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劉哲理

2022年6月28日，國(guó)家計(jì)算機(jī)病毒應(yīng)急處理中心發(fā)布專題研究報(bào)告，披露美國(guó)國(guó)家安全局利用“酸狐貍平臺(tái)”正重點(diǎn)對(duì)中國(guó)和俄羅斯的政府機(jī)構(gòu)、重要組織和信息基礎(chǔ)設(shè)施目標(biāo)發(fā)起持續(xù)性攻擊，并實(shí)時(shí)向美國(guó)國(guó)家安全局總部傳送數(shù)據(jù)情報(bào)。“酸狐貍”事件以及當(dāng)年震驚全球的斯諾登事件等不斷發(fā)出警告，數(shù)據(jù)泄露威脅國(guó)家安全，如不采用國(guó)產(chǎn)自主可控的數(shù)據(jù)安全技術(shù)、產(chǎn)品，整個(gè)國(guó)家將毫無(wú)隱私可言。

數(shù)據(jù)庫(kù)是信息的主要存儲(chǔ)介質(zhì)，與操作系統(tǒng)、芯片一同成為現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域的三大核心基礎(chǔ)。防止數(shù)據(jù)泄密，最關(guān)鍵是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。難題久攻不破，國(guó)外技術(shù)封鎖，密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)研究成為相關(guān)科研人員自主創(chuàng)新的重要方向。研制密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵是解決密文查詢和密文計(jì)算問(wèn)題，南開(kāi)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副院長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院副院長(zhǎng)劉哲理教授向重大難題發(fā)起挑戰(zhàn)。面向語(yǔ)義安全數(shù)據(jù)庫(kù)、茫然操作數(shù)據(jù)庫(kù)等世界性難題，劉哲理提出了算法，建立了模型，提供了有效方案，服務(wù)于國(guó)家重大需求，為國(guó)產(chǎn)自主可控的密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品的成功研制持續(xù)貢獻(xiàn)著智慧與力量。

與企業(yè)共成長(zhǎng)

與企業(yè)合作，一直伴隨著劉哲理的科研歷程：博士時(shí)參與對(duì)日外包項(xiàng)目；在天津環(huán)球磁卡股份有限公司做博士后研究；與東港股份合作，成功研制基于信息安全技術(shù)的Java卡操作系統(tǒng)；與北京安華金和科技有限公司合作，繼2016年成立數(shù)據(jù)庫(kù)安全聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室之后，在2021年聯(lián)合共建數(shù)據(jù)安全與隱私計(jì)算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；與天津南大通用數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司合作，開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)透明加密算法獲天津市科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

隨國(guó)家、行業(yè)的需求而拓展，劉哲理的研究一直在深入。早在2018年，為解決數(shù)據(jù)共享流通的難題，劉哲理與騰訊合作，率先開(kāi)展了密文集合交集運(yùn)算的應(yīng)用研究，讓隱私保護(hù)的密文數(shù)據(jù)共享成為現(xiàn)實(shí)，引領(lǐng)了聯(lián)合廣告精準(zhǔn)推薦的產(chǎn)品新形態(tài)，為騰訊帶來(lái)年流水2億元、利潤(rùn)近億元的收益。2020年，中央網(wǎng)信辦組織評(píng)審中國(guó)首屆十大數(shù)據(jù)安全典型實(shí)踐案例，劉哲理與騰訊聯(lián)合研制的“隱私保護(hù)的多平臺(tái)聯(lián)合廣告推薦業(yè)務(wù)”成功入選，成為唯一高校牽頭入選的案例，起到了引領(lǐng)示范的作用。

合作不僅為企業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展可能，更為劉哲理的科研向深處走積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與動(dòng)能。與華為的合作，就標(biāo)志著劉哲理的科研邁入了深水區(qū)。

破世界級(jí)難題

在透明加密安全等級(jí)不夠高的背景下，2003年，語(yǔ)義安全作為基本的數(shù)據(jù)庫(kù)安全目標(biāo)被提出。語(yǔ)義安全要求將相同的明文加密成不同的密文，即數(shù)據(jù)的“一次一密”。在明文上，數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)數(shù)值相等來(lái)完成兩個(gè)列的連接查詢，但“一次一密”加密后相同的值不相等，大小順序也不再保持。如果客戶端不存狀態(tài)、客戶端和服務(wù)器不交互，很難實(shí)現(xiàn)密文上的查詢。

為解決相關(guān)問(wèn)題，世界各地的科學(xué)家自2003年起就開(kāi)展了一系列研究，但一直沒(méi)有找到無(wú)交互、低存儲(chǔ)、可應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫(kù)的語(yǔ)義安全的密文查詢方案，這些問(wèn)題成為十余年懸而未決的技術(shù)難題，但就是這樣棘手的難題，卻被劉哲理在與華為的合作中破解了。相關(guān)成果也獲得了2022年度中國(guó)密碼學(xué)會(huì)密碼創(chuàng)新獎(jiǎng)。

