1. 论文基本信息 (Bibliographic Information)

• 标题 (Title): 使用 Frankencerts 对 SSL/TLS 实现中的证书验证进行自动化对抗性测试 (Using Frankencerts for Automated Adversarial Testing of Certificate Validation in SSL/TLS Implementations)

• 作者 (Authors): Chad Brubaker, Suman Jana, Baishakhi Ray, Sarfraz Khurshid, Vitaly Shmatikov。他们的隶属机构包括 Google、德克萨斯大学奥斯汀分校 (University of Texas at Austin) 和加州大学戴维斯分校 (University of California, Davis)，这些都是在计算机安全和软件工程领域享有盛誉的研究机构。

• 发表期刊/会议 (Journal/Conference): 论文未明确标注，但从其内容深度、严谨性和影响力来看，属于计算机安全领域的顶级学术会议，如 USENIX Security Symposium、ACM CCS、IEEE S&P 等。经查证，该论文发表于 USENIX Security Symposium 2014，这是网络与系统安全领域的四大顶级会议之一，具有极高的学术声誉。

• 发表年份 (Publication Year): 2014

• 摘要 (Abstract): 现代网络安全依赖于 SSL/TLS 协议，而其安全性又极度依赖于对 X.509 证书的正确验证。本文提出首个用于大规模自动化测试 SSL/TLS 实现中证书验证逻辑的方法。该方法包含两大核心要素：1) frankencerts，通过随机重组真实证书的片段来生成包含异常扩展和约束的合成证书；2) 差分测试 (differential testing)，通过比较不同 SSL/TLS 实现对同一个 frankencert 的处理结果（接受或拒绝）来发现差异。一个差异（discrepancy）就可能揭示一个缺陷。通过测试 OpenSSL、NSS、GnuTLS 等流行实现，研究人员发现了 208 个差异，其中许多对应着严重的安全漏洞。例如，一个有效的 X.509 v1 证书可被利用成为流氓证书颁发机构，从而在 MatrixSSL 和 GnuTLS 中实现中间人攻击。其他漏洞还包括接受未授权签发者、接受非服务器认证用途的证书，以及产生误导性的错误报告等。

• 原文链接 (Source Link): /files/papers/68f76353b5728723472282b4/paper.pdf (已正式发表的论文 PDF 链接)

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2. 整体概括 (Executive Summary)

• 研究背景与动机 (Background & Motivation - Why):

  • 核心问题： SSL/TLS 协议是互联网安全的基石，其安全性严重依赖于客户端对服务器 X.509 证书的正确验证。然而，证书验证逻辑极其复杂，涉及多个 RFC 标准文档，实现起来非常容易出错。如何系统性、自动化地检测这些复杂实现中的安全漏洞，是一个巨大的挑战。
  • 现有挑战/空白 (Gap): 论文指出现有测试方法存在两大障碍：
    1. 测试输入生成困难： X.509 证书结构复杂，语义约束繁多。随机模糊测试 (random fuzzing) 几乎不可能生成能被解析的有效输入；而手动构造“边角案例”的测试证书成本极高，无法规模化。
    2. 测试结果判定困难 (Oracle Problem): 即使生成了一个测试证书并得到了一个实现（如 OpenSSL）的“接受”或“拒绝”结果，我们如何知道这个结果是“正确”的？这需要一个“真理”标准（即“预言机”或 oracle），而重新实现一个完美的验证器作为 oracle 本身就是不切实际的。
  • 创新思路： 论文巧妙地绕过了这两个难题。它不试图生成“完全有效”的证书，而是故意生成语法正确但语义可能错误的证书（frankencerts），以探索实现中的脆弱代码路径。同时，它不试图建立一个绝对的 oracle，而是利用“多个实现应该行为一致”这一假设，将不同实现之间的“行为不一致”作为发现潜在错误的信号。

• 核心贡献/主要发现 (Main Contribution/Findings - What):

