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震撼世界密碼學界的中國科學家
送交者: 小雲簡介 2007年03月28日14:02:30 於 [教育學術] 發送悄悄話

自2004年8月以來,在國際密碼學界的會議上、刊物里以及專家學者們的討論中,“王小雲”、“王氏發現”後面總是與“震驚世界”、“密碼學的危機”連在一起。在15年來密碼學最沉寂的領域,王小雲頻頻掀起軒然大波。

  2006年6月她獲得“陳嘉庚科學獎”,9月榮獲 “求是傑出科學家獎”,隨後獲得“中國青年女科學家獎”。她十年內破譯五部頂級密碼, 2004年、2005年,她帶領的研究小組先後破解了被全球廣泛應用於計算機安全系統的MD5和SHA-1兩大密碼算法,引起國際密碼學界的極大關注和高度讚譽。

  有人說她是近幾年成績最突出的華人女數學家,也有人說她是能瞬間攻破美國五角大樓網絡的女黑客。在成功破解了MD5和SHA-1兩大國際標準密碼算法後,越來越多的人想知道,這位文雅的中國女性和她的團隊何以能在如此短的時間內迸發出那麼驚人的能量?她卻說破譯密碼的10年是她生活最輕鬆的10年。

  在2006年10月13日開幕的中國第九屆密碼學學術會議上,中國工程院院士蔡吉人教授對本次大會主持人王小雲及其團隊給予這樣的評價:“她們的研究引起非常大的反響,被國際上認為是近年來最重大的研究成果,極大地提高了我國在國際密碼學界的地位,下一屆國際密碼學學術會議因此將在中國召開。這是很不容易的……”台下掌聲如雷。

  盛名之下的王小雲,依然平和、樸實而自信,安安靜靜地做着她的研究。

                 數學不是 “初戀”

  天資聰穎的王小雲,自幼活潑愛動。故鄉的懷抱天高水闊,她在大自然的滋養中快樂成長。父親畢業於師範學校,在鄉村中學任數學教師,勤勞能幹的母親承擔了家裡的大部分農活。小雲上有兩姐,下有兩弟,姐弟幾個的學習成績鄉里鄉外小有名氣。小雲坦承,小學到初中,自己玩的時候多,不僅不夠“用功”,甚至曾經不想上學了。

  即使是上了高中,也會偷偷懶。有一段時間,她迷上了巴金的《家》,有節數學課,45分鐘沒抬頭,在桌下偷偷看小說。課後,老師說;“小雲,一節課我一直在看你,可你就是不看我!”

  隨着年齡的增長,小雲慢慢懂事了。初中畢業那年,學校組織集中複習,拼搏了40天,小雲成績便突飛猛進,一舉考上市重點中學諸城一中。一向“胸無大志”的她,此時發現自己還是蠻有潛力的。

  以數學研究為職業,在小雲看來有幾分偶然,因為她一向痴迷的是物理。鬼使神差,高考時她的物理成績卻不如數學。小雲記得,爸爸送自己來山東大學報到時,看到那氣勢不凡的校門,意氣風發的青年學子,頗有幾分激動地說,“好好學,將來準備考研究生……”,羞得小雲滿面緋紅,四顧左右,讓爸爸趕緊住口,惟恐別人聽了笑話她。

 雖然數學不是她的“初戀”,但隨着學習的深入,知識本身的邏輯美感以一種巨大的力量緊緊抓住了小雲的興趣,小雲的實力逐步顯現出來。本科畢業時,她面臨多種選擇。有同學勸她,既然你有實力選擇其他,就為大家減少點競爭壓力吧,於是她報考了因難度更大而被許多人迴避的數論專業,成為潘承洞、於秀源教授麾下的碩士研究生。

  從1983年到1993年,學士、碩士、博士一路走來,數學把王小雲帶入一個魅力無窮的天地。 “研究越多,思路越寬闊,這些複雜的東西,給了我一個特別美妙的感覺”,王小雲說。

                 剩下的都是硬骨頭

  現代密碼學是上世紀70年代開始發展起來的新興科學,而信息安全則是上世紀末興起的專業。碩士畢業前夕,導師潘承洞、於秀源建議王小雲攻讀密碼學。 導師的遠見卓識,使王小雲較早踏進這一領域,對於取得今天的成就意義重大。

  從1990年開始,她在潘承洞、於秀源、展濤等名師指導下,成功地將數論知識應用到密碼學研究中,取得了很多突出成果,先後獲得“863”項目資助和國家自然科學基金項目資助,並且獲得部級科技進步獎一項。她從上世紀90年代末開始進行HASH函數研究。 從事該領域研究的人曾經很多,但隨着MD5、SHA-1兩大算法的逐漸成熟及廣泛應用,人們對它的安全性不再懷疑,後來隊伍便慢慢分解,“剩下的都是硬骨頭了……”

