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title: '資訊安全 老師:李珮如 副教授'
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###### tags: `選修`


# 資訊安全 老師:李珮如 副教授


:::spoiler 考試必考

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:::spoiler 作業

問題
知名大學有資安的問題，原因為有位教職員被植入惡意程式，藉先傑的設施進行攻擊


解決

1.學校委外請中華電信專業解決，並針對中華電信建議事項進行改進

2.提供:**CompTIA Security＋國際網路資訊安全班**課程

3.開設資訊安全公佈欄，提供相關資安資訊，以利撰寫安全的程式碼

4.推動安全系統發展生命週期(SSDLC)

5.**個資防護的****SOP****：規劃、執行、稽核、改善**PDCA


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:::spoiler 基礎知識

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:::spoiler 重點
 * <p style="color:red">打亂明文和密文的對應關係</p>
 * <p style="color:red">明文和密文對應關係越低越好，最好是所有字詞出現頻率都一樣</p>
 * <p style="color:red">運算必須在原集合裡，這樣做完加密後才能回推回明文</p>
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## 章節

### 2022/02/26 Chap1

### 2022/03/12 Chap2

### 2022/03/26 Chap3

### 2022/04/09 Chap4

### 2022/04/23 Chap5

### 2022/05/21 Chap6 離散對數、區塊鏈
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:::spoiler 2022/02/26 Chap1

#### Computer Security Objectives

* Confidentiality: 保密性

* Integrity: 完整性

* Availability: 可取得性  

#### 安全性、方便性、友善性，很難兼顧 


#### Focus on：

* Security Attacks

   * Passive Attack：消極攻擊(偷資料、監看......等)

   * Active Attack：積極攻擊(修改資料......等)

       * Masquerade

       * Replay

       * Modification of Messsages

       * Denial of Service

* Security Service(SS)

    SS

    * Defined by X.800 as： 數位簽章 

    * Defined by RFC 4949 as：

    SS.1(Authentication)

    * Concermed with assuring that a communication is authentic 

    * In the csae of a single message

    * In the case of ongoing interaction

    SS.2(Access Control 存取控制)

    * Identified：被辨識、Authenticated：被授權(可使用某功能)

    SS.3(Data Confidentiality)

    * The Protection of Transmitted data from passive attacks

    SS.4(Data Integrity)

    * 確認資料不會被更改

    SS.5(Nonrepudiation)

    * 不能被否定

* Security Mechanism
    
    ##### Authentication Services

    * Peer entity：驗證兩端，抗偽裝攻擊、及未驗證攻擊

    * Data origin：

#### Cont'd

* Data integrity

* Authentication exchange

* Traffic padding:

* Routing Control:路徑控制

* Notarization: 對稱加密、可透過第三方獲取鑰匙

##### Model for Network Security

* Gatekeeper function

* intermal control

![](https://i.imgur.com/V542cEq.png)

* Other security-related situations
    
    * 1. Protect an information system from unwanted access

    * 2. 命名規格邏輯避免被猜到，例如:產品命名product......等

#### Simplified Model of Symmetric Emcryption

![](https://i.imgur.com/Ftp0Tv3.png)

* Enciphering of encryption

* Deciphering of decryption

#### Secure Use of Conventional Encryption

* 被知道演算法和密文也無法破解

* 被知道明文和密文都無法破解

#### Model Of Symmetric Cryptosystem

![](https://i.imgur.com/fMHjf8k.png)

#### Cryptographic Systems 


#### Cont'd

* Substitution:替代

* Transposition:明文重排

#### Attacking approach

* 暴力攻擊法：嘗試所有可能鑰匙(不適用密碼長度很長)

#### Type Of Cryptanalytic Attacks

![](https://i.imgur.com/Hs5nZcw.png)

#### Encryption Scheme Security

* Unconditionally Secure(理想)

