112 年 國立成功大學電腦與通信工程研究所丁組《資訊安全概論》

C-I-A 原則，即機密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）與可用性（Availability），是資訊安全領域中最核心的三大基本原則。它們共同構成了保護資訊資產的基石。

1. 機密性 (Confidentiality)：

   • 意義：確保資訊僅被授權的個人、實體或程序所存取。未經授權的揭露將導致資訊洩漏。
   • 目標：防止敏感資訊（如個人身份資訊、商業機密、財務數據等）落入未授權者手中。
   • 實現方式：透過加密（Encryption）、存取控制（Access Control，如密碼、權限設定）、身份驗證（Authentication）等技術手段達成。

2. 完整性 (Integrity)：

   • 意義：確保資訊在儲存、傳輸或處理過程中，未經授權地被修改、刪除或破壞，且資訊的準確性和完整性得以維持。
   • 目標：防止資訊被竄改，確保其在整個生命週期中的準確性與可靠性。

AAA 是資訊安全中的一個重要概念，代表身份驗證（Authentication）、授權（Authorization）與計帳（Accounting），是管理使用者身份和存取權限的關鍵框架。它在身份和數據機密性管理中扮演著核心角色。

1. 身份驗證 (Authentication)：

   • 意義：確認使用者、設備或系統的身份是否為其聲稱的身份。這是 AAA 流程的第一步，也是最基礎的一步。
   • 目的：確保只有合法使用者才能嘗試存取系統資源。
   • 常見方法：
     • 基於你知道的：密碼、PIN 碼。
     • 基於你擁有的：安全令牌（Security Token）、智慧卡、手機（接收 OTP）。
     • 基於你所是的：生物特徵（指紋、臉部辨識、虹膜掃描）。
     • 多因素驗證 (MFA)：結合兩種或兩種以上不同類型的驗證因子，以提高安全性。

2. 授權 (Authorization)：

   • 意義：在驗證了使用者身份後，決定該使用者被允許存取哪些資源以及可以執行哪些操作。
   • 目的：基於使用者身份和角色，實施最小權限原則（Principle of Least Privilege），確保使用者只能存取其工作所需的最少資源。
   • 常見方法：基於角色的存取控制（RBAC, Role-Based Access Control）、存取控制列表（ACL, Access Control Lists）、屬性基於的存取控制（ABAC, Attribute-Based Access Control）。

對稱式加密（Symmetric Encryption）與非對稱式加密（Asymmetric Encryption）是兩種主要的加密技術，它們在金鑰的使用方式和應用場景上存在顯著差異。

1. 對稱式加密 (Symmetric Encryption)：

   • 金鑰使用：使用同一把金鑰來進行加密和解密。發送者和接收者必須事先共享這把秘密金鑰。
   • 速度：通常速度較快，計算量較小，適合加密大量數據。
   • 金鑰管理：金鑰分發是個挑戰。如何安全地將共享金鑰傳遞給接收者，是其主要難點（金鑰交換問題）。
   • 範例演算法：DES, 3DES, AES (Advanced Encryption Standard), Blowfish。
   • 應用場景：當雙方信任且能安全交換金鑰時，用於加密大量數據，如文件加密、數據庫加密、TLS/SSL 的會話加密（在建立安全通道後）。

2. 非對稱式加密 (Asymmetric Encryption)：

   • 金鑰使用：使用一對金鑰：一個是公開金鑰 (Public Key)，可以公開給任何人；另一個是私密金鑰 (Private Key)，必須嚴格保密。加密時使用對方的公開金鑰，解密時使用自己的私密金鑰。
   • 速度：通常速度較慢，計算量較大，不適合加密大量數據。
   • 金鑰管理：金鑰分發相對容易，因為公開金鑰可以公開傳播。私密金鑰的安全性則至關重要。

ROT5 是一種簡單的替換密碼（Substitution Cipher），它專門用於對數字進行加密和解密。其名稱中的 "ROT" 代表 "Rotate"，而 "5" 表示位移（shift）的量。ROT5 僅適用於數字 0-9。

ROT5 的運作方式：
對於每一個數字，將其加上 5。如果結果大於 9，則減去 10（相當於對 10 取模）。

轉換過程：
給定的密文是 "1401162503"。我們將對每一個數字執行 ROT5 的解密（或加密，因為 ROT5 是可逆的，加 5 的反向操作是減 5，但在此範例中，假設「1401162503」是密文，我們要還原成明文。反向操作就是將每個數字減 5，若結果小於 0，則加上 10）。

讓我們假設「1401162503」是密文，我們要將其轉換回明文。解密（還原）操作是將每個數字減去 5。如果結果小於 0，則加上 10。

• '1' - 5 = -4。-4 + 10 = 6。
• '4' - 5 = -1。-1 + 10 = 9。
• '0' - 5 = -5。-5 + 10 = 5。
• '1' - 5 = -4。-4 + 10 = 6。
• '1' - 5 = -4。-4 + 10 = 6。

