“三清”博士与支付宝机密计算背后的故事

在坊间，对于本科、硕士、博士都出自清华的人有一个称呼，叫“三清团”，他们是招聘市场上炙手可热的天团。在支付宝的机密计算团队，也有这样一位同学，他就是田洪亮。今天，我们就来聊聊他的故事。

多重身份，是顶尖Coder也是Rust布道师

2019年10月24日，支付宝大楼的一个会场里，十名选手面对电脑，或运指如飞，或苦苦思索，空气里弥漫着紧张的气氛。

原来，这是支付宝“超级MA力大赛”的决赛现场。

每年的10月24日是支付宝的“代码节”， “You are your code.” 以匠心精神对待coding，就是支付宝代码文化的一部分。2019年的代码节，支付宝在公司内部举办了一个最强coder大赛，从全公司数万名研发人员海选出100名参赛者，经过多轮PK，最后10名实力强劲的选手进入决赛。

田洪亮正是十名选手之一，说起这个，还有一段小插曲。

在支付宝Java技术栈是主流，而他则是Rust语言的忠实拥趸，虽然公司允许他用Rust开展工作，但知音难觅，有点小郁闷。

Rust是Mozilla公司发布的一种系统编程语言，同时具备高性能和易读性，同时又注重安全，程序bug少，被广泛认为是C++语言的继任者。在田洪亮看来，这么好的语言却没有人讨论和尝试，实在是太遗憾了。

不过很快，他的机会来了，正是“超级MA力大赛”。

100名参赛者里面只有他一个人用Rust参加比赛，其他人要么用Java要么用Python，从性能上来说，要比Rust慢很多。这一下他相当于开挂，当然是大杀特杀。

(中间者为田洪亮)

但是，正是因为这个优势，让他有些轻敌，没有优化算法性能，在决赛中与冠军失之交臂，最终屈居亚军。这也说明支付宝内部牛人辈出，并不是只有他一个人有绝活。

不过，Rust的名声却在公司内打响了，有不少人对Rust表示兴趣。趁热打铁，田洪亮在公司内分享了关于Rust的公开课，还成为阿里云的Rust布道师。

(田洪亮正在向大家分享Rust)

“国内大学CS的科班教育一直都缺失一个重要的环节，即对工程能力的培养。”本科硕士博士都就读于清华计算机系的田洪亮，对这句话当然有发言权。

大学强调的是算法竞赛(比如ACM)和科研能力(发paper)，但公司需要的是能写架构合理、实现健壮、代码可读的合格工程师。在赛后的分享中，他推荐了《可读代码的艺术》以及《代码大全》。前者培养对好代码的品味，后者指导如何做好的软件设计。

至于代码为什么能写的这么好，要从他所研究的领域说起。

五年如一日，专注机密计算

在博士期间，田洪亮研究的方向是操作系统领域，这一领域又被称为计算机科学皇冠上的明珠，我们耳熟能详的Linux和它的创始人Linus的传奇经历，激励着人们进入这一领域。

系统领域的研究不仅注重理论功底，还重视编程动手能力。想出了一个新的idea，还要把它实现出来，跑一跑benchmark看和之前有多少提升，这样才会得到业界的认可，这也正是田洪亮代码基本功扎实的原因。

不过，操作系统领域已经发展多年，相关的理论和实践都很成熟，想要找到创新的突破口并不容易，田洪亮把目光投到了更底层的硬件上。

“新的硬件能够带来新的能力，但要发挥这种能力需要系统软件与之配合，然后上层应用就可以通过操作系统利用这个能力。”田洪亮解释道。从硬件到系统再到应用，这就是计算机技术的发展之道。

经过一番探索，他很快锁定了Intel x86 CPU芯片上的一个小小的指令集扩展Software Guard Extensions,简称SGX。

SGX由英特尔于2013年提出，是为了解决软件运行过程中的安全问题。通常，一个应用程序在运行过程中，需要信任硬件，比如CPU、内存都是没有问题的;还需要信任操作系统，程序所调用的系统接口没有被篡改;同时还需要相信系统里没有恶意的特权程序在一旁虎视眈眈。如果需要用到网络，那么要操心的安全问题就更多了。

在过去，为了解决这些基础安全问题，除了安全软件外，还发展出了可信执行环境技术TEE

，CPU作为计算机的心脏，在这项技术中扮演着重要角色。SGX正是英特尔的TEE实现，极大的缩小了需要信任的范围，只需要信任CPU，甚至是CPU上的一小块地方，这个地方被形象的称为“飞地”，英文叫Enclave.

(SGX Enclave原理图)

Enclave可以锁定一段内存，将需要保护的数据放到受保护内存里进行计算，这样的技术叫做机密计算。

SGX和机密计算的出现，将系统安全带到了一个新的高度，对于云计算更是有非凡的意义——因为云上运行着不同归属的系统和程序，无法确认它们是否恶意，而一旦云的安全被攻破，损失将无法承受。

在了解了一番SGX之后，田洪亮很快就意识到这项技术拥有改变世界的潜力，于是决定研究的方向转到机密计算上，没想到这一转，就是五年时间。

当时SGX刚出现不久，还停留在理论实验阶段，洪亮对其进行了一番理论修补和实验研究，很快临近毕业，他干脆加入了英特尔，在这个SGX发源的地方继续研究。

时间转瞬即过，2017年英特尔第六代Skylake架构的CPU发布，其中内置了SGX技术，SGX终于正式走向大众。

不过，这样平静的生活某天突然被打破，已经加入支付宝的前主管闫守孟有一天突然找到他，伸出了橄榄枝：“支付宝正在落地机密计算，急需人才，不来产业界看一看吗?”

