武大3朵金花,一等奖!

互联网与大数据

已成为现代生活的必需品

背后,是密码学作为基石

为网络和信息安全保驾护航

第八届全国密码技术竞赛

有三位“女将”披荆斩棘,一路闯关

取得了一等奖的佳绩

快和珞珞珈珈一起听听她们的故事吧

“硬”基础是入场券

“密码都不队”由来自国家网络安全学院的2023级博士研究生陈颖、2023级硕士研究生姜蕊、2023级硕士研究生宋佳睿组成。三位女将英姿飒爽,挂帅出征,最终在第八届全国密码技术竞赛取得了一等奖的佳绩。

▲团队成员合照

为了加强同学们对密码学知识的掌握,实验室老师积极鼓励每位研一同学参加这个面向全国高校学生开展的国内级别最高、影响力最大的密码技术大赛,并将其作为检验学习成果的方式,让学生在比赛中得到磨砺和锤炼。基于此,三位姑娘组建了“密码都不队”队伍,并肩作战。

▲决赛答辩现场

整个比赛分为初赛、复赛、决赛三个阶段,初赛以线上密码学知识答题竞赛的形式进行,每队的三位成员总分相加,排名靠前的团队才能进入复赛。得益于平时积累的密码素养,再加上三位队员从8月份开始便广泛练习来加深对基础知识的直接记忆,她们最终从各大高校的参赛队伍中脱颖而出,顺利获得了这张进入复赛的“入场券”。

在这一过程中,队员们时总结错题的同时在组内互相分享易错点,并以此为出发点整理相关密码常识、算法进而形成知识体系。对她们来说,这不仅仅是一次比赛,更是系统整理所学知识的机会,“主动思考知识点之间的内在联系,通过深化理解来记忆而并非死记硬背”,是队员们始终坚持的学习方法。

细致入微 打造专属Highlight

进入复赛,“密码都不队”的三位姑娘发挥各自优势,细致入微又别出心裁,善于沟通又持之以恒,展示了自己的highlight。

她们选择了组委会指定的a类命题中的“基于CPU的多标量乘法实现”题目。多标量乘法(Multi-Scalar Multiplication, MSM)是标量乘法的扩展,即对多个标量乘法求和,这一方法在密码学中有着广泛应用。例如在零知识证明协议中,生成证据的过程就需要使用多标量乘法。然而,由于MSM的计算开销较大,它也成为限制 zkSNARK 等协议进一步部署于实际应用平台的瓶颈。MSM的另一典型应用场景是椭圆曲线密码体制,如二代身份证中所使用到的国密SM2算法,也存在对MSM运算的需求和性能限制。目前,针对基于CPU平台的多标量乘法优化方面的研究还比较有限,在提高MSM计算效率的方法和技术方面还有待进一步的研究和发展。

▲MSM在零知识证明中的应用

面对研究方向存在的瓶颈,她们该怎样克服?在复赛的备赛中,三位姑娘就这一问题展开了细致入微的研究。她们从“时间”“空间”两方面出发,针对CPU平台对MSM主流加速算法Pippenger进行改进,主要聚焦子标量优化、“树形”点加结构、AVX512并行加速策略、三段式MSM内存优化4个方面,对5条椭圆曲线上点个数的MSM进行了加速实现。在同一实现平台下与原始Pippenger算法相比,性能提升最高可达53.2%。

队伍围绕如何让MSM算得更快、内存开销更小提出改进策略,并予以代码实现,最终形成了参赛作品。一些轻量化设备(如IC卡、物联网中的传感器等)在实际应用时同样需要上述密码方案来保证通信安全。此类设备本身存储空间有限,计算能力较低甚至能量储备较少,难以支持大规模运算。此时,通过优化MSM便可大幅度提升上述密码方案的性能,减小计算通信开销,进而推动这类密码方案在资源受限平台中的应用落地,这也是队员们改进策略的最终目的——让MSM更“快”更“轻”。其中“树形点加结构”、“经典哈希三段式内存优化”等策略的优化思想也可以前移到其他密码算法的实现优化中。

作为一个团队,三位队员团结一致,又发挥了各自优势,实现了“1+1+1>3”的效果。为了在一个半月的复赛准备时间内提出一个比较完整的优化方案,队员们首先需要阅读大量的文献,然后整理出自己的思路,最终才能形成一个可行的方法,时间十分紧迫。

专业方向是密码工程的姜蕊在本次比赛中负责编程部分,从底层开始编写大量代码的繁重工作量难以避免出现了许多问题当发现优化后的MSM正确性得不到保证、与结果匹配不上时,她通过反复debug与原始MSM运算结果进行对比,最终分段调试找到了问题所在并进行修正。此外,当点的数量级达到2^20及以上时,会导致内存占用过大影响实现效果,姜蕊则采用哈希三段式思想,设计点“即存即用即释放”的内存优化方案解决了这一问题。经过本次比赛的实操,姜蕊进一步提升了代码能力,关于怎样写好代码等问题有了自己独特的心得。

虽然偶尔有摩擦,三位队员始终不忘秉持团结一致的团队精神。在“树形点加结构是否能真正加速点的运算”问题上产生分歧时,大家反复理论推导并积极与老师讨论,最终达成了一致,得到了“在‘树形结构’的基础上选择最优坐标系并结合AVX512指令集优化”的解决方案。

队长陈颖和另一位队员宋佳睿的专业学习分别聚焦格密码与后量子隐私保护和区块链与密码协议设计,具有较为丰富的比赛经验的她们承担了更好地展现团队成果的任务。负责论文撰写和决赛PPT制作的宋佳睿认为如何突出成果的核心部分是一大难点,需要对论文的语言不断润色,让它更高级、更精炼。为此,她借鉴了他人的阐述方法,将其与自己的内容融合借鉴,采用“表格+可视化图表”的方式将团队成果的优势和亮点充分展现。

决赛共分为两轮,第一轮是所有参赛队伍分成的小组内部进行比拼,第二轮是每小组的第一名进行特奖答辩。在顺利取得第一轮的胜利后,面对第二天就要进行的答辩,负责论文撰写和决赛答辩的主讲陈颖连夜修改并反复练习讲解,细致到哪个地方语气该突出、哪个地方该停顿,力求上场就能吸引评委的兴趣,把本团队的亮点尽数展现。由于连续高强度的备赛,队员们逐渐体力不支,但在互相的鼓励打气和彼此扶持下,她们最终挺过了难关。朝着同一方向、同一目标携手并进,这就是三位女将摘得一等佳绩的秘诀。

如何拿奖?三位姑娘有话说!

其实相对于别的方向来说,密码学的学习是比较枯燥的,而且入门成本也比较大。一定要从最开始就要打好基础,不要放弃,确实很枯燥,所以要自己去找其中的乐趣。道阻且长,行则将至!

一定要早点开始行动,不要拖到最后!要想竞赛获奖,既要做得好,也要展示得好,负责进行答辩PPT展示同学要能够站到台上就能吸引评委老师的注意力。只有反复练习、坚持把所有的工作都做好,才能够取得一个比较理想的成绩。

首先要明白自己打算做什么,然后自己的目标定位在哪里,整个架构清楚了,才可能去考虑怎么将它实现。

“枯燥”密码学 实有大作用

武大学子于密码世界中发掘热爱与快乐

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奋楫笃行 臻于至善

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武汉大学
-luojia1893-

感谢国家网络安全学院

图片来源于受访者

采访:陈巍

文案:廖晨希

编辑:朱巧 梁彤 

责编:张一芃

审核:邢知博

投稿邮箱:whu_luojiahao@163.com

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