惡意軟體（Malware）是指設計來破壞、干擾、竊取或以其他方式破壞電腦系統、網絡或數據的任何軟體。以下列出五種常見的惡意軟體及其特徵：

1. 病毒 (Virus)：

   • 特徵：
     • 自我複製：病毒是一種需要宿主（如可執行檔、文件）的惡意程式，它會感染其他程式或文件，並將自身複製到其中。
     • 觸發條件：通常需要使用者執行被感染的文件或程式才能激活並傳播。
     • 行為：一旦激活，病毒可以執行各種惡意操作，如破壞文件、顯示訊息、竊取資訊或允許遠端控制。
     • 傳播方式：通過共享文件、電子郵件附件、USB 驅動器等傳播。

2. 蠕蟲 (Worm)：

   • 特徵：
     • 獨立傳播：與病毒不同，蠕蟲不需要宿主程式，它可以獨立運行並自行傳播。
     • 快速傳播：蠕蟲善於利用網絡漏洞（如作業系統的漏洞）進行快速、廣泛的傳播，常導致網絡擁塞。
     • 行為：主要目標是傳播自身，但它們也可能攜帶其他惡意載荷，執行破壞性任務。
     • 傳播方式：通過網絡（如電子郵件、即時通訊、漏洞利用）傳播。

3. 木馬程式 (Trojan Horse)：

   • 特徵：
     • 偽裝性：木馬程式偽裝成有用的、合法的軟體（如遊戲、實用工具、更新程式），誘騙使用者下載和執行。

3-2-1 備份規則是一個經典且廣泛採用的備份策略，旨在確保數據在各種災難情況下都能被恢復。它提供了對備份副本的數量、儲存位置和媒體類型的結構化指導。

3-2-1 規則的構成：

1. 3：至少三份數據副本 (At least three copies of data)

   • 這意味著除了原始數據（生產數據）之外，還應該至少有兩個備份副本。
   • 原因：單一備份副本可能不足以應對所有情況。如果備份本身損壞，或者在恢復過程中出現問題，有額外的副本可以作為備用。

2. 2：儲存在兩種不同類型的媒體上 (On two different types of media)

   • 這兩個備份副本應該儲存在兩種不同類型的儲存介質上。
   • 原因：不同類型的儲存介質有不同的故障模式。例如，磁帶和硬碟的故障原因不同，將備份分散在不同介質上可以降低因單一介質類型普遍性故障而導致所有備份丟失的風險。常見組合包括：硬碟 (HDD/SSD) + 磁帶 (Tape)；內部硬碟 + 外部硬碟；內部硬碟 + 雲端儲存。

3. 1：至少一份副本儲存在異地 (At least one copy offsite)

VPN（Virtual Private Network）虛擬私人網路，是一種在公共網路（如網際網路）上建立安全加密通道的技術，以實現遠端存取或連接不同地點的網路。Point-to-Point VPN 和 Site-to-Site VPN 是兩種常見的 VPN 類型，它們的區別在於連接的對象和規模。

1. 點對點 VPN (Point-to-Point VPN, P2P VPN)

• 定義：主要用於連接單一使用者到一個遠端網路。它通常用於遠端工作者、行動使用者或需要從外部安全存取公司內部資源的個人。
• 連接對象：一個使用者裝置（如筆記型電腦、智慧手機）與一個遠端網路（如公司內網）。
• 架構：使用者裝置上的 VPN 客戶端軟體與遠端網路的 VPN 閘道器（Gateway）建立加密隧道。
• 用途：允許遠端使用者像在辦公室網路一樣安全地存取內部伺服器、文件共享或應用程式。
• 圖示概念：

  [ 使用者裝置 ] <-----> [ Internet ] <-----> [ 公司VPN閘道器 ] <-----> [ 公司內部網路 ]
      (VPN Client)                                 (VPN Gateway)
  

  • 箭頭表示安全加密的 VPN 隧道。

2. 網站對網站 VPN (Site-to-Site VPN, S2S VPN)

• 定義：主要用於連接兩個或多個完整的網路，使它們能夠安全地相互通信，如同它們位於同一個物理位置一樣。
• 連接對象：一個網路（如總公司內部網路）與另一個網路（如分支機構內部網路）。
• 架構：通常在兩個網路的邊界部署 VPN 閘道器（如路由器或專用 VPN 設備），這些閘道器之間建立加密隧道。

軟體打包器（Software Packer），有時也稱為程式打包器（Program Packer）或可執行檔壓縮器（Executable Compressor），是一種用於修改可執行檔（如 Windows 的 .exe 檔）的工具。其主要目的是壓縮、加密或混淆原始的程式碼，使其體積變小、難以分析，或逃避防毒軟體的偵測。

