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C4W1_作業系統入門

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C4W1 — 作業系統入門（Introduction to operating systems）

Module 1: 從開機到命令列，搞懂電腦怎麼跑

目錄

一、什麼是作業系統

1. OS 的定義

Operating System（作業系統）

硬體與使用者之間的介面。負責讓電腦高效運作，同時讓使用者能輕鬆操作。

早期電腦（1950 年代）一次只能跑一個程式，跑完要重開機再載下一個——光是想像每次開新應用都要重開機，寄個 email 就夠折騰。現代 OS 解決了這個問題：

  • 多工處理：同時跑多個應用程式
  • 外部裝置管理：存取印表機、鍵盤、滑鼠等外接設備
  • 翻譯溝通：人類用圖形或文字操作，電腦說二進位語言（0 和 1），OS 負責在中間翻譯

OS 安全（OS Security）

OS 安全涵蓋多個面向：保護檔案、管理資料存取、使用者認證（authentication），以及防範病毒（virus）、蠕蟲（worm）和惡意軟體（malware）等威脅。理解 OS 安全是資安分析師的必備基礎。

2. 常見作業系統比較

OS推出年份開源/閉源常見用途
Windows1985閉源個人電腦、企業環境
macOS1984部分開源（kernel 開源，其他閉源）個人電腦、創意產業
Linux1991完全開源伺服器、資安產業
ChromeOS2011部分開源（衍生自完全開源的 Chromium OS）教育領域
Android2008開源手機、平板
iOS2007部分開源iPhone、iPad

補充說明：

  • Windows 與 macOS 都常見於個人和企業環境。macOS 的核心（kernel）是開源的，但其他元件為閉源
  • Linux 完全開源，任何人都能存取、檢視和修改原始碼。Linux 社群的開發者自由協作改進程式碼，這也是為什麼有許多 Linux 發行版（distributions）專為安全用途設計
  • ChromeOS 衍生自完全開源的 Chromium OS，本身是部分開源
  • Android 和 iOS 是行動裝置專用的作業系統，用於手機、平板和手錶

為什麼資安特別重視 Linux

Linux 完全開源，開發者社群可以自由檢視和改進程式碼。許多 Linux 發行版專門為安全用途設計。後續課程會深入學習。

3. Legacy OS（過時作業系統）的風險

Legacy OS 就是已經停止更新但還在用的作業系統。

為什麼還有人在用？ 有些組織繼續使用 Legacy OS，因為他們依賴的軟體跟新版 OS 不相容。這在使用大量**嵌入式軟體（embedded software）**的產業特別常見——嵌入式軟體直接放在設備元件內部，更新 OS 可能讓整套設備無法運作。

風險：

  • 不再收到安全更新和補丁（patch）
  • 對新型威脅毫無抵抗力
  • 已知漏洞永遠不會被修補

即使更新也不是萬能的

即使持續更新的 OS 也可能遭受攻擊。保持系統和所有元件更新是保護 OS 的重要一環，但不是唯一手段。資安分析師需要熟悉 Legacy OS 帶來的額外風險。

漏洞追蹤資源：

資源對應 OS說明
Microsoft Security Response Center (MSRC)Windows微軟產品和服務的已知漏洞清單
Apple Security UpdatesmacOS / iOSApple 產品的安全更新和資訊
Common Vulnerabilities and Exposures (CVE) Report for UbuntuLinux (Ubuntu)Ubuntu 發行版的已知漏洞清單
Google Cloud Security BulletinGoogle CloudGoogle Cloud 產品和服務的已知漏洞清單

4. 資安分析師為什麼要懂 OS

身為組織的第一線防禦者，你需要理解 OS 來執行以下工作：

任務說明
管理存取權限設定與維護系統安全，確保只有授權使用者能存取資源
設定防火牆建立防火牆規則、制定安全政策
啟用防毒軟體保護系統免於病毒、蠕蟲、惡意軟體侵害
稽核與日誌記錄執行稽核（auditing）、記帳（accounting）和日誌記錄（logging），偵測異常行為

理解 OS 如何運作，是有效完成這些任務的基礎。當你需要調查安全事件（security event）時，能夠追蹤整個流程（使用者→應用程式→OS→硬體）有助於找出事件發生的環節。

二、OS 的內部運作

1. 開機流程（Booting）

電腦從按下電源到可以使用，經過三個階段：

① BIOS / UEFI（微晶片，啟動載入指令）
        ↓  驗證硬體健康狀況 → 執行各種載入指令
② Bootloader（軟體程式，啟動 OS）
        ↓
③ OS 載入完成，可以使用
元件說明
BIOS（Basic Input/Output System）較舊系統使用的微晶片，含開機載入指令。2007 年前的業界標準
UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）2007 年後逐漸取代 BIOS，功能相同但提供增強的安全功能
BootloaderBIOS/UEFI 最後一道指令會啟動的軟體，負責把 OS 拉起來

