高可靠無線網路暨安全訊息通訊之研究(2/3)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

高可靠無線網路暨安全訊息通訊之研究(2/3)

期中進度報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-002-068-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日

執 行 單 位 ： 國立臺灣大學電機工程學系暨研究所

計 畫 主 持 人 ： 郭斯彥

處 理 方 式 ： 期中報告不提供公開查詢

中 華 民 國 96 年 05 月 31 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

□ 成 果 報 告

■期中進度報告

高可靠無線網路暨安全訊息通訊之研究

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC－95－2221－E－002－068

執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人：郭斯彥

計畫參與人員：王思齊、

吳明蔚

、

黃耀文、周宏儒

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫列

管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣大學 電機工程學系

中 華 民 國 96 年 5 月 30 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

高可靠無線網路暨安全訊息通訊之研究

Research on Dependable Wireless Network and Secure Message Communication

計畫編號：NSC 95-2221-E-002-068

執行期限：民國95年08月01日到96年07月31日

主持人 ：郭斯彥 台灣大學電機工程學系教授

一、中英文摘要

隨著低功率微機電與無線通訊等技術

的進步，許多學術機構和企業都積極在開

發各式各樣的感測器或無線節點，因應用

目的或開發單位不同，其大小、外觀和附

加的功能也有殊異。由具無線通訊和基本

運算能力的節點所組成的網路可統稱為

MANET (mobile ad hoc networks)，其本身

就是前瞻的研發議題。因為這類網路天生

的特性，如動態的網路拓樸、非常有限的

系統資源等等，為其發展帶來很多挑戰。

因此本計劃對於可靠度與穩定度的議題進

行深入探索，並提出從理論面到實作面的

解決方案。我們相信經由發展這方面的關

鍵技術，可有效解決未來更廣泛應用無線

隨意感測網路時的障礙。

在新一代的網路架構中，不但會存在

獨立的 MANET 環境，也會出現與不斷演

化的大型網路(如 Internet 或 3G/4G 網路)

相連結的 MANET 網路。在這應用下，使

用者經由手持裝置可以隨時隨地接收或分

享資訊串流。由於這類網路會大大增加維

護系統可靠度與穩定度的困難度。基本

上，資料備份可以有效建構具有容錯能力

的分散式應用系統。其基本原理是在不同

節點上同時擁有數份資料複本，如果原先

負責服務的節點有錯誤發生，則改由其他

有資料複本的節點接手。此外，群組成員

的加入維護或是訊息廣播等功能，都與系

統的穩定性和可擴充性密切相關，在實際

應用層面的考量上，由於分散式計算環境

潛在的不同步性，使得我們無法精確的預

估不同裝置間通訊延遲、時脈偏移與執行

時間的上限。眾多的研究指出，與資訊可

靠性相關的問題，將變得極複雜和困難。

為了本計劃更具有實用價值，我們將致力

於研究在分散式環境下錯誤偵測服務以及

群組成員協定等基礎問題的解決之道。

另外，企業對資訊科技的依賴越來越

大，垃圾郵件已變成每日生活的一部份，

隨之而來的，對於面臨資安威脅也愈來愈

多，故資安相關議題日趨重要。然而，放

眼今日全球資安產業，所有廠商均集中於

發展硬體式的安全防護，這類解決方案只

能治標式地在出現安全漏洞時，進行各種

防堵措施，卻未能從最源頭，及程式設計

之初，便完全避開可能產生任何安全風險

的疑慮，讓政府與企業均能安心、安全地

以資訊作業，提高工作效率與商業效益。

本計畫以高可靠無線網路暨安全訊

息通訊之研究為主軸，我們仔細觀察並擬

定三項子題目，做為研究主題：(1) 在移

動無線網路環境下動態基礎結構之可靠

度；(2) 評估並解決隱私暨安全管理；(3)

實際可行之 Web 應用軟體安全性驗證。

關鍵詞：無線隨意網路、錯誤偵測、系統

可靠度、隨機分散式演算法、垃圾郵件、

Web 應用程式安全、程式碼漏洞

Abstract

Thanks to the advances in wireless

communication technology, we believe that a

deeper understanding of MANET (mobile ad

hoc networks) is necessary. If fact, these

networks pose significant challenges in

academia due to their unique characteristics.

dependability-related issues will play a key

role in system development.

In this project, we aim to investigate

fault-tolerant computing and dependable data

communications in wireless ad hoc networks.

