考生用RESET开关强行重启机器或强行关机后再开机，当Windows系统启动完成后，系统仍然处于自锁状态。只有当监考老师用解锁命令和解锁密码解锁后，系统才恢复到正常状态。
3.1 USB端口监视模块设计
    USB端口监视模块是系统的核心模块之一，也是系统的重要模块。设计流程如图4所示。

    系统运行后，模块即进入工作状态，为了尽量少占用系统资源，模块以中断方式获取机器USB端口状态变化，一旦发现端口接入USB移动存储设备随即进行处理。
    当发现端口有USB设备接入后，随即读取此设备的设备类型特征码。根据其设备类型特征码判断此设备是否是USB移动存储设备。如果是移动存储设备，则调用其后续模块。否则，不做处理。
3.2 锁屏设计
    锁屏模块是使系统呈现在考生面前的模块。设计流程如图5所示。

    模块被调用后，首先隐藏任务栏，关闭开始菜单，然后以白色、无边框、无标题栏、无关窗体控制按钮的窗体形式显示在所有窗体的最前面,遮盖住Windows的任务栏,并在窗体中央显示“正在使用USB设备... 系统自锁。请与监考老师联系”字样，提示考生由于插入了U盘从而系统自锁了。
3.3 锁键盘设计
    锁键盘模块的执行结果呈现在考生面前的是键盘处于失效。本模块被调用后，将封锁键盘上的所有字母键、功能键和组合键，唯一开放的键是F12键，是输入解锁密码的入口键。
    其功能是：
    (1)封锁键盘上的所有单键，只留F12键。
　 (2)封锁Ctrl-Alt-Delete组合键，禁止打开Windows任务管理器。
　 (3)封锁Windows-Key(微软键)，禁止打开开始菜单。
　 (4)封锁Alt-F4组合键，禁止用此键关闭本程序。
　 (5)封锁Alt-Tab、Alt-Esc组合键，禁止切换任务窗体。
　 在封锁键盘模块设计中使用到了钩子(Hook)技术。系统使用键盘钩子截获键盘消息，在钩子函数中判断键盘消息中的键是否需要屏蔽键，如果需要屏蔽键，则不将此消息发送到窗体，从而达到屏蔽键盘的目的。由于系统需要屏蔽的键中有Windows-Key，而使用普通的键盘钩子不能捕捉到Windows-Key键。所以系统使用了底层键盘钩子，即全局键盘钩子。
　 安装键盘钩子：
　 [DllImport("user32", EntryPoint = "SetWindowsHookExA", CharSet = CharSet.Ansi, SetLastError = true, ExactSpelling = true)]
　　public static extern int SetWindowsHookEx(int idHook,   // 钩子的类型，即其处理的消息类型。
　　GlobalKeyboardProcDelegate lpfn, // 如果dwThreadId参数为0 或是一个由别的进程创建的线程的标识，lpfn必须指向DLL中的钩子子程。
　　int hMod, // 应用程序实例的句柄。标识包含lpfn所指的子程的DLL。
　　int dwThreadId);
　    其中：GlobalKeyboardProcDelegate是处理键盘钩子截获的键盘消息的代理函数。设计如下：
    public int GlobalKeyboardProc(int nCode, int wParam, ref KBDLLHOOKSTRUCT lParam)
    {
        bool keyEven = false;
             switch (wParam)
             {
             case WM_KEYDOWN:
             case WM_KEYUP:
             case WM_SYSKEYDOWN:
             case WM_SYSKEYUP:
             keyEven = (((lParam.vkCode == 0x09) && (lParam.
        flags == 0x20)) |  // Alt+Tab
             ((lParam.vkCode == 0x1B) && (lParam.flags ==
            0x20)) |  // Alt+Esc
             ((lParam.vkCode == 0x1B) && (lParam.flags ==
            0x00)) |  // Ctrl+Esc
             ((lParam.vkCode == 0x5B) && (lParam.flags ==
            0x01)) |  // Left Windows Key
             ((lParam.vkCode == 0x5C) && (lParam.flags ==
            0x01)) |  // Right Windows Key
             ((lParam.vkCode == 0x73) && (lParam.flags ==
            0x20)) |  // Alt+F4
                 );
             break;
         }
         if (keyEven == true)
         {
             return 1;
         }
         else
         {
         return CallNextHookEx(0, nCode, wParam, ref lParam);
         }
　    }
　    卸载键盘钩子：
　    [DllImport("user32", EntryPoint = "UnhookWindowsHookEx", CharSet = CharSet.Ansi, SetLastError = true, ExactSpelling = true)]
　　public static extern int UnhookWindowsHookEx(int hHook);
　    转到下一个钩子：
    [DllImport("user32",EntryPoint="CallNextHookEx", CharSet=
CharSet.Ansi, SetLastError=true,ExactSpelling= true)]
    public static extern int CallNextHookEx(int hHook, int nCode, int wParam, ref KBDLLHOOKSTRUCT lParam);
4 系统自身保护及运行
    由于考生在考试过程中的作弊现象时有发生，因此监考和作弊考生是一对不可避免的矛盾，相互存在着一
定斗智斗勇现象。系统在一定程度上也充当了监考的角色，因此它就需要具有一定的自身保护能力，而不被考生终止运行。系统采用如下几种保护：
    (1)用户终止保护
　 系统被设计成一个后台运行系统，运行后不显示任何窗体，只在系统的托盘中显示一个图标，而且不提供右击弹出菜单和双击显示主程序窗体的功能。从而使考生不能直接终止本程序，实现终止保护。
　 (2)进程保护
　 采用了进程保护技术，使得在Windows的任务管理器中无法终止本进程。防止考生在使用U盘前先终止本进程。
    (3)卸载保护
　 系统在第一次运行时会自动在添加/删除程序列表中找到自己的列表项，并将其隐藏起来，这样本系统就无法从Windows中卸载。
    系统目前已经运行在本校进行的“试点高校网络教育部分基础课程统一考试”的客户端上，取得了良好的效果。该系统不但能运行在网络考试客户端上，也可以运行于各种无纸化考试系统的客户端上。系统目前还有一些不足之处需要改进，如目前只是单机版，过程状态数据没有记录，不利于监考老师的集中管理，还有待于升级成网络版。
参考文献
[1] 李英伟.USB2.0原理与工程开发(第2版)[M].北京:国防工业出版社，2007
[2] 陈启美，丁传锁.计算机USB接口技术[M]. 南京:南京大学出版社，2003.
[3] 薛园园. USB应用开发技术大全[M].北京: 人民邮电出版社，2007.
[4] 肖踞雄，翁铁成. USB技术及应用设计[M].北京:清华大学出版社，2003.