BIOS 和 UEFI 微晶片中包含各種載入指令，其中一項是驗證電腦硬體的健康狀況。最後一道指令啟動 Bootloader，再由 Bootloader 負責啟動 OS。

資安考量

BIOS 通常不會被防毒軟體掃描，因此可能成為惡意軟體的感染目標。UEFI 在這方面提供了更好的防護。這代表開機流程本身也可能是攻擊向量（attack vector）。

2. 任務請求四步驟

使用者透過電腦完成任何任務，都走這個流程：

使用者（User）
    ↓  發起操作（例如點擊按鈕、輸入數字）
應用程式（Application）── 執行特定任務的軟體程式
    ↓  把使用者的請求傳給 OS
作業系統（OS）
    ↓  解讀請求、分派到對應硬體
硬體（Hardware）── 實際處理的實體元件
    ↓  處理完成，原路回傳結果
        OS → Application → User 看到結果

兩個日常比喻幫助理解：

比喻UserApplicationOSHardware
餐廳點餐的客人菜單 / 點餐介面廚房（看不到裡面發生什麼，但它把訂單翻譯成具體動作）食材和設備
開車駕駛油門踏板引擎和傳動系統（駕駛不需要知道引擎怎麼運作）輪胎、軸承等實體部件

資安視角

就像技師需要比一般駕駛更了解汽車的內部運作，資安分析師也需要比一般使用者更了解電腦。理解這個四步流程，讓你能回溯追蹤（trace back）整個流程，分析安全事件可能發生在哪個環節。

3. 資源分配

OS 就像樂團指揮，負責協調所有資源，讓有限的電腦能力用在最需要的地方。

也可以用能量來比喻：跑步比看電視需要更多能量；同理，跑一次防毒掃描比打開計算機需要更多系統資源。OS 必須在各種程式之間取得平衡。

各種程式、任務和處理程序不斷地爭搶以下資源：

資源說明
CPU（中央處理器）負責運算。多個程式搶 CPU 時間，OS 負責排隊調度（scheduling）
RAM（隨機存取記憶體）短期記憶體，程式執行時暫存資料。程式關閉後釋放
Storage（儲存空間）硬碟或 SSD，長期儲存檔案（例如使用者存檔時，由硬碟處理）
I/O 頻寬輸入輸出裝置（鍵盤、螢幕、網路）的傳輸能力

OS 同時處理分配（allocating）和釋放（de-allocating），這些全在背景默默進行，使用者幾乎感覺不到。

工作管理員（Task Manager）

可以查看所有正在執行的程式，以及它們各自的 CPU 和記憶體使用量。資安分析師可以用它：

  • 發現異常：電腦突然變慢，打開 Task Manager 發現資源被不明程式吃掉——可能是惡意軟體
  • 排除故障（troubleshoot）：追蹤特定應用程式的資源使用模式，幫助判斷系統問題
  • 事件回應：了解資源使用狀況，幫助回應安全事件

三、虛擬化技術

1. 什麼是虛擬機（VM）

Virtual Machine（虛擬機）

實體電腦的軟體版本。用軟體模擬出虛擬 CPU、虛擬記憶體、虛擬儲存空間等硬體，在一台實體電腦上跑出多台「虛擬電腦」。

虛擬化（Virtualization） 是使用軟體建立各種實體機器虛擬版本的過程。「虛擬」指的是實體上不存在，但因為軟體模擬了實體硬體而能正常運作。虛擬系統不使用專屬的實體硬體，而是使用軟體定義的硬體版本（software-defined versions）——本質上，虛擬系統就是程式碼。

一台實體電腦（16GB RAM）
├── 實體 OS（4GB）
├── VM 1（4GB）── 自己的 OS，運作如獨立電腦
├── VM 2（4GB）── 自己的 OS，運作如獨立電腦
└── VM 3（4GB）── 自己的 OS，運作如獨立電腦

上面顯示：一台 16GB RAM 的電腦，把資源分給主機和三台 VM，每台各得 4GB。每台 VM 都有自己的 OS，運作起來就像一台獨立電腦。

公車比喻：一台公車載很多人，比每人各開一台車更有效率。同理，一台實體電腦跑多個 VM，比每個任務各用一台實體機更省資源。

2. VM 的兩大優勢

優勢說明實際資安應用
安全隔離（Isolation）每個 VM 是獨立的沙盒（sandbox），是主機的「訪客」（guest）。VM 之間和主機彼此隔離，一台 VM 感染惡意軟體不會擴散到其他 VM 或主機資安人員可以刻意在 VM 裡跑惡意軟體來分析，在受控環境中安全地研究威脅行為
效率（Efficiency）同時開多個 VM，快速在不同環境間切換，就像一台公車載很多人比各開一台車更省資源簡化安全測試流程，同時在多個環境中探索和測試不同應用程式