Basically, we provide fault tolerance via

failure detectors, randomized distributed

schemes, and data replication. Furthermore,

we introduce the concept of cross-layer

design to guarantees higher system stability

in a mobile wireless environment.

On the other hand, both enterprises and

individuals is relying more and more on ICT

(information and communication

technology). Consequently, we face greater

threat from the outside cyberspace. However,

most security vendors addressed existing

security threat from the view point of

network solution and hardware approach,

while these root causes of most security

vulnerabilities are at the source – the source

code. It is essential to fix the bug at the

earliest stage of SDLC and prevent any

possible vulnerability before it actually takes

place.

The main theme of this project is

“research on dependable wireless networks

and secure message communications”. It

consists of three sub-projects, namely (1)

Survivability of Dynamic Infrastructures in

Wireless Ad Hoc Networks; (2) Evaluating

and Resolving Privacy and Security

Management; and (3) A Practical

Verification Platform for Web Application

Security.

Keywords: Mobile Ad hoc Networks,

Failure Detectors, System Dependability,

Randomized Distributed Algorithms, Spam

e-mails, Web Application security, Source

Code Vulnerabilities.

二、前言

本研究計畫由三個面向來探討高可

靠 無 線 網 路 暨 安 全 訊 息 通 訊 之 研 究 主

題。第一階段的主題是探討無線環境下之

可靠度，包括網路的拓樸控制，尤其影響

無線行動網路效能的最重要因素在於組

成網路的行動節點能源保存的能力，由於

能源的消耗主要來自於持續進行的資料

通訊，因此我們需要在設計網路拓樸演算

法時就將能源效能的理念導入，以建構用

來進行資料通訊的虛擬骨幹。

第二階段的主題則是提供無線行動

網路錯誤偵測的機制。當錯誤被偵測出來

之後，群組成員協定則提供了群組內協調

狀態的管道，利用這個管道各成員將可更

新內部的狀態資訊，並選出新的領導者。

在以往的研究中多只針對電腦叢集或具

有 高 度 同 質 性 的 固 接 式 分 散 式 環 境 討

論，很少有在無線網路上的探討。因此我

們必須構思如何對過去群組成員協定的

方法做相關的調整與修正。

至於第三階段在於探討系統之隱私

及安全之問題，尤以垃圾郵件及監視軟體

為近幾年最嚴重的問題，有迫切解決之需

要。從諸多報告顯示，目前並沒有有效解

決此問題之完整方案，是以我們從系統面

切入，以最少之資源，提出最有效之機

制，期使一般使用者亦能有效地管理自身

的隱私權及安全性問題，遏止垃圾郵件及

監視軟體之入侵。

五、研究方法

首先，系統可靠度是指一個應用系統

能否在錯誤隨時都可能發生的情況下，還

能 夠 長 時 間 保 持 在 可 使 用 且 穩 定 的 狀

態。要提高系統可靠度，我們必須有容錯

的機制，而錯誤偵測(failure detection)是所

有容錯議題的核心。常見的錯誤偵測的型

式有兩種：推動(push)和拉出(pull)，兩種

型式的差別在於錯誤偵測資訊的流動方

向。一般而言，拉出式的錯誤偵測比較不

需要額外的控制訊息。一個分散式環境所

能提供的錯誤偵測品質，會影響建構在其

上的應用系統效能。所謂錯誤偵測的品質

主要是指偵測時間(detection time)與準確

度(accuracy)。提昇錯誤偵測的品質往往需

要消耗多餘的系統資源，找出在花費代價

最 少 的 情 況 下 提 供 合 理 偵 測 品 質 的 方

法，對於系統設計者來說是關鍵與重要

的。在同儕網路這類的大型系統中，通常

成員的數目眾多，這時如何安排錯誤偵測

的架構將是相當重要的議題，因為大量的

錯誤偵測會消耗過多的網路頻寬、處理時

間等重要的系統資源，所以可以引進階層

式錯誤偵測的概念。綜而言之，主要關聯

在於提供由錯誤偵側為基礎的中介軟體。

群組成員協定的主要目的就是用來