读书时的田洪亮，曾以为技术是创新驱动的;工作后，才发现技术是需求驱动的。支付宝正有着机密计算技术创新的土壤。金融行业极为重视数据安全，支付宝在向云原生架构迁移的过程中，需要保障整个系统和数据绝对不能出问题，而机密计算正符合相关的需求。另外，支付宝的另一个技术投入方向是区块链，区块链也有机密计算的需求。

对于工程师和研究者来说，有机会亲眼看着自己的劳动成果惠及大众，当然是很有吸引力的，而随后闫守孟的主管，支付宝操作系统领域负责人何征宇和他的谈话，让他下定了决心：“机密计算未来一定会是云计算的主流技术，而我们将是这一潮流的开创者!”

“连续创业”，带领学弟冲刺顶会论文

在清华的时候，田洪亮还参加过不少创业训练营，也读过不少相关书籍，其中《精益创业》对他的影响最大。

书中提到，创业最重要的就是要减少不确定性，用最少的代价去不断的探索产品的可行性，也就是所谓的“最小可行产品”。田洪亮将这套理论用到了他参与的一个个项目中。

由于他一直从事前沿的技术创新，而创新的方向是非常重要的，如果方向错误，很可能花了很大力气，最后还是一无所获。

田洪亮将自己的项目视为创业，像打造产品一样，在不断完善项目的同时，他也在不断的与外部互动，获取反馈。

他近几年的方向是Enclave libOS，但并不是一次就完工，在英特尔他有了这个想法后，发了一篇小论文，在和业内同行交流中，获得了肯定的反馈。

于是，他开始编写具体代码，在代码框架雏形搭建好之后，在征得公司同意后将之开源，看是否有类似想法的人。

在加入支付宝后，他需要能在生产环境中运行的代码，同时也需要在学术界完整的阐述他的理念和相关实现，这次，他找到了清华的学弟。

在找学弟的过程中，最让他感动的就是母校的支持。在和陈康、陈渝两位教授聊过之后，教授们很支持他的想法，将他的课题加入到本科生的毕设选题中，最终吸引了三位学弟来参与。

经过几个月的紧张开发，他们终于如期完成了项目，也就是Occlum，并且将成果投递到ASPLOS会议，结果高分录用!

ASPLOS大会全称是ACM编程语言和操作系统大会，是计算机系统领域的顶级国际会议，注重体系结构、编程语言、和操作系统之间的交叉。大会无论在学术还是工业界都具有巨大的影响力，也一直属于中国计算机学会(CCF)推荐的A类国际会议。ASPLOS 论文遴选非常严格，录用率长期维持在20%以下。

论文所介绍的Occlum，也就是Enclave libOS，可以让应用直接管理和调用硬件资源，而不需要对应用进行大规模的调整和修改，从而解决了之前SGX落地的最大难点，因为大量的存量应用很难进行这样的修改。

对于新应用的开发，Occlum也可以大幅降低开发成本。以一个最简单的 Hello World 为例。使用 Intel SGX SDK 开发的Hello World工程包含 10 个左右的文件，300 行左右的代码。相比之下，Occlum 不增加任何额外的代码，只需三行命令即可将 Linux 版的 Hello World 程序运行于 SGX enclave 中。

(3 行命令让代码在 Enclave 里跑起来)

展望未来，机密计算前景广阔

Occlum已经加入到支付宝打造的机密计算中间件SOFAEnclave当中，会在运行XGBoost、TensorFlow等程序时保护用户的数据。并且Occlum已经对外开源：

https://github.com/occlum/occlum

SOFAEnclave则和其它安全技术一起，成为支付宝构建“可信原生”的基石。

随着企业对于机密计算的尝试，它也逐渐引起了业界的重视，在研究机构Gartner发布的2019年云安全技术成熟度曲线报告中，首次将机密计算列入其中，并作为云安全技术模型中最初始的一环出现，说明了机密计算在整个云安全链路中起到的根本性作用。阿里云等云厂商也推出了自己的机密计算服务。

学术界也给予了机密计算极高的评价，来自加州伯克利大学的Dawn Song教授表示：“保守估计，10年内绝大多数的芯片都将支持机密计算能力。”

支付宝的机密计算也正处于大规模落地前夕，田洪亮和他的小伙伴们急需各类人才加入，欢迎应届同学踊跃投递简历，和大牛一起，攻关这个世界前沿课题!

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* 大学本科或以上学历，计算机或相关专业;

* 熟悉如下编程语言语言中的至少一种：C/C++、Java、Go和Rust;

* 熟悉如下技术领域中的至少一种：操作系统、容器、虚拟化、编译器、体系结构、程序分析、形式化验证、安全攻防、可信计算等;

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