VM 不是萬能的

雖然 VM 在調查可能受感染的機器或在受限環境中跑惡意軟體時很有用，但仍有風險。惡意程式有可能逃出虛擬化環境（escape virtualization），存取到主機。永遠不要完全信任虛擬化系統的隔離能力。

3. Hypervisor（虛擬機管理器）

Hypervisor 是管理多個 VM 的軟體，主要負責：

  • 連結虛擬和實體硬體
  • 分配共用資源：在主機和各 VM 之間合理分配 CPU、RAM 等
  • 管理多台 VM 的運作
Hypervisor說明
KVM（Kernel-based Virtual Machine）開源 hypervisor，內建於 Linux kernel，大多數主要 Linux 發行版都支援。因為內建在 kernel 中，所以在任何跑 Linux 的機器上都能建 VM，不需要額外安裝軟體

4. 其他虛擬化形式

除了 VM，虛擬化還包括（有些形式不使用作業系統）：

形式說明
Virtual server（虛擬伺服器）一台實體伺服器切成多台虛擬伺服器
Virtual network（虛擬網路）更有效率地利用實體網路硬體

四、GUI vs CLI

1. 兩種介面比較

比較GUI（圖形介面）CLI（命令列介面）
外觀圖示、按鈕、視窗純文字，看起來像一行行程式碼
操作方式用滑鼠點選圖示用鍵盤輸入文字指令
同時處理一次只能做一件事可同時接受多個請求
學習門檻低（直覺操作，新手友善）高（需記指令語法，但熟練後更快）
效率新手上手快，但重複操作慢熟練後極快，適合批次處理
客製化受限於選單提供的選項高度客製化，靈活性和能力更強
歷史紀錄操作不一定會被保存到紀錄檔自動記錄所有指令到 history file

食材比喻：

  • GUI 像在餐廳點餐：只能從菜單選，想吃麵又想吃披薩得跑兩家
  • CLI 像自己去超市買食材煮：想做什麼就做什麼，完全掌控

GUI 的元件

大多數 GUI 包含三個基本元件：

  • Start menu（開始選單）：程式群組，也可以從這裡搜尋檔案或應用程式
  • Taskbar（工作列）：快速啟動常用程式
  • Desktop（桌面）：圖示和捷徑

2. CLI 對資安分析師的三大優勢

優勢說明資安應用場景
效率與批次處理一次接受多個請求，一行指令搞定重複操作。要建 100 個新檔案？CLI 一行搞定，GUI 要重複 100 次大量日誌分析、批次使用者管理、系統配置自動化
History file（歷史紀錄）Linux CLI 會自動記錄所有輸入過的指令到歷史檔案，GUI 的操作不一定有紀錄事件回應時，用 playbook 指示跑一系列指令後，可以回頭檢查歷史紀錄確認每個指令是否正確執行
追蹤攻擊者如果懷疑系統被入侵，CLI 的歷史紀錄能幫你還原操作軌跡數位鑑識（digital forensics）中追蹤攻擊者的操作路徑，重建攻擊時間線

資安分析師的日常 CLI 使用

資安分析師在日常工作中經常使用 CLI 進行：

  • 分析日誌（log analysis）：從大量日誌中過濾關鍵資訊
  • 認證與授權使用者（authenticating and authorizing users）：管理誰能存取什麼
  • 系統監控：追蹤系統狀態和異常活動

後續課程會學習如何在 Linux 中實際操作 CLI。

五、術語速查表

術語英文定義
作業系統Operating System (OS)電腦硬體與使用者之間的介面
硬體Hardware電腦的實體元件
應用程式Application執行特定任務的軟體程式
BIOSBasic Input/Output System舊系統的微晶片，含開機載入指令，2007 年前的業界標準
UEFIUnified Extensible Firmware Interface取代 BIOS 的新型微晶片，安全性更強
Bootloader—負責啟動 OS 的軟體程式
RAMRandom Access Memory短期記憶體（硬體元件），程式執行時暫存資料
過時作業系統Legacy operating system已停止更新但仍在使用的 OS
虛擬化Virtualization使用軟體建立各種實體機器虛擬版本的過程
虛擬機Virtual Machine (VM)實體電腦的軟體版本（本質上就是程式碼）
使用者介面User interface讓使用者控制 OS 功能的程式
圖形介面Graphical User Interface (GUI)用圖示管理任務的使用者介面
命令列介面Command-Line Interface (CLI)用文字指令跟電腦互動的使用者介面

關聯筆記：C3W4 安全強化 · C4W2 Linux

筆記建立日期：2026-05-27 ｜ 最後更新：2026-05-27

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