疾疾，護法現身！　資安管理系統全方位屏障企業資安

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《無法複製的晶片指紋——PUF技術》
• 作者／林三谷｜科技大觀園特約編輯

隨著萬物聯網時代到來，越來越多數據以數位化方式儲存共享，架構安全性也越來越受到重視。就在今年 5 月，美國賓州大學研究團隊開發出一種基於石墨烯的 PUF（Physically Unclonable Function），能夠有效防範利用 AI 模型的新型攻擊，使加密金鑰更難以被破解。

什麼是 PUF？

要解釋什麼是 PUF，就得先理解物聯網（Internet of Things , IoT）的概念。簡單來說，物聯網就是讓設備裝上感測器、軟體及技術來相互連接傳輸資料所形成的網路，是很多產業智慧化的基礎，然而很容易就可以想像這種便利性同時也帶來更高的資安風險，由於物聯網設備涵蓋的領域相當廣泛，駭客從許多層面都可以發動攻擊。

過去談到物聯網的資訊安全，許多人都會先想到軟體及網路加密連線，但其實除了網路層面的安全防護，實體設備同樣存在著威脅。一旦出現仿冒晶片或其他問題，駭客就可能透過網路遠端控制設備獲得金鑰和其他敏感資訊，進而造成企業損失。以軟體為主的資安設計已不再足以提供全面保障，這也是為什麼基於硬體的安全技術開始逐年受到青睞。

全名為「物理不可仿製功能」 的 PUF 就是這樣一種硬體安全技術。透過半導體製程中引入的隨機變數，讓晶片在微觀結構上產生些許差異，在變數無法預測及控制的情況下，複製該晶片成為幾乎不可能的事，減少遭人逆向工程或操作的擔憂。這樣的隨機性、唯一性及不可複製性，讓 PUF 彷彿成為一種「晶片指紋」的存在，因此自然也變成新世代資安「零信任」（Zero Trust）架構下的熱門選擇。

不同於傳統資訊加密技術將密鑰儲存在設備的方式，PUF 技術主要使用一個客製應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit , ASIC）或現場可程式閘陣列（Field Programmable Gate Array , FPGA）就可以完成，透過製造時挑戰／反應數據庫（Challenge／Response）的建立，便能在無須加密認證演算法的情況下對設備進行驗證，防止身分被竊取、竄改的同時，也免除了將私鑰儲存在設備的額外成本以及金鑰遺失的風險。

自 2013 年開始，PUF 已經開始逐漸受到重視，只是就像所有的密碼學應用一樣，儘管 PUF 技術存在著這些驚人特性，駭客攻擊手法也仍在持續演化中。國外一些研究已經證明，透過機器學習，AI 技術還是可能預測出密鑰並獲取數據，因此針對 PUF 技術的改良研發也仍在持續進步中。

以賓州大學團隊 5 月公布在《 Nature Electronics 》的最新研究為例，工程科學與力學助理教授 Saptarshi Das 就進一步結合了石墨烯（Graphene）的諸多特性，開發出一種新型低功耗、可擴展及可重構的 PUF，在面對 AI 攻擊時也能保持顯著彈性不易被入侵。

據研究人員表示，透過石墨烯獨特的物理和電學性質，新型 PUF 更加節能、可延展，即使受到 AI 攻擊試圖預測金鑰，受損的系統也可以在不需要額外硬體或更換元件的情況下重新配置過程並生成新密鑰，藉此有效抵抗對傳統矽製 PUF 構成威脅的 AI 攻擊。

隨著物聯網走入各大產業、設備數量大規模增長，可想見更嚴峻的資安挑戰也即將到來。目前國內廠商及研究團隊許多針對 PUF 的努力正在進行，除了矽智財知名大廠力旺開發的 NeoPUF 技術，成功大學電機系張順志教授進行的研究也是其中之一。

在「具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作」整合型計劃中，張教授希望透過超低功耗之類比數位轉換器設計技術及內建物理密鑰技術、 AI 輔助訊號轉換電路設計技術的研發，來提升物聯網晶片的安全性與穩定性。據了解，該項目已經進入後期階段，將基於先前的經驗嘗試完成整個物聯網系統的實體整合與量測驗證。

資料來源

1. 初探物聯網安全趨勢下PUF晶片安全發展機會｜跨域資安強化產業推動計畫網站 ACW
2. 具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作-子計畫三：應用於高安全性且低耗能物聯網系統的類比至數位轉換器之研製（ I ）
3. Stabilization in Physically Unclonable Constants
4. Graphene key for novel hardware security | Penn State University