2019年，劉哲理受邀與華為開(kāi)始聯(lián)合研制高斯數(shù)據(jù)庫(kù)，成為華為高斯數(shù)據(jù)庫(kù)安全（security）小組核心成員（唯一的非華為成員），全面參與密態(tài)高斯數(shù)據(jù)庫(kù)研制，致力于攻克密文查詢和密文計(jì)算的難題。2020年6月，華為數(shù)據(jù)庫(kù)OpenGauss開(kāi)源，劉哲理團(tuán)隊(duì)提供的密文等值查詢、范圍查詢和密鑰管理等方案被應(yīng)用。兩年左右，OpenGauss數(shù)據(jù)庫(kù)被免費(fèi)下載72萬(wàn)套，也就意味著，72萬(wàn)個(gè)信息系統(tǒng)完成了國(guó)外數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化替代。

目前，高斯數(shù)據(jù)庫(kù)已推出12種商業(yè)發(fā)行版，取得了較大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。劉哲理提出的語(yǔ)義安全的保留順序加密和可搜索加密算法、實(shí)用安全的揭序加密算法，面向數(shù)據(jù)庫(kù)密文查詢面臨的安全性和效率問(wèn)題，有針對(duì)性地解決了無(wú)交互低存儲(chǔ)的語(yǔ)義安全密文范圍查詢、面向復(fù)雜查詢的無(wú)交互索引樹(shù)構(gòu)建等一系列難題。成果已在華為數(shù)據(jù)庫(kù)落地商用，使華為的算法級(jí)語(yǔ)義安全密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品走在了世界前列。這些研究也得到了包括中國(guó)科學(xué)院院士、加拿大皇家科學(xué)院院士、新加坡工程院院士、電子電氣工程師學(xué)會(huì)會(huì)士、美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)會(huì)士等在內(nèi)的多名知名學(xué)者的肯定。

服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略

近幾年數(shù)據(jù)庫(kù)廠商開(kāi)始利用可信執(zhí)行環(huán)境來(lái)研制云加密數(shù)據(jù)庫(kù)，但它們面臨模式泄露攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，如何對(duì)訪問(wèn)模式保護(hù)已經(jīng)成為關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。“加密數(shù)據(jù)還不足以保護(hù)數(shù)據(jù)隱私，如果攻擊者控制了服務(wù)器，它可以通過(guò)觀察哪些記錄被訪問(wèn)來(lái)完成破解。茫然操作數(shù)據(jù)庫(kù)則要求采用茫然讀寫(xiě)策略，讓攻擊者無(wú)法區(qū)分哪條記錄被訪問(wèn)?！眲⒄芾斫榻B，研究高效茫然讀寫(xiě)模型無(wú)疑是對(duì)訪問(wèn)模式進(jìn)行保護(hù)的一個(gè)有效策略。

劉哲理（左一）與學(xué)生進(jìn)行學(xué)術(shù)研討

茫然操作伴隨著大量虛假讀寫(xiě)，與數(shù)據(jù)庫(kù)的高性能要求沖突，這成為高效茫然讀寫(xiě)模型設(shè)計(jì)的巨大挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)深入探索，劉哲理構(gòu)建了高效的輕量級(jí)客戶端的茫然讀寫(xiě)策略。他的研究獲得業(yè)界學(xué)者的廣泛關(guān)注，美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)會(huì)士、數(shù)據(jù)庫(kù)期刊《國(guó)際大型數(shù)據(jù)庫(kù)期刊》（VldbJ）（美國(guó)VLDB基金會(huì)贊助）前主編伊恩·阿巴迪教授曾給出高度評(píng)價(jià)，更在信息安全會(huì)議計(jì)算機(jī)系統(tǒng)協(xié)會(huì)安全會(huì)議（USENIX Security）2022年的論文中，多次引用了劉哲理的多云ORAM方案。

這些成果在應(yīng)用中，同樣獲得了佳績(jī)。基于異或操作的茫然算子在華為數(shù)據(jù)庫(kù)可信硬件訪問(wèn)行為模式保護(hù)中應(yīng)用，提升了系統(tǒng)的安全性，并在非開(kāi)源和內(nèi)部版本進(jìn)行了集成。數(shù)據(jù)表明，千萬(wàn)級(jí)數(shù)據(jù)的洗牌操作開(kāi)銷(xiāo)由分鐘級(jí)降低為毫秒級(jí)，這表示茫然操作數(shù)據(jù)庫(kù)從設(shè)想到真正走向應(yīng)用又前進(jìn)了一大步。