維持群組成員狀態的一致性。要研究群組

成員協定，在理論基礎上必須討論的議題

相當多[32-34]。首先，如上所述，對於每

一個成員，我們要利用系統提供的錯誤偵

測機制來更新其可能出錯(suspect)的成員

名單。再來，對於負責管理群組的程式，

要能夠根據即時的狀態資訊與狀態轉換

圖(state transition diagram)採取適當的步

驟。事實上，因為錯誤偵測所需要的基本

功能之一本來就是週期性對於資料的散

佈(dissemination)和匯集(aggregation)，一

個明顯的例子為定期告知整體系統失去

功能的成員名單。所以我們也需將訊息傳

送的機制納入設計的考量。

首先，第一個子題重點在如何有效率

地 利 用 各 節 點 的 暫 存 資 料 進 行 錯 誤 回

復，其基本的想法是，為了加快修復的速

度與節省網路資源，希望能儘可能找到最

低成本的節點來重新傳送資料。然而，相

較於傳統的固接網路，MANET 的架構更

需將節點與連結的暫時性失效、網路拓樸

變 化 以 及 系 統 本 身 的 不 同 步 性 納 入 考

量。換句話說，因為這類網路充滿變動，

所以設計演算法時要克服對系統資訊局

部性的限制。本計劃將採取分散隨機式演

算法來解決容錯方面的議題。簡單來說，

若出現因繞路等因素引起的逾時等待或

資料更新錯誤，可啟動一個以上以隨機移

動為基礎的修復程序，如下圖所示。

repair of o U u r rwr the broken route

unknown topology the target object the original route

ack timer is annulled rwu local timer path crossing LEGEND random walker v o repair of o U u r rwr the broken route

unknown topology the target object the original route

ack timer is annulled rwu local timer path crossing LEGEND random walker v o

圖一、以隨機移動為基礎的繞路修復。

其次，第二個子題重點在隱私暨安全

管理，我們以垃圾郵件問題為研究標的，

主要鑑於垃圾郵件已變成每日生活的一

部份，為解決此迫切議題，我們檢視既有

的防堵垃圾郵件之解決方案，同時並探討

為何既有的方案並不能有效解決當前的

垃圾信件問題。我們發現，大部分的垃圾

郵 件 對 於 方 法 拆 解 (munging) 及 過 濾

(filtering)都可以規避，而對列表(listing)

及 修 正 (shaping) 則 容 易 誤 判 ， 挑 戰

(challenging) 則 不 夠 方 便 ， 身 份 轉 換

(identity-hopping) 則 目 前 尚 未 普 遍 。 因

此，我們提出的作法具有一定的實用價

值。

最後，在第三個子題─實際可行之

Web 應用軟體安全性驗證方面，我們所發

展出的解析器為「結合樹擴張與樹剪枝之

高效能解析器」。此技術已申請專利，創

新性是能利用樹擴張來同時確保程式碼

的完整性與有效性，再利用樹剪枝簡化不

必要的節點，重組結構樹以達成本最佳

化。採用上述的創新作法能讓解析器的執

行速度大幅提昇，以達到對效能的要求。

六、結果與討論

在第一個子題部分，由於相關技術的

進步和實際應用上的需求，無線隨意感測

網路在可預見的未來將有非常快速的發

展。而可靠度與可擴充性的問題在這類應

用的研究上是非常關鍵的，若能掌握這方

面的技術，就能在領域占有一席重要的地

位。事實上，由過往發展網際網路等系統

的經驗可知，完善的關鍵技術是建構高韌

性 與 高 穩 定 性 應 用 系 統 不 可 或 缺 的 核

心。因為這領域的快速成長，很多重要的

關鍵技術都還處於探索的初期，不夠成熟

和完備，或是受限於目前的工程技術水準

而難以預塑未來樣貌，因此更有進行這方

面工作的必要。另外參與人員將可獲得與

容錯機制設計相關的背景知識，擁有實作

分散隨機式演算法和理論推導的經驗，並

可學習如何使用適當的模擬工具和實驗

平台來驗證成果。

在第二個子題部分，為達到有效遏阻

及防堵，本計畫以多面向之防垃圾信機

制，包括(1)列表合法寄件者；(2)將郵件

貼上標籤以及(3)挑戰可能的垃圾郵件寄

送者。我們提出的防垃圾信代理人(SRMA)

與既有的郵件轉送代理程式(MTA)拋棄

式郵件位址(DEA)合作。此多面向整合的

解決方案可以有效將垃圾郵件寄送者阻

擋在系統之外。

在第三個子題部分，軟體驗證技術粗

略 可 分 為 靜 態 分 析 與 動 態 分 析 兩 種 方

法。靜態分析之優點在於效率，不影響程

式 之 執 行 ； 但 是 由 於 必 須 在 編 譯 期

(compile-time)預估程式在執行時(runtime)

所有可能的狀態，因此常受限於狀態擴張

(state explosion)之問題而無法有效驗證較

大之程式碼。此問題使得許多靜態軟體驗

證技術無法取得實際之應用。動態驗證是

在程式執行之同時執行驗證，比較準確並

且沒有狀態擴張之問題；其缺點則是會減

緩程式之執行速度。在分析 Web 應用程

式之程式碼之前，我們先將目前 Web 應

用程式之弱點正規化(formalize)為安全資

料流(secure information flow)之問題。這種

作法讓我們將複雜的 Web 程式碼資安漏

洞正規成以一種自動狀態機，即 Latice 模

型，此乃資訊安全中之典型問題。

本年度至目前討論的結果為止完成之

工作項目包含下列各項：

1.