  王小雲的成功,首先在於她的直覺。密碼算法綜合了數學科學裡代數、統計、數論等許多領域的算法。長期的理論薰陶、科學素養,紮實的訓練,使王小雲養成一種獨有的敏感。正如圖靈獎獲得者姚期智先生所評價的那樣,“她具有一種直覺,能從成千上萬的可能性中挑出最好的路徑”。

  MD5是由國際著名密碼學家、圖靈獎獲得者瑞弗斯特(R.Rivest)設計,SHA-1則是由美國標準技術所NIST與美國國家安全局NSA設計的HASH函數標準算法,早在1994年便為美國政府採納、現為美國政府廣泛利用的計算機密碼系統,也被人們稱為“白宮密碼”。兩大算法是目前國際電子簽名及許多其它密碼廣泛應用的關鍵技術,它們被形容為“兩把門鎖”、“固若金湯的大廈”,令許多密碼分析專家望塵莫及。

  選擇MD5和SHA-1作為課題,就是因為當一般人毫不懷疑它時,王小雲卻在直覺上感覺到它的不安全,對密碼算法可能存在的弱點有自己獨到的領悟。這種理論上的直覺給了她極大的勇氣,雖然不知道自己是否能夠成功,但還是特別想去嘗試一下。因為她“不喜歡輕而易舉就可以完成的工作,挑戰性比較強才對我的胃口。”

  任何一項重要的科學發現,都離不開超乎常人的努力。“分析的過程比較辛苦,比方說總共有80步,需要一步步分析、化解”,而每前進一步都要耗費巨大精力。一旦投入進去,仿佛被一股巨大的魔力所吸引,王小雲性格中的執着使她具備極大的定力。同行評價她,從不急功近利,也不贊同大批量閱讀文獻,而是抓住經典論文仔細研究,吃透思想,在此基礎上獨立思考,尋找突破性的方法。她先後找到30多條可能的破解路線,唯一的辦法就是逐一試過。常常是熬到深夜時證明此路不通,於是第二天,再度從零開始,尋找有效的攻擊方法。

  在不斷的探索和反覆的驗證中,她創造了“比特追蹤法”、“模差分方法”以及“明文修改技術”,得到國際密碼專家高度評價:“這是一個有效並且非常重要的貢獻,預計在不久的將來,這種方式將會被廣泛運用在其他密碼分析學研究上”。

  直覺、勇氣和執着,使王小雲將不可能變為可能。正如密碼學家克朗傑特•米爾特(Charanjit Jutla)所言:“破解HASH函數非常艱難,就好比一個太複雜的謎,大多數人弄累了就放棄了,但是她沒有。”

  從2004年初開始,王小雲率領於紅波等學生,奮力拼搏三個月,到5月,破解MD5的理論結果便出來了。她向學校領導匯報了自己的研究成果,領導深知它的意義所在,非常重視。山東大學展濤校長親自簽發邀請函,邀請國內知名信息安全專家參加在威海舉辦的“山東大學信息安全研究學術研討會”,會上王小雲公布了MD5等算法的一系列研究成果,專家們對她的成就給予了充分的肯定,對其堅持不懈的科研態度大加讚揚。 一位院士說,王小雲的研究水平絕對不比國際上的差,這一結論不久便得到了驗證。

                 轟動國際講壇

  威海會議不久,王小雲赴美探望正在美國做訪問學者的丈夫劉瑞田,並準備參加在加州聖芭芭拉召開的國際密碼學會議。到美國後,她繼續埋頭攻關,把自己關在房間20多天,將數據推演出來,計算出最難的碰撞實例。

  一天晚上,小雲拿着自己的研究成果,充滿信心地找到大會主席、國際著名密碼學專家阿迪•薩莫爾(Adi Shamir)。聽了小雲的陳述,阿迪•薩莫爾非常興奮,與小雲聊了很長時間。當小雲以桌為紙比劃着自己的破解過程時,一位澳大利亞密碼學家打趣道,“你會把桌子也敲破的!”

  通常的大會發言每人只給兩三分鐘,而在8月17日晚上的會議上,阿迪•薩莫爾卻破例給了小雲15分鐘。 王小雲和馮登國、來學嘉、於紅波四人共同完成的文章,囊括了對MD5、HAVAL-128、 MD4和RIPEMD四個著名HASH算法的破譯結果。當小雲公布到他們的第三個驚人成果的時候,會場上熱烈的掌聲已經將小雲的聲音淹沒,報告不得不一度中斷。

  有一位學者因為一隻手受傷被包紮無法鼓掌,竟用另一隻手拍着大腿久久不停。報告結束後,所有與會專家再次對她們的研究成果報以長時間的掌聲,有些學者甚至起立鼓掌,以示他們的祝賀和敬佩。