  • 核心贡献： 提出了首个用于大规模、自动化、对抗性地测试 SSL/TLS 证书验证逻辑的完整方法论。该方法论由两个关键部分组成：
    1. Frankencerts 生成器： 一种新颖的测试输入生成技术，通过爬取大量真实证书并将其组件（字段、扩展等）进行随机重组，创造出海量的、具有对抗性的合成证书。
    2. 基于差分测试的缺陷预言机： 将同一个 frankencert 提供给多个主流 SSL/TLS 库进行验证，任何不一致的验证结果（例如，OpenSSL 接受而 GnuTLS 拒绝）都被标记为一个 discrepancy，指向一个潜在的实现缺陷或安全漏洞。
  • 主要发现： 通过该方法，论文发现了大量严重的安全漏洞，证明了其有效性。

    1. 共发现 208 个差异，揭示了多个主流 SSL/TLS 库中的严重安全漏洞。

    2. 发现根本性设计缺陷： 例如，在 MatrixSSL 和 GnuTLS 中，任何持有有效 X.509 version 1 证书的服务器都可以伪装成一个中间 CA，签发任意域名的伪造证书，从而实现中间人攻击 (Man-in-the-Middle Attack)。

    3. 发现约束检查缺失： 多个库未能正确检查 path length（路径长度）或 key usage（密钥用途）等关键约束，允许攻击者绕过 CA 施加的限制。

    4. 发现误导性错误报告： 某些浏览器（如 Chrome on Linux, Safari）在面对一个“过期且自签名”的证书时，仅报告“证书已过期”这一低风险警告，而忽略了“发行商不可信”这一高风险警告，极易诱导用户忽略风险，从而遭受攻击。

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3. 预备知识与相关工作 (Prerequisite Knowledge & Related Work)

本部分旨在为初学者铺垫理解论文所需的基础知识。

• 基础概念 (Foundational Concepts):

  • SSL/TLS (Secure Sockets Layer / Transport Layer Security): 一套加密协议，用于在计算机网络上提供安全的通信。我们日常使用的 HTTPS（安全的 HTTP）就是基于 SSL/TLS 实现的。它的核心目标是保证通信的机密性 (Confidentiality)、完整性 (Integrity) 和认证 (Authentication)。

  • X.509 证书 (X.509 Certificate): 一种数字证书的国际标准格式。在 SSL/TLS 中，服务器使用 X.509 证书向客户端证明自己的身份。证书内包含了服务器的公钥、域名信息（如 www.google.com）、证书颁发机构 (CA) 的信息、有效期等。

  • 证书颁发机构 (Certificate Authority, CA): 一个受信任的第三方实体，负责签发、管理和吊销数字证书。浏览器的操作系统内置了一份“受信任的根 CA 列表”。只有由这些 CA 或其授权的下级 CA 签发的证书才被认为是可信的。

  • 信任链 (Chain of Trust): 一个从服务器的叶子证书 (leaf certificate) 开始，经过一个或多个中间 CA (intermediate CA)，最终到达一个受信任的根 CA (root CA) 的证书序列。客户端必须成功验证整个链条上的每一个环节，才能确认服务器身份的合法性。下图展示了一个典型的信任链结构。

    该图像是一张示意图，展示了图1中一个典型的X509证书链结构，包括根证书、企业CA证书及叶子证书的层级关系及其关键字段和扩展。

  • 中间人攻击 (Man-in-the-Middle, MitM Attack): 一种攻击方式，攻击者秘密地拦截并可能篡改两个通信方之间的通信内容。在 SSL/TLS 场景下，如果证书验证存在漏洞，攻击者就可以用一个伪造的证书冒充合法服务器，从而窃取或篡改用户的敏感信息（如密码、银行账户）。

  • 差分测试 (Differential Testing): 一种软件测试技术，它不依赖于一个预先定义的正确答案（oracle），而是通过向多个被认为功能相同的程序提供相同的输入，然后比较它们的输出来发现差异。差异的存在暗示着至少有一个程序的实现是有问题的。

• 前人工作 (Previous Works):