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《為什麼網路廣告都知道我去過哪些地方？手機通訊的資安隱憂與個資保護新技術》
• 作者／吳謹安｜科技大觀園特約編輯

新冠肺炎疫情在國際間蔓延接近兩年，疫情前期政府推出「電子圍籬」系統，透過手機監測居家隔離者是否違規外出，卻也衍生出人民隱私遭到侵犯的討論。但事實上，早在疫情前電信商就能取得使用者身分與手機位置的資料。即使關閉 GPS，日常手機在與周邊基地台交換數據的過程中，就需要提供裝置身分識別與位置資訊。當電信公司將相關資訊販賣給資料仲介（data broker）等第三方，或是資訊傳輸過程被駭客竊取，便可能造成潛在的資安問題。

因此，南加州大學（University of Southern California）研究團隊便提出一項新技術－Pretty Good Phone Privacy （PGPP），嘗試在確保服務品質的情況下，保護裝置使用者位置的隱私性。

身分驗證：通訊網路如何識別用戶與提供服務

「我們在不知不覺間同意讓手機變相成為行蹤跟監裝置，但直到今天我們對現況仍然沒有其他選擇－使用手機等於同意接受跟監。」PGPP 研究者 Barath Raghavan 表示。另一位研究者 Paul Schmitt 則進一步指出，現有通訊網絡的問題在於身分驗證與提供通訊服務使用的透過相同的管道進行。不僅讓電信商能利用這些敏感資訊尋求商業利益，也讓駭客有機會從外部透過技術取得使用者的敏感資訊。

不過，想了解使用者訊息是如何在環環相扣的網絡中被蒐集，甚至面臨被竊取的風險，必須先從手機如何取得通訊服務講起。

日常生活中，手機在接收資訊時，需要與遍布周遭的基地台與通訊網路取得聯繫，由各個基地台以六角形的方式構成的通訊網絡，也稱作蜂巢式網絡（Cellular network）。為了提供收發資訊的服務，手機需要藉由無線電波與網絡中的基地台驗證身分，確認裝置為付費用戶後通訊網絡便可以開始提供其他服務。

進一步以 5G 服務為例，5G 架構可以分為 NG-RAN（Next Generation Radio Access Network）與 NGC（Next Generation Core）兩部分（如圖一）：（1）NG-RAN 由手機（UE）與基地台（gNodeB）組成，手機可以透過基地台手機連接到NGC。（2）NGC 則提供身分驗證、計費、簡訊和資料連接等服務，包含 AMF（Access and Mobility Management Function）、AUSF（Authentication Server Function）、SMF（Session Management Function）和 UPF（User Plane Function）五個部分。其中 AMF 主要負責與手機溝通、AUSF 負責驗證、SMF 和 UPF 則提供 IP 位置與連線服務。

連網過程中，手機會透過最鄰近的基地台將儲存於 SIM 卡中的身分識別碼－SUPI（Subscription Permanent Identifier）在 4G 中稱作 IMSI（International Mobile Subscriber Identity）傳送給 AMF，此時 AUSF 會對 SUPI 進行驗證確保此手機是有效用戶。通過驗證後，SMF 與 UPF 便會提供 IP 位置與開放網路服務。而在驗證過程中，電信商的 AUSF 資料庫會記錄所有透過它取得網服務的 SUPI 以及其他註冊資訊。由於每個 SUPI 都是全球唯一且永久的識別碼，因此除了電信商，對有意監控手機用戶的人而言，SUPI 也成為一個極具價值的目標。

基地台定位系統可能成為駭客攻擊的跳板

此外，敏感資訊在前面提到的層層傳輸過程中也面臨駭客的威脅，駭客可以透過被動擷取與主動蒐集兩種方式，掌握用戶的 SUPI／IMSI 與位置資訊，並進行一連串後續的侵權行為。

被動擷取是利用手機與基地台溝通之間的漏洞來達成目的。例如，近年基地台模擬器－IMSI 擷取器（IMSI catchers）或俗稱魟魚逐漸興起，利用手機會自動連接到鄰近最強訊號源（通常是基地台），並提供自身 SUPI／IMSI 以供驗證的特性。IMSI 擷取器發送強於周圍合法基地台的訊號，藉此取得用戶的識別碼，讓監控者可以辨識與監聽未加密的用戶通訊內容，其實這種作法早已在情報單位與極權國家被廣泛地利用。