軟體打包器的主要功能和目的：

1. 減小檔案大小 (File Size Reduction)：

   • 打包器會壓縮原始的可執行檔。這對於軟體發行者來說，可以節省儲存空間和下載頻寬。
   • 壓縮後的程式在執行時，會先解壓縮自己到記憶體中，然後再執行。

2. 保護軟體版權和防止逆向工程 (Protection against Reverse Engineering)：

   • 這是軟體打包器最常見的安全相關用途。通過壓縮和加密程式碼，打包器可以極大地增加逆向工程（如反組譯、調試）的難度。
   • 攻擊者或惡意行為者將難以理解程式的原始邏輯、提取關鍵演算法或尋找漏洞。

3. 逃避惡意軟體偵測 (Evasion of Malware Detection)：

   • 惡意軟體作者經常使用打包器來混淆其惡意程式碼，使其難以被基於簽名的防毒軟體識別。
   • 當防毒軟體掃描時，它看到的是打包器本身，而不是原始的惡意程式碼。

程式碼混淆（Code Obfuscation）是指一種將程式碼轉換成更難理解、更難閱讀的形式，但其功能保持不變的過程。它是一種安全措施，旨在增加對程式進行逆向工程的難度，保護智慧財產權或防止惡意修改。

優點 (Advantages)：

1. 增強智慧財產權保護 (Enhanced Intellectual Property Protection)：

   • 難以逆向工程：混淆後的程式碼結構複雜，變數、函數名稱被替換成無意義的字串，流程控制被重構，使得攻擊者難以理解程式的邏輯、演算法和商業機密。
   • 防止剽竊與盜版：增加複製或盜用程式碼的難度，降低軟體被非法破解或抄襲的風險。

2. 提高安全性 (Improved Security)：

   • 防止漏洞利用：混淆可以使攻擊者更難發現程式中的安全漏洞（如緩衝區溢位、邏輯錯誤），從而降低被利用的風險。
   • 防止惡意修改：混淆可以讓攻擊者難以修改程式碼以繞過授權檢查、廣告攔截或插入惡意功能。

3. 減少軟體體積 (Reduced Software Size) - 某些情況下：

   • 一些混淆技術，特別是那些涉及程式碼重構或移除無用代碼的，有時也能達到輕微的程式碼壓縮效果。但這不是混淆的主要目的。

4. 抵禦動態分析 (Resistance to Dynamic Analysis)：

   • 通過修改程式的執行流程，混淆技術可以使調試器（Debugger）難以追蹤程式的實際執行路徑。

缺點 (Disadvantages)：

高級加密標準（Advanced Encryption Standard, AES）是一種廣泛使用且高度安全的區塊加密演算法。它是一種對稱式加密演算法，基於 Rijndael 演算法，並支援 128、192 或 256 位元的金鑰長度。AES 的加密過程是迭代的，由多個輪次（Rounds）組成，每個輪次都包含一系列的數學和邏輯操作。

AES 的加密流程主要基於其狀態（State）矩陣，這是一個 4x4 的字節（Byte）矩陣，代表了明文塊或密文塊。操作的輪次數量取決於金鑰長度：

• 128 位元金鑰：10 輪
• 192 位元金鑰：12 輪
• 256 位元金鑰：14 輪

在進行正式的輪次操作之前，會先進行一個初始輪金鑰加法 (Initial Round Key Addition)。之後是 N-1 個完整輪次，最後一個輪次（第 N 輪）則省略了最後一步的「混合列 (Mix Columns)」操作。

以下是 AES 加密操作的主要步驟（以 128 位元金鑰為例，10 輪）：

1. 初始輪金鑰加法 (Initial Round Key Addition)：

   • 將 128 位元的明文塊與由金鑰擴展生成的初始輪金鑰（Round Key）進行逐位元 XOR 操作。
   • $State \leftarrow State \oplus RoundKey_0$

2. 進行 N-1 個完整輪次 (For i = 1 to N-1)：
   每個完整輪次包含以下四個步驟：

   • 字節替換 (SubBytes)：
     • 對狀態矩陣中的每一個字節，使用一個預定義的 S-Box（Substitution Box）進行查表替換。S-Box 是一個非線性的替換表，用於提供密碼學上的混淆（Confusion）。
     • $State \leftarrow SubBytes(State)$
   • 行位移 (ShiftRows)：
     • 將狀態矩陣的每一行進行循環左移。第一行（Row 0）不動，第二行（Row 1）左移 1 個字節，第三行（Row 2）左移 2 個字節，第四行（Row 3）左移 3 個字節。這提供了置換（Diffusion）效果，將同一列的字節散佈到不同列。
     • $State \leftarrow ShiftRows(State)$
   • 混合列 (MixColumns)：