* Computaionally Secure
    
    * 計算上的安全性：提高攻擊的計算成本

    * 時間上的安全性：提高被破解的時間

    ##### Caesar Cipher
    
    ![](https://i.imgur.com/aMqu7UY.png)
    
    ##### Numerical Equivalent
    
    ##### Monoalphabetic Cipher(位移加上排列組合)
    
    ![](https://i.imgur.com/0UwBoUS.png)
    
    #### Methods to Disconnect P/C

    * <p style="color:red">Countermeasure: 打亂明文和密文的對應關係</p>
    
    #### Playfair Cipher:是一種使用一個關鍵字方格來加密字元對的加密法
    
    #### Advantages of Playfair Cipher:
    
    * Whereas there are only 26 letters, there are 26 * 26 = 676 digrams

    #### Hill Cipher
    
    * 優點：可以完全隱藏單字出現頻率
    
    * 缺點:容易被已知明文攻擊擊破。 即得知明文與密文之相對，就能夠破解。

    #### Concepts from Linear Algebra 
    
    #### Vigenere Cipher(基於Caesar Cipher)
    
    * 缺點：會出現一樣單字的頻率

    #### Vernam Cipher
    
    * 密碼只用一次，但是如何產生源源不絕且不重複的密碼，和如何儲存密碼

    #### Rail Fence Cipher
    
    #### Row Transposition Cipher
    
    #### Rotor Machines
    
    #### Steganography(例如藏頭詩)
    
    * 藏機密訊息，但不屬於密碼學

    #### Symmetric Cipher
    
    ![](https://i.imgur.com/nRcEo0L.png)
    
    #### Stream Cipher 
    
    * 每個位元加密
    
    #### Block Cipher
    
    * n bits 加密
    
    #### Feistel Cipher
    
    ![](https://i.imgur.com/L5e2f7M.png)
    
    * Diffusion(擴散): 一個明文對應到不同密文

    * Confusion:密文跟明文出現頻率不一樣 

    #### DES Encryption Algorithm
    
    ![](https://i.imgur.com/eWLKVeV.png)

    * 輸入輸出長度一致

    #### Single Round of DES
    
    ![](https://i.imgur.com/MOeWNGw.png)
    
    #### E Table
    
    #### Concerns of DES
    
    #### Definition of DES S-Boxes
    
    ![](https://i.imgur.com/i3TD8lV.png)
    
    #### Key Generation
    
    
    #### Average Time Required for Exhaustive Key Search
    
    ![](https://i.imgur.com/29fVWCp.png)

    
    
#### 如何判斷比較加密法好壞:

* <p style="color:red">較難破解</p>

* <p style="color:red">明文和密文對應關係越低越好，最好是所有字詞出現頻率都一樣</p>
  
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:::spoiler 2022/03/12 Chap2

## Basic Conepts in Number Theory and Finite Fields

* <p style="color:red">運算必須在原集合裡，這樣做完加密後才能回推回明文</p>

* Finite Field Arithmetic

    * Modular arithmetic:模數算數(取餘數的運算)

        * 令一個正整數n 與整數a，並a 除以n 得到商為q，與餘數b

    * Euclidean Algorithm：

        ![](https://i.imgur.com/4YUAk4g.png)
 
        * **計算至餘數為 0：表示求解完畢，最後將兩數整除的數字即最大公因數GCD。**

        * **計算出GCD為 1：表示兩數互質。**
    
    * Properties of Congruences：同餘
    
        * 給定一個[正整數]m，如果兩個[整數]a和b滿足a-b能夠被m整除，即(a-b)/m得到一個整數，那么就稱整數a與b對[模]m同餘，記作a≡b(mod m)。對模m同餘是整數的一個等價關係。     
     
    * Group, Rings, and Field： 
        ![](https://i.imgur.com/VlwmkdY.png)
    