雖然現有通訊網路嘗試提供暫時性驗證碼－如 GUTI（Globally Unique Temporary UE Identity）來代替 SUPI。只要手機成功連到網路，便會用 GUTI 代替 SUPI，成為該手機的臨時標籤，減少 SUPI 暴露在網絡傳輸過程的次數。但就算 GUTI 會由 AMF 定期更換，實務經驗指出 GUTI 對於使用者隱私的保護有限，駭客仍可以透過技術將 GUTI 去匿名化，進而掌握特定個人的行蹤。

除了被動擷取資訊，駭客還可以利用基地台呼叫（paging）定位的原理主動地發動攻擊。為了能快速定位用戶位置以確保通訊服務能被送達，電信商會將數個基地台覆蓋區域組成一個追蹤區域（tracking area），並且如果有訊息傳送到閒置中的手機時，基地台會要求手機回傳臨時識別碼。駭客在不知道用戶位置與身分識別碼的情況下，可以頻繁地撥打電話給鄰近追蹤區域內的裝置再迅速掛斷。用戶手機可能根本不會跳出通知，但駭客卻可以利用追蹤區域的基地台呼叫訊息，在短時間內定位出用戶的大略位置，甚至進一步可以癱瘓與綁架目標用戶手機服務。

值得一提的是，儘管 5G 技術在保護隱私上做了許多改進。但 5G 訊號使用更高的頻段，提供高傳輸速率與低延遲服務的同時，也伴隨通訊距離、覆蓋範圍較 4G 小的限制。為了確保通訊服務便需要提高基地台密度，等於變相讓電信商與駭客能更準確定位使用者的位置。

PGPP：將身分識別驗證與網路服務分開進行

雖然個人行蹤隱私與手機識別訊息洩漏會造成龐大的社會成本，但要透過改變現有通訊網絡硬體設計，達到保護個資的目的，也需面臨設備更新成本巨大的挑戰。因此 PGPP 嘗試從軟體的角度解決問題，讓用戶可以透過 PGPP 保護自己的行蹤隱私。

「解決問題的關鍵在於，如果要希望保持匿名性，又要怎麼讓通訊網絡驗證你是合法的使用者？」Barath Raghavan 說。為了將身分驗證與網路服務的過程拆開，PGPP 使用了加密標記（Token）與代理伺服器的概念。在 PGPP 的協定中，付費用戶可以從電信商取得一個加密標記。而所有用戶第一次連接到基地台時，使用的是一樣的 SUPI／IMSI，讓使用者連結到代理伺服器的驗證畫面（PGPP－GW），並以加密代幣進行驗證。過程中電信商與駭客只能看到所有用戶都使用同樣的 SUPI／IMSI 與 IP 位置進行連網，如此一來，身分識別資訊與基地台資訊就能夠完成分離（圖二）。

此外，為了解決駭客利用追蹤區域基地台呼叫訊息來定位用戶，PGPP 為每個手機隨機客製不同的追蹤區域，而非傳統地由電信商定義出追蹤區域。如此一來，駭客即便取得追蹤區域編號也無法得知用戶實際所處的位置在哪裡（圖三）。

為了能真實測試 PGPP，Barath Raghavan 與 Paul Schmitt 甚至成立了一家新創公司－Invisv。結果顯示 PGPP 在保護個資的同時，也幾乎不會有延遲增加、流量過載，以及其他匿名網路會遇到的延展性問題。由於 PGPP 只是停止讓手機向基地台傳送自己的身分，因此其他定位功能還是可以正常使用。

最後，Barath Raghavan 也指出現在是人類有史以來第一次，幾乎每個人無時無刻的行蹤都能及時地被掌握。但人們常常默許地將關於自身資訊的控制權交給大公司與政府，PGPP 的發明就是希望在這樣的洪流中取回一些對自身隱私的控制權。

資料來源

1. Pretty Good Phone Privacy
2. Is Your Mobile Provider Tracking Your Location? This New Technology Could Stop It.
3. 4G、5G技術漏洞可讓駭客追蹤用戶地點、癱瘓手機、攔截通話內容

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《量子電腦問世後的密碼學主力戰場「後量子加密技術」》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜姚荏富

