109 年 國立臺北大學資訊管理學系碩士班《計算機概論》

本題主要在探討物聯網(IoT)、智慧物聯網(AIoT)及工業4.0(Industry 4.0)這三個重要概念的定義、關係與實際應用。

一、(15%) 請分別定義說明物聯網、智慧物聯網、工業4.0。

• 物聯網 (Internet of Things, IoT)
  物聯網是指將日常生活中各種實體物品（如家電、交通工具、穿戴裝置、工業設備等）透過網路連接起來，使其能夠相互通訊、交換數據，並能被遠端監控與控制的一種網路概念。其核心在於「萬物皆可連網」，讓物品具備感知、識別、定位、追蹤、通訊等能力。

• 智慧物聯網 (Artificial Intelligence of Things, AIoT)
  智慧物聯網是物聯網與人工智慧 (Artificial Intelligence, AI) 的結合。它不僅僅是將物品連接上網，更重要的是利用 AI 技術來分析從物聯網設備收集到的海量數據，從而實現更智慧化的決策、預測、自動化與優化。AIoT 能夠讓物聯網設備具備學習、推理、判斷的能力，進而提供更個人化、更高效的服務。

• 工業4.0 (Industry 4.0)
  工業4.0 是指德國政府於 2011 年提出的工業發展計畫，旨在利用資訊及通訊技術（ICT）來全面提升工業製造的效率與品質。其核心理念是「智慧製造」(Smart Manufacturing)，強調透過網路化、數位化、自動化及人工智慧的整合，建構一個高度彈性、個人化、資訊化的生產體系。工業4.0 涵蓋了物聯網、大數據分析、雲端運算、機器人、3D 列印等技術，目標是實現生產流程的全面數位化與智慧化，以應對全球化競爭與客製化需求。

二、(15%) 現有一家大型製造業工廠,擬導入及建構完成這三項技術與目標,請說明此三者間的互動關聯與影響。

在一家大型製造業工廠的導入情境下，IoT、AIoT 與工業4.0 之間存在著緊密的互動關聯與影響：

• IoT 是基礎與連結：
  • 關聯： IoT 是實現工業4.0 的基礎設施之一。工廠內的各種生產設備、感測器、機械手臂、倉儲系統、物流載具等，都可以透過 IoT 技術連接起來，形成一個互聯的工業網路。
  • 影響： 實現設備的遠端監控、狀態追蹤、資產管理，收集生產過程中的各種即時數據（如溫度、壓力、轉速、能耗、產量、故障碼等）。

本題主要在考察資訊安全的核心概念「CIA三要素」，以及組織在文件生命週期各階段應採取的安全管控措施。

一、(10%) 資訊安全的基本要素為何?

資訊安全的基本要素通常指 CIA 三要素，它們是資訊安全的核心目標，確保資訊在儲存、處理和傳輸過程中的安全：

• 機密性 (Confidentiality)
  機密性是指確保資訊僅能被授權的使用者、程序或系統所存取，防止資訊被未經授權的揭露。換句話說，就是「不該被看到的人，看不到」。

  • 常見實踐： 存取控制 (Access Control)、加密 (Encryption)、密碼學 (Cryptography)、身份驗證 (Authentication)。

• 完整性 (Integrity)
  完整性是指確保資訊在儲存、處理或傳輸過程中，未被未經授權地修改、破壞或刪除，並且資訊的準確性與一致性得以維持。換句話說，就是「資訊不被竄改」。

  • 常見實踐： 雜湊函數 (Hash Functions)、數位簽章 (Digital Signatures)、版本控制 (Version Control)、備份與還原 (Backup and Recovery)。

• 可用性 (Availability)
  可用性是指確保授權的使用者在需要時，能夠隨時存取到所需的資訊與服務。換句話說，就是「想用時，用得到」。

  • 常見實踐： 備援系統 (Redundancy)、負載平衡 (Load Balancing)、災難復原計畫 (Disaster Recovery Plan)、防止阻斷服務攻擊 (DoS/DDoS Protection)。

除了 CIA 三要素外，有時也會加入其他要素，例如：

• 可稽核性 (Accountability/Auditability)： 確保所有動作都能被追蹤與記錄，以便事後追查。
• 真實性 (Authenticity)： 確保資訊來源或使用者是真實的、未被偽冒。
• 不可否認性 (Non-repudiation)： 確保一方無法否認其曾進行過的交易或行為。

二、(10%) 組織的文件安全管控要怎麼做?請以文件的生命週期(文件產生至廢止)過程階段,分別探討與說明各階段的文件安全作法。

文件安全管控是資訊安全的重要一環，需要貫穿文件的整個生命週期。文件的生命週期通常包含：產生、使用、儲存、傳輸、廢棄等階段。

1. 文件產生階段 (Creation)