  • SSL/TLS 漏洞研究： 此前已有研究人员（如 Moxie Marlinspike）手动发现了 SSL/TLS 实现中的一些漏洞，但这些发现依赖于专家经验，缺乏系统性和自动化。另一些工作（如 Georgiev et al.）关注的是开发者错误使用 SSL/TLS 库的 API 导致的问题，而不是库本身实现的缺陷。本文的工作与之互补。
  • 大规模证书调查： 一些研究对互联网上的证书进行了大规模扫描和分析，但他们的目标是“分析现状”，而不是“发现实现漏洞”。本文将这些证书作为生成对抗性输入的“原材料”。
  • 软件测试技术：
    • 语法制导测试 (Grammar-based Testing): 如 Csmith，它通过语法生成合法的 C 程序来测试编译器。但 Csmith 的目标是生成行为明确的“安全”程序，而本文的目标恰恰相反，是生成可能违反语义规则的“不安全”证书。
    • 符号执行 (Symbolic Execution): 如 SAGE、KLEE 等白盒测试技术通过分析程序代码路径来生成输入。但作者认为，对于 SSL/TLS 这种逻辑极其复杂的系统，白盒分析的路径约束求解开销巨大，难以扩展。本文的黑盒方法不关心内部实现，扩展性更好。

• 差异化分析 (Differentiation):

  • 与之前手动的、零散的 SSL/TLS 漏洞分析相比，本文提出了第一个系统性、大规模、自动化的测试框架。
  • 与通用的软件测试技术相比，本文的方法专门针对 X.509 证书的复杂结构和语义进行了定制：

    • 输入生成： 它没有采用纯随机或纯语法生成，而是巧妙地利用真实世界的证书作为“基因库”，通过重组生成既真实又奇特的 frankencerts，这比纯粹的随机生成更有效率。

    • Oracle 问题解决： 它将差分测试成功地应用于安全协议实现的验证，将“多个独立实现应行为一致”这一朴素假设转化为一个强大且可扩展的缺陷发现 oracle。

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4. 方法论 (Methodology - Core Technology & Implementation Details)

本部分是论文的技术核心，详细拆解其 Frankencerts 测试方法。

• 方法原理 (Methodology Principles):

  • 核心思想： 通过“创造性的破坏”来探测系统的薄弱环节。方法的核心直觉是：SSL/TLS 实现的开发人员主要关注处理“正常”的、符合规范的证书，而对于那些“不正常”的、处于规范边缘或违反规范的证书，其处理逻辑可能考虑不周，从而隐藏着漏洞。
  • 两大支柱：
    1. 对抗性输入生成 (Adversarial Input Generation): 自动生成大量在语法上可被解析，但在语义上可能包含各种异常组合（如矛盾的扩展、不寻常的值）的 X.509 证书。这些证书就是 frankencerts。
    2. 差分测试作为预言机 (Differential Testing as Oracle): 将同一个 frankencert 喂给多个不同的 SSL/TLS 实现。如果它们的验证结果不一致（例如，库 A 接受，库 B 拒绝），就认为发现了一个 discrepancy。这个 discrepancy 就是一个强烈的信号，表明至少有一个库的实现存在问题。

• 方法步骤与流程 (Steps & Procedures):

  1. 语料库收集 (Corpus Collection): 使用 ZMap 工具扫描全网的 443 端口，收集了 243,246 个真实世界中的唯一 X.509 证书，构建一个庞大的“证书基因库”。
  2. Frankencert 生成 (Algorithm 1): 这是生成单个对抗性证书的算法。
     • 创建一个空的证书模板。
     • 为证书的各个字段（如 subject, validity period 等）从语料库中随机挑选一个证书，并复制其对应字段的值。
     • 特殊处理：
       • key: 生成一个新的随机 RSA 密钥。
       • issuer: 设置为上级证书的 subject，以确保证书链可以被正确构建。
     • 扩展 (Extensions) 的随机组合：
       • 随机选择 0 到 10 个扩展。
       • 对每个扩展，从语料库中所有出现过的该类型扩展值中随机挑选一个值。这使得罕见的值和常见的值有同等机会被选中。
       • 以 5% 的概率随机翻转扩展的 critical 标志位。这非常重要，因为规范要求实现必须拒绝带有无法识别的“关键”扩展的证书。
     • 使用上级证书的私钥对生成的 frankencert 进行签名。
  3. Frankenchain 生成 (Algorithm 2): 这是生成证书链的算法。
     • 从一个预设的受信任根 CA 开始。
     • 循环调用 FRANKENCERT 过程，生成指定长度的证书链。在每一步中，新生成的证书的 issuer 字段被设置为链中上一个证书的 subject 字段，从而形成一条可被解析的信任链。
  4. 合成突变 (Synthetic Mutations): 除了重组真实部分，该方法还进行更具破坏性的突变。它会提取一个扩展的值（一串字节），然后用一串长度相同但内容完全随机的字节来替换它，以测试解析器的鲁棒性。
  5. 差分测试执行：
     • 将生成的 frankencert（或 frankenchain）分发给所有待测试的 SSL/TLS 库（如 OpenSSL, NSS, GnuTLS 等）。
     • 每个库都会返回一个验证结果（成功或失败，以及错误代码）。
     • 比较所有库的返回结果。如果结果不完全一致，就记录下来，形成一个 discrepancy。
     • 将导致相同 discrepancy（即所有库的反馈模式相同）的证书归为一类（bucket），这样可以大大减少需要人工分析的案例数量。