密碼學這門學問對於多數的人來說可能並不是那麼熟悉，但現在構築我們的資訊世界基礎的其實就是密碼學，小到我們生活中的娛樂與通信，像是電子信件的收發、在社群網站上發文、線上消費時要用的電子支付，大到國家保護、商業資訊防護，像是銀行的資料防護系統，甚至到現在很活躍的區塊鏈技術，這些技術的核心都要仰賴密碼學為基礎去做發展。

現代密碼學是數學、電機、資訊的結合應用，其中包含了大量的資訊原理，以及數學理論，所以也可以說是數學在實務應用上的分支，隨著科技的發展，人類計算機的算力不斷的提升，相關的應用也持續在發展。

不過近年來量子運算 (Quantum computing) 技術的快速進展，也開始對現今使用的加密與解密系統帶來衝擊。其實早在1994年彼得.秀爾(Peter Williston Shor)這位數學家提出的量子質因數分解演算法(Shor演算法或是Shor公式)時，就宣告了只要人類能夠使用量子電腦，將可以快速突破 RSA 這種我們目前生活中的主流演算法(RSA為發明此演算法的三位科學家姓氏的第一個字)。

時至今日，不管是 google 的「Sycamore」還是IBM的「IBM Q System One」甚至是中國科學技術大學的「九章」，都在告訴我們量子電腦的應用在可預見的未來是會出現的，為了應對量子跳躍性的計算能力，世界上也展開了次世代資安技術的研究與規格制定，這其中以基於密碼學為發展基礎的後量子密碼學 (Post-Quantum Cryptography, PQC) 以及以量子技術為基礎的量子密鑰分發 (Quantum Key Distribution，QKD) 為目前較有名的加密方式。

不過由於 QKD 目前在開發上還有很多問待解決，美國國家安全局(NAS)目前並不建議使用這種加密系統，所以這次主題將集中在 PQC 的討論上，我們就請到匯智安全科技陳君明董事長，和我們談談究竟 PQC 怎麼從眾多加密方式中脫穎而出，而 PQC 領域現在發展的狀況又是如何呢？

早在40年前就開始的後量子密碼學，最近開始進入到大眾的視野中

陳君明表示，在過去幾十年來的加密算法主要是以質因數分解(RSA)與離散對數問題 (DSA.ECC…) 為安全基礎下去設計，直到目前為止也都是如此，但就像前面說的，1994 年 Shor 演算法 (shor’s Algorithm) 的出現，就已經預知了量子電腦的出現將可以快速突破這類利用特定「群」來設計的演算法。

不過雖然說量子電腦在破解 RSA 有非常大的優勢，但他能發揮優勢的也只是在這樣特定的領域，所以科學家們為了要防禦量子電腦在未來造成的衝擊便開始往 PQC 的方向走，而數學專業的陳董事長也剛好就是在這個時期觸到密碼學，原本就不希望數學的專才侷限在純數學的領域的關係，便順水推舟的往密碼學方向做發展。

PQC 一開始的出現並不完全是為了要防禦量子電腦的攻擊(畢竟當時也還沒發明出量子電腦)，他比較像是科學家們為了要加強我們的公鑰加密系統去做的研究，說的簡單一點，就是數學家們不斷的在開發數學工具 (演算法) 來讓我們的加密系統可以有更好的防護效果，而 PQC 是其中一個大分支，直到近期量子電腦的出現 PQC 才開始變得更主流。至於原本前面談到的RSA、ECC…過去主流的演算法也因此開始變得較為沉寂，畢竟未來會被破解的機會比較大，研究者們自然比較不會往這些舊的加密領域做太多投入。

PQC如何對抗量子電腦？

在談到如何對抗量子電腦前，我們必須先了解量子電腦到底強在哪裡。在大眾的想法中量子電腦聽起來非常厲害，應該是運算能力比我們目前使用的傳統電腦強上非常非常多的新形態電腦，但這樣的說法其實只說對了一半。

量子電腦強大的是他在解特定種類的數學問題時，可以有極為強大的運算能力(百萬倍以上)，也就是說量子電腦在做特定的事情上非常厲害，但在這些事情之外，量子電腦基本上並不會比傳統電腦更有優勢，而 PQC 就是繞過量子電腦優勢去設計的加密演算法。

「嚴格來說，利用代數結構的特性，來讓量子電腦無法發揮他的優點。」陳君明和我們說明道，但了解了PQC之所以能防禦量子運算的原因後，你大概就會發現，其實 PQC 並不是一種單純的演算法，而是「繞開量子電腦算力優勢」這種策略下出現的演算法的總稱。