在無線感測網路上導入自我組

織機制。

2.

發展模擬器以初步評估演算法

的效能並持續修正不足之處。

3.

瞭解多面向防垃圾信件之機制

的系統可行度及實作細節。

4.

瞭解傳統軟體工程正規驗證演

算法

5.

分析並測試各種網頁應用程式

相關安全協定及標準。

下年度之計畫預計將研究如何瞭解

各種錯誤偵測和容錯功能如何與網路其

它層級協同運作。，其目標如下：

1.

設計無線隨意網路上錯誤修復

的分散隨機式演算法。

2.

以模擬器來驗證所建構的容錯

機制帶來的增益。

3.

設計多面向防垃圾郵件之機制。

4.

探討並評估傳統軟體工程正規

驗證演算法。

5.

瞭解多面向防垃圾信件之機制

的系統可行度及實作細節。

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八、計畫成果自評

本計畫以高可靠無線網路暨安全訊息

通訊之研究為目的，從三個面向探討此主

題，包括：(1)提高移動無線網路環境下可

靠度與可擴充性；(2)評估並解決隱私暨安

全管理，以及(3)實際可行之 Web 應用軟體

安全性驗證。三個子題所提出之作法皆具

創新性與技術深度，目前已被接受之研究

論文即達九篇(條列如後)，成果頗為豐碩。

(1) Ming-Wei Wu, Yennun Huang, Ing-Yi

Chen, Shyue-Kung Lu and Sy-Yen Kuo,

“A Multi-Faced Approach towards

Spam-Resistible Mail,” IEEE The 11th

International Symposium on Pacific

Rim Dependable Computing (PRDC

2005), Dec.12-14, 2005.

(2) Ming-Wei Wu, Yennun Huang, and

Sy-Yen Kuo, “A Multi-Faced Approach

towards Spam-Resistible Mail.” IEEE

DSN 2005 Fast Abstracts, Jul. 2005.

(3) Yi-Min Wang, Roussi Roussev, Chad

Verbowski, Aaron Johnson, Ming-Wei

Wu, Yennun Huang, Sy-Yen Kuo,

“Gatekeeper: Monitoring Auto-Start

Extensibility Points (ASEPs) for

Spyware Management”. USENIX LISA

2004: 33-46

(4) Yao-Wen Huang, Chung-Hung Tsai,

Tsung-Po Lin, Shih-Kun Huang, D. T.

Lee, Sy-Yen Kuo, “A testing

framework for Web application security

assessment.” IEEE Computer Networks

48(5): 739-761 (2005)

(5) Yao-Wen Huang, Fang Yu, Christian

Hang, Chung-Hung Tsai, D. T. Lee,

Sy-Yen Kuo, “Verifying Web

Applications Using Bounded Model

Checking.” IEEE DSN 2004: 199-208

(6) Yao-Wen Huang, Chung-Hung Tsai, D.

T. Lee, Sy-Yen Kuo, “Non-Detrimental

Web Application Security Scanning.”

ISSRE 2004: 219-230

(7) Yao-Wen Huang, Fang Yu, Christian

Hang, Chung-Hung Tsai, Der-Tsai Lee,

Sy-Yen Kuo, “Securing web application

code by static analysis and runtime

protection.” WWW 2004: 40-52

(8)

Hong-Zu Chou, Szu-Chi Wang,

Ing-Yi

Chen,

and Sy-Yen Kuo,

“

Randomized and Distributed Methods for Reliable Peer-to-Peer Data Communications in Wireless Ad Hoc Networks

,”

to appear in IET Communications (formerly IEE Proceedings Communications)

(9)

Hong-Zu Chou, S. C. Wang, and Sy-Yen Kuo, " Randomized Distributed Algorithm for Peer-to-Peer Data Replication," Fast Abstract of IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks (DSN), June 2007.