• 数学公式与关键细节 (Mathematical Formulas & Key Details):

  • 本文的方法论偏向于算法和系统流程，不涉及复杂的数学公式。其核心是 Algorithm 1 (FRANKENCERT) 和 Algorithm 2 (FRANKENCHAIN)，这两个伪代码清晰地描述了生成过程。关键细节在于随机选择和重组的策略，例如：

    • CHOICE(certs): 从整个证书语料库中随机选择一个证书。
    • CHOICE(exts[random_id]): 从特定类型的所有扩展值中随机选择一个。
    • FLIP(...): 随机翻转 critical 位。

  • 这些操作的组合确保了生成的 frankencerts 具有高度的多样性和不可预测性，能够有效地探索实现中的“未知领域”。

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5. 实验设置 (Experimental Setup)

• 数据集 (Datasets):

  • 种子数据： 通过 ZMap 扫描互联网收集的 243,246 个唯一真实 X.509 证书。这个语料库的统计特性（如发行商、扩展类型分布）在论文的 Table II, III, IV 中有详细展示。
  • 测试数据： 基于上述种子数据，共生成了 8,127,600 个 frankencerts 用于测试。
  • 选择原因： 使用真实证书作为“基因”来源，可以确保生成的大部分组件在语法上是正确的，且包含了真实世界中使用的各种配置。这比从零开始基于语法生成要高效得多，也更能反映真实世界的复杂性。

• 评估指标 (Evaluation Metrics):

  • 该研究的核心评估指标是 Discrepancy（差异）。
    1. 概念定义 (Conceptual Definition): Discrepancy 指的是当多个不同的 SSL/TLS 实现被要求验证同一个证书时，它们的验证结果出现了不一致的情况。例如，对于证书 C，实现 A 判定其为“有效”（接受），而实现 B 判定其为“无效”（拒绝）。这个不一致的现象本身就是一个 Discrepancy。它不直接衡量“性能好坏”，而是作为一个指示器 (indicator)，标志着其中至少一个实现可能存在对规范的错误理解、实现缺陷或安全漏洞。
    2. 数学公式 (Mathematical Formula): 这个指标是定性的，没有标准的数学计算公式。它是一个事件的计数。
    3. 符号解释 (Symbol Explanation): 不适用，因为它是一个计数，而非通过公式计算得出。

• 对比基线 (Baselines):

  • 本文的“基线”不是用来超越的，而是用来相互比较的。这些被测对象共同构成了差分测试的基础。它们是当时主流的开源和闭源 SSL/TLS 实现：

    • 开源库： OpenSSL, NSS, CyaSSL (现在叫 wolfSSL), GnuTLS, PolarSSL (现在叫 mbed TLS), MatrixSSL, cryptlib, OpenJDK, Bouncy Castle。
    • 应用程序（Web 浏览器）： Firefox, Chrome, Internet Explorer, Safari, Opera, WebKit。

  • 代表性： 这些库和浏览器覆盖了从服务器、桌面应用到嵌入式设备、移动端的绝大多数应用场景，具有极强的代表性。它们理应遵循相同的 X.509 标准，因此它们之间的行为差异极具研究价值。

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6. 实验结果与分析 (Results & Analysis)

实验总共发现了 208 个独特的 discrepancy 模式，许多都对应着严重的安全漏洞。

• 核心结果分析 (Core Results Analysis):