    * Example of GF(2)    
        * 加法: XOR
        * 乘法: AND

    * Polynomial Division：多项式除法

## Advanced Encryption Standard(AES) 

* 1. Substitute Byte Transformation

    * ![](https://i.imgur.com/R0Gs9bt.png)    

* 2. Shift Row Transformation

    * ![](https://i.imgur.com/eIKSz73.png)

* 3. MixColumn Transformation

    * ![](https://i.imgur.com/skvSrw7.png)

* 4. AddRoundKey Transformation

    * ![](https://i.imgur.com/ARimGUG.png)

## AES Key Expansion 解密

* 加解密過程不一樣。

* ![](https://i.imgur.com/WNman45.png)

* ![](https://i.imgur.com/Gnh8JPF.png)


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* ![](https://i.imgur.com/DhowJzK.png)

* ![](https://i.imgur.com/sd3USJx.png)
 
* ![](https://i.imgur.com/xrLQ8uU.png)


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[AES參考資料](https://kknews.cc/code/rn24jmo.html)

[AES參考資料](https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10249488)

[AES影片](https://www.bilibili.com/s/video/BV1HK4y1s7Np)

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::: spoiler 2022/03/26 Chap3

## Block Cipher Modes of Operation

[Block Cipher Modes of Operation](https://www.educba.com/block-cipher-modes-of-operation//)

![](https://i.imgur.com/UDY0cxh.png) 

* ECB: 適用較短訊息，缺點是一樣的明文遇上一樣的密鑰會產生一樣的密文

    * ![](https://i.imgur.com/r9pEXco.png)

* CBC: 適用區塊加密和驗證上，缺點是必須要解自己區段的明文，需有其他區段的密鑰

    * ![](https://i.imgur.com/4gxniX6.png)
 
* CTR: 適用區塊加密和高速加解密上

    * ![](https://i.imgur.com/8dZjnDB.png)

* CFB: 適用串流加密

    * ![](https://i.imgur.com/dTq9fRm.png)

* OFB: 位元傳出錯誤不會影響解密過程，缺點是信息解密過程會被攻擊

    * ![](https://i.imgur.com/oGIcD06.png)


## The Use of Random Numbers(亂數)

* 判斷亂數產生器的好壞

    1. 隨機性
    
    2. 不可預測性

* Test of Randomness 
    
    1. Uniformity:一致性

    2. Scalabillty:可擴展性

    3. Consistency:合理性

* SP 800-22:測試亂數隨機性

## PRNG Using Block Cipher Modes of Operation 

![](https://i.imgur.com/9UltUKG.png)

## ASNI X9.17 PRNG

![](https://i.imgur.com/1NgFDtQ.png)

## More Number Theory

* Prime Numbers(質數): 大於1的自然數中，除了1和該數自身外，無法被其他自然數整除的數。

    1. 米勒-拉賓(MillerRabbin)法(判斷是否是素數的演算法): 核心為費馬小定理

* Fermat's Theorem(費馬大定理): 

    1. 設 _n_ 是大於 2 的正整數，則方程式 _x__n_+_y__n_=_z__n_，沒有正整數解。

    2. **費馬小定理**: 若_p_是質數且_a_是與_p_互質的整數，則![](https://i.imgur.com/wFaDRUZ.png)

* Euler's Totient function(歐拉函數): 小於等於_n_的正整數中與_n_[互質](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%92%E8%B3%AA "互質")的數的數目，例如{\\displaystyle \\varphi (8)=4}![\varphi (8)=4](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0b27ff795221f55c90a3acf7197fd4a2c337cfac)，因為1,3,5,7均和8互質。

* Discrete Logarithms(離散對數): 是一種基於[同餘](https://www.newton.com.tw/wiki/%E5%90%8C%E9%A4%98)運算和[原根](https://www.newton.com.tw/wiki/%E5%8E%9F%E6%A0%B9)的一種[對數](https://www.newton.com.tw/wiki/%E5%B0%8D%E6%95%B8)運算。公鑰密碼學中幾個重要算法的基礎，是假設尋找離散對數的問題解，在仔細選擇過的羣中，並不存在有效率的求解算法。

