115 年 國立中山大學資訊工程學系資訊安全碩士班《作業系統》

第 1 題：作業系統

（1）RAID

核心觀念

RAID（Redundant Array of Independent Disks，獨立磁碟冗餘陣列）是將多顆實體磁碟組合成一個邏輯儲存單元，利用下列技術提升效能、可靠性或可用性：

1. 條帶化（striping）：將資料切成區塊，分散至多顆磁碟，提升平行讀寫效能。
2. 鏡像（mirroring）：將相同資料複製至不同磁碟。
3. 同位檢查（parity）：利用計算結果，在磁碟失效時重建遺失資料。

同位檢查常使用 XOR：

$$P=D_0\oplus D_1\oplus \cdots \oplus D_{n-1}$$

其中 $P$ 為同位資料。已知其他資料與 $P$ 時，可求出遺失資料：

$$D_i=P\oplus D_0\oplus \cdots \oplus D_{i-1}\oplus D_{i+1}\oplus \cdots \oplus D_{n-1}$$

RAID 提供磁碟失效時的持續服務能力，但不能取代備份；檔案誤刪、病毒感染會同步影響鏡像及同位資料。

解題方法與各層級

判斷 RAID 層級時，掌握三個比較軸：

• 資料切割粒度：位元、位元組、區塊。
• 備援方式：無備援、鏡像、同位檢查。
• 同位資料位置：集中式、分散式。

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RAID 0：條帶化

**基本想法：**只做條帶化，不提供任何備援。

             磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   磁碟 3
條帶 0         D0       D1       D2       D3
條帶 1         D4       D5       D6       D7
條帶 2         D8       D9       D10      D11

資料被切成 $D_0,D_1,\ldots$ 後，分散到多顆磁碟。連續讀寫可由多顆磁碟平行完成，因此效能高。

若有 $N$ 顆容量為 $C$ 的磁碟：

$$\text{可用容量}=NC$$

RAID 0 沒有冗餘資料，因此任一磁碟失效都會造成部分資料遺失，整個陣列通常無法使用。最低需要兩顆磁碟。

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RAID 1：鏡像

**基本想法：**每一份資料同時寫入兩顆磁碟。

             磁碟 0       磁碟 1
條帶 0         D0           D0
條帶 1         D1           D1
條帶 2         D2           D2
              └──── 相同資料 ────┘

寫入時建立兩份完全相同的資料；讀取時可從任一份鏡像取得資料，也能將讀取工作分散至不同磁碟。

若有 $N$ 顆磁碟，且採二路鏡像：

$$\text{可用容量}=\frac{N}{2}C$$

RAID 1 可容忍每一個鏡像組失效一顆磁碟。兩顆磁碟的 RAID 1 可容忍一顆失效；若不同鏡像組各失效一顆，陣列仍可運作。

優點是復原簡單、讀取可靠；缺點是可用容量只有原始容量的一半，寫入必須維持兩份資料一致。

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RAID 2：位元級條帶化與漢明碼

**基本想法：**以位元為單位分散資料，並使用漢明碼（Hamming code）磁碟保存錯誤修正資訊。

                         資料位元       漢明碼位元
                         b1 b2 b3 b4    h1 h2 h4
                           │  │  │  │      │  │  │
             磁碟 0 ───────b1
             磁碟 1 ───────────b2
             磁碟 2 ───────────────b3
             磁碟 3 ──────────────────b4
             校驗碟 1 ─────────────────────h1
             校驗碟 2 ─────────────────────────h2
             校驗碟 4 ─────────────────────────────h4

對每個資料字組計算漢明碼。若資料碟出現位元錯誤，讀取時可利用症候值（syndrome）定位錯誤位元並修正。

若資料位元數為 $m$，校驗位元數為 $r$，通常需滿足：

$$2^r\geq m+r+1$$

RAID 2 可容忍單一磁碟失效，並具備錯誤偵測與修正能力。不過現代磁碟本身已內建錯誤修正碼，RAID 2 需要大量校驗磁碟，且所有磁碟必須同步運作，因此實務上幾乎不使用。

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RAID 3：位元組級條帶化與專用同位碟

**基本想法：**以位元組為單位分散資料，使用一顆專用磁碟儲存同位資料。

             磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   同位碟
條帶 0         B0       B1       B2       P0
條帶 1         B3       B4       B5       P1
條帶 2         B6       B7       B8       P2

每個條帶的同位資料為：

$$P_i=B_{i,0}\oplus B_{i,1}\oplus \cdots \oplus B_{i,n-1}$$

RAID 3 的所有磁碟通常同步讀寫，適合大型連續資料傳輸。失效一顆磁碟時，可利用 XOR 重建遺失內容。

若有 $N$ 顆磁碟：

$$\text{可用容量}=(N-1)C$$

缺點是同位碟集中處理所有同位資料，形成寫入瓶頸；小型獨立請求也常需要所有磁碟共同參與。

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RAID 4：區塊級條帶化與專用同位碟

**基本想法：**以區塊為單位分散資料，同位資料集中於一顆專用磁碟。

             磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   同位碟
條帶 0         D0       D1       D2       P0
條帶 1         D3       D4       D5       P1
條帶 2         D6       D7       D8       P2

