女密碼學(xué)家的成功密碼

隨著信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用和數(shù)字經(jīng)濟的加速發(fā)展，密碼學(xué)的重要性日益凸顯。近年來，一位土生土長的中國女密碼學(xué)家備受矚目，她就是榮獲2019年未來科學(xué)大獎的首位女科學(xué)家，清華大學(xué)和山東大學(xué)雙聘教授王小云。

她先后破解了此前十多年被公認為牢不可破的密碼學(xué)兩大支柱算法——哈希函數(shù)MD5和SHA-1，使得這兩大國際標準被逐步淘汰;她主持了中國國家標準密碼哈希函數(shù)SM3的設(shè)計，該標準算法自2010年發(fā)布以來已在國內(nèi)許多重要領(lǐng)域使用，并于2018年成為ISO/IEC國際密碼算法標準。

2004年，對于國際密碼學(xué)界來說，注定是不同尋常的一年。

這年的8月，在美國加利福尼亞州圣巴巴拉召開的國際密碼大會上，王小云宣讀了自己和研究團隊對于MD4、MD5、HAVAL-128和RIPEMD四個國際著名密碼算法的破譯結(jié)果。

這被認為是2004年密碼學(xué)界最具突破性的結(jié)果，堪稱學(xué)術(shù)界的一場強烈地震。因為此前，MD5一直被認為是牢不可破的。著名加密工具PGP的主要開發(fā)者菲利普·齊默曼在會議現(xiàn)場當眾對王小云說：“就憑這一成果，你可以在美國任何一所大學(xué)獲得職位?！碑斈甑膰H密碼大會總結(jié)報告上寫道：“我們該怎么辦？MD5被重創(chuàng)了，它即將從應(yīng)用中淘汰。SHA-1仍然活著……”

多年來，由美國國家標準和技術(shù)研究院（NIST）頒布的基于哈希函數(shù)的MD5和SHA-1算法，是國際上公認最先進、應(yīng)用范圍最廣的兩大重要算法，后者更被視為計算安全系統(tǒng)的基石，有著“白宮密碼”之稱。

但沒多久，SHA-1的末日降臨。2005年2月，在美國召開的國家信息安全研討會上，5名著名密碼學(xué)家公布了哈希函數(shù)發(fā)展史上的重要研究進展——他們收到了來自中國的王小云等3位女研究者對SHA-1全算法的攻擊。

MD5和SHA-1兩大哈希函數(shù)算法，按照常規(guī)方法，即使調(diào)用當時最快的大型計算機，也要運算上百萬年才有可能被破解。王小云的工作讓國際同行不得不接受一個殘酷的事實：電子簽名是可以被有效偽造的，設(shè)計更安全的哈希函數(shù)標準迫在眉睫！NIST專門舉辦了兩次研討會，以應(yīng)對兩大算法破解帶來的安全威脅，并于2006年出臺新的哈希函數(shù)使用政策：“聯(lián)邦機構(gòu)在2010年以前必須停止SHA-1在電子簽名、數(shù)字時間戳和其他一切需要抗碰撞安全特性的密碼體制的應(yīng)用?！?/p>

王小云在一檔節(jié)目中對密碼做了這樣的科普：當你輸入一串字符，如果不經(jīng)過任何處理直接送到服務(wù)器來驗證，它一定不是密碼，只是一個口令;如果輸進去的字符，通過密碼運算得出另外一個結(jié)果，那么這個結(jié)果可以驗證你是否為合法用戶時，這個口令就變成了密碼。

“比如戰(zhàn)爭中傳輸了一段密文，當這段密文被攔截后，如果讓密碼學(xué)家上場，他們就會根據(jù)各自的數(shù)學(xué)方法和手段，推導(dǎo)出原文是什么，比簡單破解銀行卡密碼要復(fù)雜得多?！蓖跣≡频膶W(xué)生吳彥冰解釋說。

現(xiàn)實中密碼學(xué)家的工作是一個很枯燥的過程，不停地推導(dǎo)公式、做編程，然后用大型計算機驗證，等待結(jié)果，“想盡各種方法，一個個去嘗試，失敗了再重來”。在吳彥冰看來，破解密碼有時就像走進了一個巨大的迷宮，一套密碼是經(jīng)過密碼大師在設(shè)計中一遍遍確認，沒有問題后才公布出來，很多時候用傳統(tǒng)的方法和思維破解不了，可能在迷宮中碰壁多次也找不到出口。

