現有資安機制在「資源受限設備」與「高強度驗證」之間存在矛盾，傳統加密方式在無硬體加速的低算力設備上效能不彰，成為資料驅動學習環境的一大挑戰。
本研究提出一種輕量化安全傳輸機制。核心技術整合ECDH金鑰交換與Ed25519簽章技術，利用Ed25519的高效率與防碰撞特性優化驗證流程，並採用ChaCha20對稱加密技術進行通訊的加密。此架構旨在確保工程教學數據完整性的同時，大幅降低邊緣端裝置的運算延遲。研究成果將為XR遠端實驗室提供流暢的安全通訊框架，縮減軟硬體性能造成的數位落差，進而優化STEM教育的數位學習體驗。
第15屆工程、技術與STEM教育研討會 2026 Conference of Engineering, Technological & STEM Education
內容大綱
隨著Industry 4.0浪潮席捲全球，工程教育正經歷深層次的數位轉型。為了落實永續導向工程課程並克服時空限制，「資料驅動」與「XR（延展實境）」支撐的遠端實驗室已成為現代工程教學的關鍵基礎設施，這類環境強調Data-rich的互動特質，透過AR、VR、MR技術，學生得以在虛擬環境中操作高危險性或高成本的工業設備，實現模擬與應用科學的深度學習。
在XR遠端教學的情境下，為了維持沈浸式體驗並防範教學數據遭竄改，邊緣端設備（如VR頭盔、行動載具）與實驗室伺服器間需進行高頻率的即時數據交換，目前的通訊協定如「TLS (Transport Layer Security)」雖已優化，但在首次建立交握協議時仍需使用算力要求較高的非對稱加密演算法 (Rescorla, 2018)，對於性能較為薄弱的教學裝置而言，過重的運算負荷往往導致傳輸延遲，進而造成學習者的視覺與體感不一致，嚴重影響問題解決與評量的精準度。
儘管資訊安全在物聯網（IoT）與教育網路中日益受到重視，但在資源受限的教學裝置應用上，往往為了滿足低效能運作而選擇犧牲安全性，傳統通訊協定在處理非對稱演算時效能消耗巨大，雖有TLS 1.3等演算法演進，但在無硬體加速的低成本教學晶片上仍顯吃力。雖然ChaCha20在無硬體加速的情況下優於AES (Barannik, 2023; Sukhwinder Singh Sran, Harmandeep Singh, Puneet Mittal, Manoj Kumar & Sukhwinder Sharma, 2024)，且ECDH在效率上優於RSA (A. Langley, M. Hamburg & S. Turner, 2016)，但如何整合出一套能同時滿足「極致輕量化」與「高強度身分驗證」的傳輸架構，仍是目前資料驅動工程學習環境中的一大挑戰。
有鑑於此，本研究擬提出一種基於ECDH金鑰交換與Ed25519簽章技術之輕量化安全傳輸機制，Ed25519具備極高的簽章與驗證效率，且能解決傳統ECDSA隨機數碰撞的安全性問題 (S. Josefsson & I. Liusvaara, 2017; Daniel J. Bernstein, Niels Duif, Tanja Lange, Peter Schwabe & Bo-Yin Yang, 2011)，透過簡化交握流程並採用ChaCha20進行對稱加密，本研究旨在確保工程教育數據完整性的同時，大幅降低邊緣端裝置的運算延遲。此機制預期能為XR遠端實驗室提供更流暢的安全通訊框架，縮減教學設備性能對資安防禦的數位落差，進而革新工程與STEM的學習體驗。
本研究預期將選定一篇測試文章，使通訊雙方各自穿插擷取一部份，透過交互傳遞各自所持之部分內容，最終拼湊回原始文章。透過Python程式將其以逐字、逐詞、逐句方式，以常見的TCP協定進行傳輸，觀察在不同演算法下效果如何。這種作法預期可以觀測到在不同的傳輸場景中（如長時間高頻傳遞短內容，或短時間傳遞長內容等），各種演算法的運算效率。
頒獎典禮與致謝