RAID 4 與 RAID 3 的主要差異在於：

• RAID 3：位元組級條帶化。
• RAID 4：區塊級條帶化。

區塊級條帶化可讓不同磁碟處理不同的獨立請求，因此隨機讀取效能比 RAID 3 更好。

小型寫入需更新同位資料，常使用：

$$P_{\text{new}} = P_{\text{old}}\oplus D_{\text{old}}\oplus D_{\text{new}}$$

RAID 4 同樣可容忍一顆磁碟失效，容量為 $(N-1)C$。主要缺點是所有寫入都集中更新同一顆同位碟，容易形成瓶頸。

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RAID 5：區塊級條帶化與分散式同位資料

**基本想法：**以區塊為單位條帶化，同位資料輪流分散至不同磁碟。

             磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   磁碟 3
條帶 0         D0       D1       D2       P0
條帶 1         D3       D4       P1       D5
條帶 2         D6       P2       D7       D8
條帶 3         P3       D9       D10      D11

同位資料不再固定位於單一磁碟，因此可消除 RAID 4 的專用同位碟瓶頸。

RAID 5：

• 可容忍一顆磁碟失效。
• 可用容量為 $(N-1)C$。
• 讀取效能良好。
• 小型寫入仍需讀取舊資料、讀取舊同位值、計算新同位值，再寫回，具有寫入懲罰。
• 重建期間若再失效一顆磁碟，陣列會發生資料遺失。

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RAID 6：雙重分散式同位資料

**基本想法：**與 RAID 5 類似，但每一個條帶保存兩份獨立同位資料 $P$ 與 $Q$。

             磁碟 0   磁碟 1   磁碟 2   磁碟 3   磁碟 4
條帶 0         D0       D1       D2       P0       Q0
條帶 1         D3       D4       P1       Q1       D5
條帶 2         D6       P2       Q2       D7       D8
條帶 3         P3       Q3       D9       D10      D11

第一份同位資料通常為 XOR：

$$P=D_0\oplus D_1\oplus \cdots \oplus D_k$$

第二份同位資料 $Q$ 使用 Reed–Solomon 等有限域編碼：

$$Q=a_0D_0+a_1D_1+\cdots+a_kD_k$$

由於有兩組獨立方程式，RAID 6 可在同時失效兩顆磁碟時重建資料。

若有 $N$ 顆磁碟：

$$\text{可用容量}=(N-2)C$$

RAID 6 的可靠性高於 RAID 5，但同位計算、寫入成本及重建時間也較高，最低需要四顆磁碟。

RAID 層級比較

層級	條帶粒度	備援方式	可用容量	可容忍失效	主要特性
RAID 0	區塊	無	$NC$	0 顆	效能高、沒有容錯
RAID 1	區塊	鏡像	$\frac{N}{2}C$	每鏡像組 1 顆	復原簡單、容量利用率低
RAID 2	位元	漢明碼	$mC$	1 顆	位元級、需同步、實務少用
RAID 3	位元組	專用同位碟	$(N-1)C$	1 顆	適合連續傳輸、同位碟瓶頸
RAID 4	區塊	專用同位碟	$(N-1)C$	1 顆	可獨立存取、同位碟瓶頸
RAID 5	區塊	分散式單同位	$(N-1)C$	1 顆	消除專用同位碟瓶頸
RAID 6	區塊	分散式雙同位	$(N-2)C$	2 顆	可靠性高、寫入成本較高

解題技巧

RAID 層級最容易混淆的比較如下：

• RAID 3 與 RAID 4：前者是位元組級，後者是區塊級。
• RAID 4 與 RAID 5：前者使用專用同位碟，後者分散同位資料。
• RAID 5 與 RAID 6：前者可容忍一顆失效，後者可容忍兩顆失效。
• RAID 0 與其他層級：RAID 0 沒有任何冗餘，名稱雖含 RAID，實際上不具容錯能力。

【答案】RAID 0 至 RAID 6 的確定差異在於條帶粒度、鏡像或同位備援方式、同位資料配置位置，以及可容忍的磁碟失效數量。

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（2）死結

核心觀念

死結（deadlock）是指一組程序彼此永久等待資源，任何程序都無法繼續執行。

死結發生的必要條件是 Coffman 四條件，四者必須同時成立：

1. 互斥（mutual exclusion）
2. 持有且等待（hold and wait）
3. 不可搶占（no preemption）
4. 循環等待（circular wait）