 
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:::spoiler 2022/04/09 Chap4

## 彼得·杜拉克：如果不能衡量，你就不能管理

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:::spoiler 2022/04/23 Chap5
 
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:::spoiler 2022/05/21 Chap6 離散對數、區塊鏈

## Discrete Logarithms(離散對數): 能應用在公開金鑰加密系統

* Diffie-Hellman key exchange: 交換對稱加密鑰匙
* Digital sinature algorithm(DAS): 數位簽章

![](https://i.imgur.com/eYhymEc.png)

![](https://i.imgur.com/MeZ8JFr.png)

![](https://i.imgur.com/zHRAv0W.png)

![](https://i.imgur.com/4CyxB97.png)


### 對數定理

![](https://i.imgur.com/XxhfJYc.png)

![](https://i.imgur.com/NrdO11D.png)

![](https://i.imgur.com/iZCNc9E.png)

![](https://i.imgur.com/TJXsfIQ.png)

![](https://i.imgur.com/wOlbY4c.png)

### 尤拉公式

![](https://i.imgur.com/WvRZdp2.png)

### 離散公式難題: 難以快速求得X

![](https://i.imgur.com/2HjEQ87.png)

## 區塊鏈

### 定義: 將資料彙整為區塊，加上雜奏函數並串聯成鍊，以確保資料安全

![](https://i.imgur.com/AB79utO.png)

### 區塊鏈技術

![](https://i.imgur.com/50gv79z.png)

### 區塊的定義

![](https://i.imgur.com/1v4rPFE.png)

### 區塊鏈的結構

![](https://i.imgur.com/DWn8ZGL.png)

### 比特幣區塊中的資料內容

![](https://i.imgur.com/x1sRfbM.png)


### 區塊鏈的共識機制

![](https://i.imgur.com/2Zbp2Dw.png)

### 工作量證明機制

![](https://i.imgur.com/BVdYPK1.png)

### 傳統帳本 VS. 區塊鏈帳本

![](https://i.imgur.com/bbAVE5r.png)

### 幣特幣拜占庭將軍問題和解決:

![](https://i.imgur.com/7IaaooX.png)

![](https://i.imgur.com/yJG2E13.png)

### 區塊鏈解決之痛點Pain-Points

![](https://i.imgur.com/RvMOhku.png)

### 區塊鏈的類型

* 公有鏈: 任何人都可交易和查看交易資料及參與達成共識的過程

* 聯盟鏈:節點的權限將會有所限制
 
* 私有鏈:獲得授權的節點通之是有合作或商業關係的

* 混合鏈和複雜鏈: 節點有不同分工

### 區塊鏈的技術

* 區塊鏈的觀念原於帳本記錄(Ledger)

![](https://i.imgur.com/M9OBZU0.png)

### 區塊鏈防偽

![](https://i.imgur.com/Av5v5JW.png)

### 區塊鏈特性

![](https://i.imgur.com/uHAv04g.png)

### 區塊鏈流程

![](https://i.imgur.com/wLB5wi4.png)

### 區塊鏈安全技術

![](https://i.imgur.com/tyj73gs.png)

#### Hash Funcion 雜湊函數

* 欲由Hash輸出值反推輸入值非常困難

![Uploading file..._8ahymp70o]()

#### SHA-256

![Uploading file..._7xrzudwms]()

### 區塊鏈的成長與驗證

![](https://i.imgur.com/Z7WW57D.png)

#### 默克爾數

![](https://i.imgur.com/6VgcaQ9.png)

### 區塊串連成鍊

![](https://i.imgur.com/gUDEej5.png)

### Hash List

![](https://i.imgur.com/dKkatVS.png)


### NFT

![](https://i.imgur.com/9JfTwGq.png)

### 比特幣並未完全解決重複消費之問題
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