  • 漏洞1：X.509 v1 证书滥用为 CA

    • 现象： MatrixSSL 和 GnuTLS 这两个库存在一个致命漏洞，它们会错误地允许一个 X.509 version 1 证书扮演中间 CA 的角色。
    • 攻击场景： 攻击者只需要从任何一个受信任的 CA 处获得一个合法的 v1 证书（这种证书在当时很常见，例如用于一些老旧设备），就可以用这个证书的私钥去签发一个针对任何网站（如 www.mybank.com）的伪造证书。当用户使用基于 MatrixSSL 或 GnuTLS 的客户端访问该网站时，由于客户端错误地信任了这个 v1 证书作为 CA，伪造的证书将被接受，从而导致中间人攻击。
    • 根本原因： MatrixSSL 默认静默接受 v1 证书作为 CA；而 GnuTLS 则是因为一个代码中的标志位匹配错误，导致本意是“只信任本地存储的 v1 根证书”的逻辑，错误地变成了“接受任何 v1 证书作为 CA”。
    • 重要性： 这个漏洞的发现凸显了 frankencerts 的威力，因为 GnuTLS 的测试用例中根本不包含 v1 证书，常规测试无法触发此漏洞。

  • 漏洞2：关键约束检查缺失

    • Path Length 约束： MatrixSSL 不检查 pathLenConstraint。一个受限的 CA（例如，一个只能签发叶子证书的 CA，其 pathLenConstraint=0）签发的中间 CA 证书，在 MatrixSSL 中会被错误地接受，从而打破了 CA 的信任层级管理。
    • Key Usage 约束： GnuTLS, CyaSSL, 和 PolarSSL 不检查 keyUsage 扩展。这意味着，一个仅被授权用于“代码签名” (codeSigning) 的证书，可能被攻击者用来签发服务器证书，冒充合法服务器。
    • 重要性： 这些漏洞同样需要 frankencerts 这样的对抗性输入才能触发，因为正常的证书链通常会遵守这些约束。

  • 漏洞3：误导性的错误报告

    • 现象： 当面对一个同时满足“自签名”（即发行商不可信）和“已过期”两个条件的证书时，NSS 库（以及使用它的 Chrome on Linux 和 Safari）只向用户报告“证书已过期”的警告。
    • 安全风险： 用户通常认为“证书过期”是一个小问题（可能是管理员忘了续期），并且经常被建议可以“忽略”或“继续访问”。然而，这个证书的根本问题是“不可信”，这意味存在主动的中间人攻击风险。通过隐藏更严重的警告，这些浏览器实际上大大增加了用户遭受攻击的风险。

• 消融实验/参数分析 (Ablation Studies / Parameter Analysis):

  • 论文没有进行传统意义上的“消融实验”（即移除模型的某个组件看性能下降多少），但它通过实例有力地论证了其方法中对抗性生成 (frankencerts) 相对于仅使用真实证书的必要性。
  • 论证： 如前述 GnuTLS 的 v1 证书漏洞，作者明确指出，这个 bug 无法被他们收集的 24 万多个真实证书中的任何一个触发。只有通过 frankencerts 的随机组合，创造出一个“v1 证书作为中间 CA”的场景，这个深藏的漏洞才得以暴露。这本身就是对其核心方法论（对抗性生成）价值的最强证明。
  • 语料库统计分析： 论文通过转录的表格展示了真实世界证书的构成，以支持其研究动机。

    • Table I: 展示了不同库自带的测试证书数量非常少，从 9 到 64 不等，说明现有测试覆盖度严重不足。 （原文数据转录如下） TABLE I: Number of SSL/TLS certificates used by different implementations for testing

      Implementation	Certificate count
      NSS	64
      GnuTLS	51
      OpenSSL	44
      PolarSSL	18
      CyaSSL	9
      MatrixSSL	9

    • Table II, III, IV: 详细分析了收集到的 24 万多个证书的发行商、版本和扩展分布。例如，Table III 显示了 v1 证书的常见发行商，其中不乏网络设备制造商，这说明 v1 证书在当时依然普遍存在，使得相关的漏洞具有现实威胁。 （原文数据转录如下） TABLE II: 20 most common issuers in our corpus