  會議結束時,專家們紛紛聚攏到小雲身邊,很多世界頂級的密碼學專家也上前表示他們的欣喜和祝賀。丈夫劉瑞田也來到會場,充當小雲的攝影師,此時卻被熱情的人群擠出了包圍圈,以至漏掉很多精彩鏡頭。

  國際密碼學專家對王小雲教授等人的論文給予高度評價。有一家專為公開徵集針對MD5的攻擊而設立的權威網站,於2004年8月17日宣布:“中國研究人員發現了完整MD5算法的碰撞……由於這個裡程碑式的發現,MD5CRK項目將在隨後48小時內結束”。

  各個密碼學相關網站競相報道這一驚人突破。國際著名密碼學家阿迪•薩莫爾稱“這是近幾年密碼學領域最美妙的結果”,“我相信這將會引起軒然大波”。 MD5的設計者,同時也是國際著名的公鑰加密算法標準RSA的第一設計者瑞弗斯特在郵件中寫道:“她應當得到我最熱烈的祝賀,當然,我並不希望看到MD5就這樣倒下,但人必須尊崇真理。”

  密碼學領域最權威的兩大刊物Eurocrypto與Crypto均將2005年度最佳論文獎授予這位中國女性。眾多媒體稱王小雲是當今密碼學界的“巾幗英雄”、“奇女子”!

                 致力於科研隊伍建設

  王小雲的成長得益於一個優良環境,目前她又在為營造和優化這樣的環境而努力。在繼續密碼學研究的同時,她正以更多的精力投身於密碼學科研隊伍的建設。 上個世紀80年代中期,山東大學就成立了密碼研究小組,由於潘承洞院士、於秀源、展濤等學者的努力,奠定了山大在密碼理論研究領域的重要學術地位。2003年健全了信息安全本、碩、博三級專業,2004年成立了密碼技術與信息安全實驗室,為培養信息安全專業高層次人才提供了先進的科研平台。

  2005年12月,山東大學正式申報密碼技術與信息安全教育部重點實驗室,將實驗室發展目標定位為密碼理論、數論代數安全計算、密碼技術與應用、網絡與系統安全等四個方面,姚期智、蔡吉人等院士應邀到山大指導實驗室建設與發展。

  作為山東大學信息安全研究所所長、密碼技術與信息安全實驗室主任,近年來王小云為實驗室建設、密碼理論人才培養竭心盡力。擬訂實驗室建設計劃、申請報告、調研以至設備的安裝調試等都事必躬親。她經常聘請國外優秀教師、密碼專家來授課,師生之間邊教學邊切磋、研討,希望取得原創性與突破性的研究成果,將實驗室建設成為具有較大國際影響的科研基地。 

  此外,作為清華大學高等研究中心“楊振寧講座教授”,清華大學“長江學者特聘教授”,清華大學還為王小雲設立了專門工作室,王小雲正在國家“973”計劃首席科學家姚期智先生率領下,努力打造密碼學研究領域的國家隊。

  當記者問到具備什麼素質才更適合從事密碼學研究?王小雲強調,首先要有紮實、深厚的數學基礎。她說,密碼理論非常有特色,深奧而複雜。自己之所以能夠有所突破,就在於求學期間積澱下的數學底蘊。

  有一種觀點認為,人的精力有限,只能在某一領域有所發展。但王小雲認為,密碼理論已成為越來越完善的一門科學,各研究領域相互影響,相互啟發,促進了理論的發展。算法是通用的,精華、設計思想都在其中。每種算法有共性又有區別,所以只有各個方向都了解、掌握,才可以激發思考,發展出新的方向,才可能有所突破。國際上的密碼學家都是同時做多方向的研究。

  另外,與代數、幾何有所不同,密碼理論既是理論研究,又有應用背景,必須理論與應用並重。 在很多人眼中,數學、計算機等理工科專業,邏輯思維強,似乎更適於男性研究。而在王小雲的團隊中,女學生卻占相當比例。她說,到目前為止,在密碼學研究方面,沒有發現男女生之間有什麼明顯的差異。 王小雲的故事已經做了鮮明的註腳。

  王小雲簡介:1983年至1993年就讀於山東大學數學系,先後獲得學士、碩士和博士學位,1993年畢業後留校任教,曾兩度在香港大學計算機系密碼中心做訪問學者。主要研究領域為密碼學和信息安全學。現任山東大學密碼技術與信息安全實驗室主任、博士生導師,2005年入選清華大學“百名人才計劃”,並受聘為清華大學高等研究中心“楊振寧講座教授”、清華大學“長江學者特聘教授”。 2005年獲國家自然科學基金傑出青年科學基金資助, 2006年6月與范海福院士等三人同時獲得“陳嘉庚科學獎”。2006年榮獲 “求是傑出科學家獎”、“中國青年女科學家獎”。  

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