目前美國國家標準技術研究院 (NIST) 已於 2016 年啟動了後量子密碼學標準化流程，並向世界公開徵求演算法，經由透明且嚴謹的程序來篩選出適合的國家標準，說的簡單一點，做為 PQC 領域領頭羊的 NIST，會先提供一個演算法的基本規則，讓大家投稿自己的演算法，接著公開這些算法讓大家去互相破解，逐步篩選出夠強的演算法，就像提供一個演算法的PK擂台，留下夠強的演算法進入下一輪篩選，2017 年通過初審的的演算法有69組，進入第二輪(2019)的有26組，晉級第三輪(2020)的有7組勝選組和8組敗部組，而NIST也將在 2022 到 2024 年經由競賽的結果，來公布國家標準的草案。

「這些數學工具(演算法)基本上都不太一樣，其中lattice是比較被看好的算法，不過真的要說誰最強並不準。」陳君明和我們說明道，在演算法的驗證過程中，要去證明一個算法是安全的其實不太可能辦到，反之我們要證明他不安全是相對容易的，所以在密碼學領域中，能夠經過千錘百鍊留下來的算法更能證明自己的安全性，同時也比較能受到大家的信任。

所以在今年底或明年初，NIST將會公布獲選的演算法，彼時就會知道未來將由哪種算法來代表PQC領域帶著世界繼續前進。

PQC這麼早就有了為什麼到現在才開始用呢？

PQC 的好處是不需要使用到量子力學(技術與設備條件較為嚴苛)，僅使用現有的傳統電腦套用函數庫，即可完成加密系統的運作且能防禦量子運算的威脅。那你可能會問，如果 PQC 這種解法這麼好用，為什麼到近年才開始成為顯學呢？當然前面有說到量子電腦的出現推了 PQC 一把，但實際上 PQC 有一個比較明顯的問題，那就是加密使用的金鑰非常巨大。

前面有說到現行使用的大宗加密方式有 RSA 和 ECC 等方法，他們的大小約為 2048 bit 上下，算是比較小的，運算上較為便利。但 PQC 的金鑰可能會大上千倍以上，這樣在存儲與運算上需要的門檻也就會有所提升。所以以過去十幾二十年前硬體存儲能力與算力的水平還不夠強的情況下，PQC 這樣的加密方式在實用上是比較麻煩的，但到了現代我們硬體有了大幅度的提升，配合上演算法的優化，PQC 的使用就沒有像過去那麼麻煩了，換句話說，現在 PQC 能走上時代舞台某個程度上也是水到渠成的結果。

PQC將如何進入我們的生活

在文章的開頭有說到，密碼學在我們的生活中是構築資訊世界的基礎，現在要將舊的算法轉換為新的算法肯定會有轉換的過渡期，也正因為密碼系統的應用面實在太廣了，所以要更新現行的公鑰加密系統會是一個非常浩大的工程。

舉例來說，最近一次大規模更換算法約在 2000 年左右，當時美國決定採用 AES 算法，各大相關企業光是將部分加密方式採用新的方法就花了近十年的時間去做調整。

同理，陳董事長認為，這次要轉換為PQC系統所需要花費的時間可能也要十年以上，但這並不代表PQC就難以執行或是還要很久才派上用場，反之可以做更靈活的應用，最簡單的方法便是將原本的資訊做風險分級，分級最高的就使用PQC來做加密，而風險分級較低的就使用原始的加密方式去做分配就是一個比較實用的做法。

隨著 NIST 的相關標準的完善，許多大企業也開始跟進 PQC 的使用，像 J.P. Morgan 在近期也已經在未來的時程表上標示準備開始導入 PQC 系統，也隨著越來越多的單位開始使用 PQC 加密系統，相應的 PQC 技術與相關產品也會應運而生。

你我都正在參與這場後量子密碼時代的揭幕，你可以不知道 PQC 背後的複雜數學原理，但我推薦各位讀者務必認識一下，當大家都在說量子電腦多強多猛的時候，世界上早就有一群科學家準備好 PQC 這張盾，來面對接下來量子運算的衝擊。

參考文獻

• NISTIR 8309, PQC Project Second Round Report | CSRC
• 【臺灣資安大會直擊】為對抗量子電腦攻擊手法，後量子加密PQC演算法有望變成未來全球加密與數位簽章新標準 | iThome
• 量子密碼學 – 維基百科，自由的百科全書
• 後量子密碼學 – 維基百科，自由的百科全書