四個必要條件

（1）互斥

資源同一時間只能被一個程序使用。例如印表機、某些鎖定中的檔案及不可共享的硬體裝置。

（2）持有且等待

程序已持有至少一項資源，同時等待其他程序所持有的資源。

例如 $P_1$ 持有 $R_1$ 並等待 $R_2$；$P_2$ 持有 $R_2$ 並等待 $R_1$。

（3）不可搶占

程序已取得的資源不能被系統強制取回，只能由持有者主動釋放。

（4）循環等待

存在程序與資源的循環等待鏈：

$$P_1\rightarrow R_2\rightarrow P_2\rightarrow R_1\rightarrow P_1$$

只要破壞其中任一條件，就能防止死結。

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解題方法一：死結預防

死結預防（prevention）是在資源分配規則上直接破壞四個必要條件之一。

被破壞的條件	預防方式	代價
互斥	將資源改為可共享，例如印表機採用 spooler	非共享資源無法全面改造
持有且等待	程序開始時一次取得全部資源；或申請新資源前先釋放舊資源	資源利用率低、等待時間增加
不可搶占	資源申請失敗時，強制釋放程序現有資源，稍後重新執行	不適用於印表機等不可搶占資源
循環等待	對資源建立全序關係，程序只能依遞增順序申請	限制資源申請順序

例如設定：

$$R_1<R_2<R_3$$

所有程序取得 $R_1$ 後才能申請 $R_2$，取得 $R_2$ 後才能申請 $R_3$，不可先持有 $R_3$ 再申請 $R_1$。如此便不會形成循環等待。

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解題方法二：死結避免

死結避免（avoidance）允許四個條件存在，但每次分配資源前先判斷分配後是否仍處於安全狀態。

安全狀態是指存在一個安全序列，使每個程序都能取得剩餘資源、完成執行並釋放資源。最典型的演算法是銀行家演算法（Banker’s Algorithm）。

定義：

$$Need_i=Max_i-Allocation_i$$

其中：

• $Max_i$：程序 $P_i$ 的最大資源需求。
• $Allocation_i$：目前已分配給 $P_i$ 的資源。
• $Need_i$：$P_i$ 尚需的資源。
• $Available$：目前系統可用資源。

當 $P_i$ 提出請求 $Request_i$ 時：

1. 檢查 $Request_i\leq Need_i$。
2. 檢查 $Request_i\leq Available$。
3. 暫時分配資源：

$$Available:=Available-Request_i$$ $$Allocation_i:=Allocation_i+Request_i$$ $$Need_i:=Need_i-Request_i$$

4. 執行安全性檢查。

安全性檢查使用：

$$Work:=Available$$

尋找尚未完成且滿足：

$$Need_i\leq Work$$

的程序，假設該程序完成並釋放資源：

$$Work:=Work+Allocation_i$$

重複此程序。若所有程序都能完成，表示分配後為安全狀態，正式核准請求；若存在無法完成的程序，便撤銷暫時分配並延後請求。

**安全狀態與死結狀態不同：**不安全狀態尚未必然死結，但系統已無法保證未來不發生死結，因此銀行家演算法不予核准。

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解題方法三：死結偵測

(1) 間接提示詞注入攻擊 (Indirect Prompt Injection Attack)

觀念說明：
間接提示詞注入攻擊係指攻擊者將惡意指令隱藏植入於大語言模型（LLM）所存取的外部資料源（如網頁、電子郵件、PDF 文件或資料庫）中。當 LLM 在執行檢索增強生成（RAG）或瀏覽外部網頁時，未能區分「系統指令」與「外部資料內容」，導致擷取的惡意指令被當作高優先度指令解析並執行，進而引發資料洩漏、未授權 API 調用或系統操作遭挾持。

【答案】
間接提示詞注入攻擊是一種針對 LLM 應用系統的資安攻擊。攻擊者不直接輸入 Prompt，而是將惡意指令隱藏於外部資料中。當 LLM 讀取並處理該資料時，惡意指令被誤認為合法指令執行，導致敏感資料洩漏或系統遭未授權控制。

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(2) AI 後門攻擊 (Backdoor Attacks in AI)

觀念說明：
AI 後門攻擊主要發生於模型訓練或微調階段（透過數據毒化 Data Poisoning）。攻擊者在部分訓練資料中加入特定的「觸發器」（Trigger，如特定圖案、特徵或文字），並將標籤改為攻擊者指定的類別。訓練完成的模型在處理正常輸入時精確度不受影響，但一旦輸入含有該觸發器，模型將強制輸出攻擊者預設的惡意結果。

【答案】
AI 後門攻擊係指攻擊者於訓練階段將「觸發器（Trigger）」植入模型中。模型在處理正常輸入時表現完全正常（具高度隱蔽性），但只要輸入包含特定觸發器，模型即會觸發預設的惡意輸出或錯誤分類。

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(3) 量子遷移 (Quantum Migration)

觀念說明：
量子遷移（或稱後量子密碼學遷移 PQC Migration）是指資訊系統因應量子電腦帶來的密碼破譯威脅（如 Shor 演算法可於多項式時間內破解現行非對稱加密），從現行的傳統公鑰密碼學（如 RSA、ECC）全面過渡與升級至「後量子密碼學」（Post-Quantum Cryptography, PQC / 抗量子加密）演算法的整體升級與部署過程。