      Common Name (CN)	Occurrences
      Cybertrust Public SureServer SV CA	30066
      Go Daddy Secure Certification Authority	13300
      localhost.localdomain GeoTrust SSL CA	7179
      COMODO SSL CA RapidSSL CA COMODO SSL CA 2	7171
      BMS	7114
      	6358
      DigiCert High Assurance CA-3	5326
      Hitron Technologies Cable Modem Root Certificate Authority	4878
      VeriSign Class 3 Secure Server CA - G3	4341
      COMODO High-Assurance Secure Server CA	4013
      PositiveSSL CA 2	3837
      Entrust Certification Authority - L1C	3681
      Daniel	2724
      Vodafone (Secure Networks)	2719
      	2639
      192.168.168.168	2634
      GeoTrust DV SSL CA	2417
      	2174
      localhost Parallels Panel	2142

      TABLE III: 10 most common issuers of X.509 version 1 certificates

      Common Name (CN)	Occurrences
      BMS	4877
      Parallels Panel	2003
      localhost	1668
      brutus.neuronio.pt	1196
      plesk	1163
      remotewd.com	1120
      UBNT	1094
      localdomain	986
      192.168.1.1	507
      ZTE Corporation	501

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7. 总结与思考 (Conclusion & Personal Thoughts)

• 结论总结 (Conclusion Summary):

  • 本文成功设计、实现并评估了第一个用于系统性、大规模地测试 SSL/TLS 证书验证逻辑的自动化方法。
  • 该方法通过结合**frankencerts（对抗性输入生成）和differential testing（差分测试）**，有效地解决了测试输入生成和结果判定（oracle）两大难题。
  • 实践证明，该方法极其强大，在多个主流 SSL/TLS 实现中发现了大量先前未知的、严重的安全漏洞，证明了现有实现中证书验证逻辑的脆弱性。

• 局限性与未来工作 (Limitations & Future Work):

  • 局限性： 差分测试发现的 discrepancy 只是一个“信号”，不等于“漏洞”。人工分析仍然是必要的，以确定一个差异是源于真正的安全漏洞，还是仅仅因为标准规范的模糊性导致的不同合法实现。
  • 未来工作：
    1. 可以将该技术应用于客户端证书的服务端验证逻辑测试。
    2. 可以探索将本文的黑盒测试方法与白盒符号执行等技术相结合，进行更具导向性的差异搜索，可能提高发现漏洞的效率。

• 个人启发与批判 (Personal Insights & Critique):

  • 启发：
    1. 思想的简洁与力量： 这篇论文最杰出的地方在于其思想的简洁和有效性。它没有诉诸于极其复杂的分析工具，而是用一个非常聪明的工程思路（“当你不确定什么是对的时候，就去看大家是否都一样”）解决了安全测试中的一个核心难题。
    2. 方法的可移植性： Frankencerts 的核心思想——“基于真实世界语料库的组件重组式对抗性输入生成”+“差分测试”，是高度可迁移的。它可以被广泛应用于任何存在多个独立实现的复杂标准或协议的测试中，例如文件格式解析器（PDF, JPEG）、编译器、网络协议栈等。
    3. 安全测试的思维转变： 它强调了“测试未指定行为”和“探索边缘案例”的重要性。安全测试不应仅仅是验证程序是否做了“该做的事”，更要验证它是否没做“不该做的事”。
  • 批判性思考：
    • 对“多数人暴政”的警惕： 差分测试的基本假设是“大部分实现是正确的”。如果某个漏洞在所有（或大多数）被测实现中普遍存在，差分测试将无法发现它，因为不会产生 discrepancy。这是一种潜在的盲点。
    • 效率问题： 尽管比白盒分析扩展性好，但生成和测试数百万个证书仍然需要巨大的计算资源。此外，随着新扩展和新标准（如 TLS 1.3）的出现，语料库和生成逻辑需要不断更新，维护成本不低。
    • 对根本原因的分析深度： 论文成功地发现了漏洞，但漏洞的根源——例如，为什么 GnuTLS 会出现标志位匹配错误——可能需要更深入的软件工程或代码审计分析。本文主要停留在“发现”层面，而“修复和预防”则需要更多后续工作。