談起我國(guó)密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)研究的現(xiàn)狀，劉哲理坦言，目前我國(guó)雖然已經(jīng)跟上了國(guó)外的研究步伐，并在密文算法方面取得了部分領(lǐng)先，但這僅僅是構(gòu)建了密文查詢和密文計(jì)算的基本能力支撐，與分析型數(shù)據(jù)庫(kù)、事務(wù)處理、并發(fā)控制的深層融合還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。復(fù)雜密文查詢難題、存儲(chǔ)引擎讀寫(xiě)優(yōu)化難題、數(shù)據(jù)茫然高效存儲(chǔ)難題，都是影響我國(guó)自主可控密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)走到世界前列的攔路虎。只有付出百倍努力，創(chuàng)新、求真、務(wù)實(shí)，才能克服這些難題。密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的研制才剛剛開(kāi)始，任重而道遠(yuǎn)。

但與華為合作，堅(jiān)定了劉哲理向前邁步的信心?！澳艹列撵o氣去做大產(chǎn)品，華為的決心和投入是一般企業(yè)比不了的。OpenGauss并不賺錢(qián)，華為的目標(biāo)不是為了賺錢(qián)，它要的是開(kāi)源，去推動(dòng)國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)生態(tài)的形成，這是華為的戰(zhàn)略眼光?！迸c華為合作，劉哲理有這樣的體會(huì)。

雖與華為合作已攻克了一些算法級(jí)語(yǔ)義安全密文查詢的難題，但還有很多問(wèn)題未得到解決，未來(lái)又是一個(gè)茫然操作數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)代，有諸多難題需要去克服?！芭c華為合作已經(jīng)3年，但我們的合作才剛剛開(kāi)始，我們的目標(biāo)很明確：提供高安全性的數(shù)據(jù)庫(kù)加密產(chǎn)品，服務(wù)于國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域，將中國(guó)的密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)做到世界領(lǐng)先?！泵鎸?duì)挑戰(zhàn)，劉哲理始終目標(biāo)堅(jiān)定并充滿信心。

追求完美卓越

從事信息安全與密碼學(xué)研究的學(xué)者，無(wú)人不知在頂級(jí)會(huì)議、頂級(jí)刊物上發(fā)表文章的難度之大，但劉哲理卻成為以第一作者和通訊作者在信息安全領(lǐng)域頂會(huì)和頂刊、數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域頂會(huì)和頂刊都發(fā)表論文的國(guó)內(nèi)首個(gè)學(xué)者。從2013年開(kāi)始投稿計(jì)算機(jī)和通信安全會(huì)議（ACM Conference on Computer and Communications Security，CCS），到近幾年十余篇中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)A類（CCF-A類）IEEE會(huì)刊論文，2021年第一篇USENIX安全研討會(huì)論文，再到近期一擊即中兩篇USENIX安全研討會(huì)和一篇VLDB論文，久經(jīng)考驗(yàn)、淬煉成鋼，劉哲理戰(zhàn)績(jī)頗豐。在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)“知乎”上，劉哲理曾將自己的經(jīng)驗(yàn)以一篇博文的形式分享給大家，僅發(fā)表兩天閱讀量就破了6萬(wàn)。

劉哲理坦言，和一開(kāi)始就站在高起點(diǎn)上，一下子就能在頂會(huì)、頂刊成功發(fā)表論文的人不同，他的經(jīng)歷有些特殊。平臺(tái)不高，科研底子薄，能取得令人不可思議的成績(jī)，靠的是勇攀高峰的信念和追求卓越的決心。

2011年，從天津環(huán)球磁卡股份有限公司博士后出站到南開(kāi)大學(xué)工作時(shí)，劉哲理不在科研崗，而是在公共基礎(chǔ)教學(xué)部的教學(xué)崗，教的也不是信息安全系的學(xué)生。教學(xué)壓力大，但劉哲理從未放棄科研，沒(méi)有自己的學(xué)生，他一個(gè)人一步步走，直到2015年進(jìn)入信息安全系，有了自己的學(xué)生，他的科研生涯才真正起步。

劉哲理（右）在課堂間歇與學(xué)生交流

“科研上我是后來(lái)進(jìn)步，但在教學(xué)上我一直沒(méi)落后?！眲⒄芾碚f(shuō)。他是教育部寶鋼優(yōu)秀教師，獲批天津市一流金課（已被推薦國(guó)家級(jí)金課）1門(mén)、天津市虛擬仿真建設(shè)項(xiàng)目1項(xiàng)、天津市課程思政示范教材1部，并以第一完成人獲得天津市教學(xué)成果獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)（已被推薦國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)），獲得中國(guó)高等教育博覽會(huì)“校企合作、雙百計(jì)劃”典型案例，獲得中國(guó)計(jì)算機(jī)教育大會(huì)最佳論文獎(jiǎng)，獲得全國(guó)密碼學(xué)與信息安全教學(xué)研討會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)3次，為國(guó)家培養(yǎng)了大批安全領(lǐng)域的高層次人才。在南開(kāi)大學(xué)畢業(yè)典禮上，2019屆碩士生李博曾這樣表達(dá)對(duì)劉哲理的感謝之情，她說(shuō)：“習(xí)總書(shū)記說(shuō)，一個(gè)人遇到好老師是一生的幸運(yùn)。我幸運(yùn)地遇到了這樣一位好老師，他就是我的導(dǎo)師——?jiǎng)⒄芾斫淌??！?/p>