那么，王小云是如何取得這些震驚世界的突破性成果的？

1993年，王小云在山東大學(xué)博士畢業(yè)并留校任教，一邊給學(xué)生上課一邊從事公鑰密碼學(xué)研究。1996年，她轉(zhuǎn)為研究當時國內(nèi)無人從事的哈希函數(shù)研究。

做哈希函數(shù)的安全性分析，離不開計算機編程，同時還需要不停地打印她獨創(chuàng)的“比特分析法”表格?！澳菚r山大數(shù)學(xué)系機房里只有一臺打印機，每次打印都要排隊，一個來回半天時間就沒有了?！蓖跣≡普f，為節(jié)省時間，她把家里所有的存款1萬多元錢取出來，買了計算機、打印機和掃描儀，在自家的辦公桌上搭建起工作平臺。

就這樣，王小云每天在自己的書房里推導(dǎo)數(shù)學(xué)難題、演算哈希函數(shù)的破解方法。實在想不出來的時候，她就到客廳里拖拖地、擇擇菜……邊干活兒邊想，一有靈感就跑到電腦前繼續(xù)工作。“破解最關(guān)鍵的那個階段，我家的地板每天都被我拖三遍，地板亮得能照出人影?！?/p>

王小云沉浸在密碼和生活交融的美妙世界中，享受著外人無法體會的樂趣。生活中她喜歡在家里和實驗室養(yǎng)花?！巴茖?dǎo)數(shù)學(xué)難題、破解密碼算法比較熬人，需要找一件事情讓自己放松、休息?！蓖跣≡普f，“澆水、種花可以換換腦子，讓我思維更快一點。”

就這樣日復(fù)一日、年復(fù)一年，王小云相繼在家中攻破了SHA-0、MD4、HAVAL-128、RIPEMD、MD5、SHA-1等哈希函數(shù)算法。盡管她的工作在國際上引發(fā)巨大轟動，但國內(nèi)知道的人并不多，連她的閨蜜都說：知道你很會做數(shù)學(xué)題，但沒想到做了這么重要的工作。

“早些年做研究，是自己作為大學(xué)教師的本職工作，但到了能夠做標準算法分析和破解的時候，就變成了國家的責(zé)任?！蓖跣≡普f。

2007年，NIST啟動了新哈希函數(shù)SHA-3的五年設(shè)計工程，當時美國的標準就是國際標準，如果誰設(shè)計的算法被采納，無疑將是密碼學(xué)家的最高榮譽。國際密碼學(xué)界都把目光投向王小云，但她毅然放棄了這次難得的機會，帶領(lǐng)國內(nèi)專家全力設(shè)計我國的第一個哈希函數(shù)算法標準SM3。

SM3自2010年公布以來，其安全性得到國內(nèi)外密碼專家的高度認可。

“密碼理論與技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全的核心，密碼學(xué)家的使命就是為保護網(wǎng)絡(luò)與信息安全提供安全高效的密碼算法?！痹谕跣≡瓶磥?，密碼學(xué)家的主要職責(zé)，一方面是設(shè)計出安全高效的算法，另一方面則要分析正在使用的密碼算法的安全性，一旦發(fā)現(xiàn)漏洞，立即設(shè)計新的能抵御最新攻擊的密碼算法?！懊艽a學(xué)就是道高一尺、魔高一丈，在編破對抗、循環(huán)往復(fù)中不斷發(fā)展的。”

隨著近年來量子技術(shù)的快速發(fā)展，一些經(jīng)典的密碼算法會因量子計算機的出現(xiàn)而受到攻擊。為此，王小云團隊在國內(nèi)率先啟動了可以抵抗量子計算機攻擊的格密碼算法研究，并取得了重要進展。

如今王小云依然工作在第一線，保持著到辦公室跟學(xué)生討論問題的習(xí)慣?！耙粋€人的研究時間很有限，也就幾十年，只有培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的學(xué)生，才可以讓中國的密碼研究持續(xù)走在世界前列。”王小云很欣慰，“在我的團隊中，已經(jīng)有可以和世界頂尖密碼學(xué)家對話的學(xué)生了?！保〒?jù)《人民日報》《新華每日電訊》）