• 目的： 確保文件內容的正確性、合法性，並為後續安全管控打下基礎。
• 安全作法：
  • 內容審核與授權： 建立文件內容的審核與核准機制，確保資訊的準確性與合規性。只有經過授權人員才能產生或核准重要文件。
  • 分類與標記： 根據文件的敏感性（如公開、內部、機密、機密），進行分類並標記，以便後續採取適當的存取控制與處理措施。
  • 安全範本： 對於經常產生的文件，使用安全的範本，預設包含必要的安全標記和格式。
  • 防止資訊洩漏： 嚴格管理文件產生時的存取權限，避免敏感資訊在尚未定稿前外洩。

2. 文件使用階段 (Usage)

• 目的： 確保文件的機密性、完整性與可用性，僅授權人員才能存取和修改。
• 安全作法：

核心觀念

• 區塊鏈 (Blockchain)：由「區塊」依序以雜湊值相連的分散式帳本。每個區塊包含若干筆交易、前一區塊的雜湊、時間戳記與其他共識資訊。
• 工作量證明 (Proof‑of‑Work, PoW)：礦工需解出符合目標值的 SHA‑256 雜湊，才能將區塊寫入鏈上。此機制保證了不可逆性與防止雙重支付。
• 供應上限機制：比特幣的區塊獎勵採每 210,000 個區塊減半的設計，且獎勵總量的無限級數收斂於 21,000,000 BTC。

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解題方法

1. 說明區塊鏈的運作流程

   • 交易產生 → 交易被廣播至全網路。
   • 交易打包 → 礦工將待確認的交易聚合成一個候選區塊，計算區塊雜湊的工作量證明。
   • 工作量證明：求解 $nonce$ 使得 $H(\text{block header}) < \text{target}$，其中 $H$ 為 SHA‑256。首位找到符合條件的礦工可將區塊加入鏈。
   • 區塊鏈更新：所有節點驗證該區塊的雜湊、交易合法性與獎勵正確性，若通過則將其視為最新區塊，並更新分支。
   • 不可篡改性：任意改動已確認區塊的任意資訊必須重新計算自該區塊起之所有後續區塊的工作量證明，計算成本在實務上不可承受。

2. 說明供應量限制的數學原理

   • 初始區塊獎勵 $R_0 = 50$ BTC。
   • 獎勵每 $N = 210{,}000$ 個區塊減半：
     $R_k = \frac{R_0}{2^k},\qquad k = 0,1,2,\dots$
   • 第 $k$ 個減半週期的總發行量為

核心觀念

• 平衡二元樹 (AVL Tree)：每個節點的左右子樹高度差（Balance Factor，BF）必須在 $\{-1,0,1\}$ 之內。
• 旋轉操作：當插入導致某節點 BF 超過範圍時，利用 左旋 (Left‑Rotation)、右旋 (Right‑Rotation) 以及 雙旋 (LR、RL) 來恢復平衡。
• 插入流程：依序將元素插入二元搜尋樹，插入後自底向上更新高度與 BF，若發現不平衡即立即執行相應旋轉。

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解題方法

1. 逐一插入 序列 {3,5,11,8,4,1,12,7,2,6,10,9}。
2. 每插入一個節點後，沿插入路徑向上檢查 BF，若出現
   • RR（右‑右） → 左旋
   • LL（左‑左） → 右旋
   • RL（右‑左） → 先右旋再左旋
   • LR（左‑右） → 先左旋再右旋
3. 旋轉後重新計算受影響節點的高度與 BF，確保整棵樹仍符合 AVL 條件。
4. 在每一步 畫出當前的樹狀結構（以下以縮排 + ASCII 表示），方便檢查與驗證。

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逐步插入與調整過程

步驟	插入值	調整說明	樹狀結構
1	3	–	3
2	5	5 成右子，BF(3) = –1，仍平衡。	<pre>3<br> └─5</pre>
3	11	形成右‑右鏈，BF(3) = –2 → 左旋於 3。	<pre> 5<br> / \<br> 3 11</pre>
4	8	插入 11 的左子，BF(5) = –1，仍平衡。	<pre> 5<br> / \<br> 3 11<br> /<br> 8</pre>
5	4	插入 3 的右子，BF(3) = –1，仍平衡。	<pre> 5<br> / \<br> 3 11<br> \ /<br> 4 8</pre>
6	1	插入 3 的左子，BF(3)=0、BF(5)=0，仍平衡。	<pre> 5<br> / \<br> 3 11<br> /\ /<br> 1 4 8</pre>
7	12	插入 11 的右子，整棵樹仍平衡。	<pre> 5<br> / \<br> 3 11<br> /\ /\<br> 1 4 8 12</pre>
8	7	插入 8 的右子，BF(8)=–1、BF(11)=+1，仍平衡。