作為學(xué)生的引路人，劉哲理始終將教師教書(shū)育人的根本職責(zé)銘刻心間，一直密切關(guān)注課程講授的實(shí)際效果，不斷更新和改進(jìn)授課形式，真正做到讓學(xué)生將知識(shí)學(xué)為所用、內(nèi)化于心。實(shí)踐式教學(xué)是劉哲理上課的一大特點(diǎn)，他通過(guò)建設(shè)慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)講解視頻和三維一體的線上、線下教學(xué)資源，形成了完備的實(shí)踐教學(xué)體系。他的課程也因?yàn)樯钊霚\出的理論講授、豐富的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、直觀形象的原理辨析，深受學(xué)生喜愛(ài)，成為同學(xué)們口口相傳的“必修課”。

勇攀高峰、追求卓越是劉哲理一貫的行事風(fēng)格。做教學(xué)，他要成為學(xué)生的領(lǐng)路人，引導(dǎo)他們胸懷錦繡、腹有乾坤，以赤誠(chéng)之心奉獻(xiàn)社會(huì)。做科研，他要攻克世界級(jí)難題，把國(guó)產(chǎn)自主可控的密態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)做到世界前列。作為南開(kāi)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院副院長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)科帶頭人，他要凝聚大家形成合力，一起去推動(dòng)學(xué)科的發(fā)展，擴(kuò)大學(xué)科的影響力。

劉哲理（右）耐心為學(xué)生做學(xué)術(shù)指導(dǎo)

賡續(xù)密碼情懷

近年來(lái)，南開(kāi)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)科發(fā)展迅猛。2018年，學(xué)院剛成立時(shí)只有寥寥幾人，劉哲理雖然是副教授，但是被學(xué)校委以重任，擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院副院長(zhǎng)?，F(xiàn)在，學(xué)院規(guī)模已逐漸壯大，劉哲理領(lǐng)銜拿到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)防科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題，實(shí)現(xiàn)了南開(kāi)大學(xué)工科副教授承擔(dān)重點(diǎn)項(xiàng)目的首個(gè)突破。大項(xiàng)目接踵而至，劉哲理帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)，大家斗志滿懷。

劉哲理說(shuō)，作為南開(kāi)人，理應(yīng)有信心去達(dá)成這些目標(biāo)，因?yàn)槟祥_(kāi)人本身就肩負(fù)著這樣的使命。南開(kāi)大學(xué)是國(guó)內(nèi)首批密碼專業(yè)的獲批點(diǎn)，杰出校友周恩來(lái)總理創(chuàng)制了中國(guó)共產(chǎn)黨首部密碼“豪密”，原副校長(zhǎng)胡國(guó)定是國(guó)內(nèi)信息論的創(chuàng)始人，數(shù)學(xué)學(xué)院的首任院長(zhǎng)沈世鎰先生是國(guó)內(nèi)密碼編碼領(lǐng)域的創(chuàng)始人……在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的同時(shí)，劉哲理也帶領(lǐng)大家梳理挖掘植根南開(kāi)精神深處的密碼基因與情懷。

為將這種精神力量傳遞下去，劉哲理主導(dǎo)了以豪密為主題的密碼科普基地的建設(shè)并獲批天津市科普基地，承辦了全國(guó)大學(xué)生信息安全競(jìng)賽創(chuàng)新實(shí)踐賽、第一屆和第二屆全國(guó)密碼科普知識(shí)競(jìng)賽，組織了全國(guó)信息安全和密碼學(xué)教學(xué)研討會(huì)，組織了天津市“第五空間”智能安全大賽等……這些活動(dòng)同時(shí)也擴(kuò)大了南開(kāi)大學(xué)密碼學(xué)科的影響力。在2022年軟科學(xué)科排名中，南開(kāi)大學(xué)密碼科學(xué)技術(shù)專業(yè)獲得A+的好成績(jī)，是對(duì)劉哲理所做工作的肯定。但劉哲理深知，傳承老一輩留下的寶貴財(cái)富，唯有百折不撓、奮勇克難，才能用更優(yōu)異的成績(jī)賡續(xù)南開(kāi)的密碼情懷。