Miljardit ihmiset käyttävät emeritaprofessori Kaisa Nybergin kehittämiä tietoturvaprotokollia päivittäin

Vuonna 1976 yhdysvaltalainen National Bureau of Standards -virasto julkaisi alunperin pankkeja varten kehitetyn salausalgoritmin yleiseen käyttöön. Sen myötä maailma sai yhden ensimmäisistä tietoturvaprotokollista käyttöönsä. Algoritmin julkaisun myötä myös uusi kryptologian tieteenala otti ensimmäisiä julkisia askeleitaan.

Samaan aikaan 28-vuotias väitöstutkija Kaisa Nyberg aloitteli väitöskirjaansa Helsingin yliopiston matematiikan laitoksella. Se käsitteli funktionaalianalyysiä, joka on matemaattisen analyysin osa-alue ja tutkii funktioavaruuksia ääretönulotteisina vektoriavaruuksina. Toisin sanoen, puhdasta matematiikkaa. 

Väitöskirjaa tehdessään ja sen jälkeen Nyberg teki määräaikaisia opettavan tutkijan töitä matematiikan laitoksella ja jatkoi funktionaalianalyysin tutkimusta. Hän vietti neljä vuotta ulkomailla diplomaattipuolisonsa René Nybergin mukana komennuksilla Yhdysvalloissa ja Belgiassa. Palattuaan Suomeen Nyberg nimitettiin matematiikan dosentiksi, mutta mahdollisuudet uran jatkamiseen yliopistolla näyttivät hankalilta.

”Yliopistolla ei ollut tarjolla pysyvämpää tehtävää ja koko aiempi seminaariryhmäni oli hajonnut ja kukin lähtenyt eri suuntiin.”

Kryptologian kannukset Puolustusvoimissa

Nyberg tutustui puolisonsa kautta vuonna 1987 kenraali Aimo Pajuseen. Pajunen toimi tuolloin Puolustusvoimien kansliapäällikkönä. Hän kehotti Nybergiä hakemaan salausmenetelmien tutkijaksi, koska katsoi että Puolustusvoimat tarvitsi matemaatikkoja tällaisiin tehtäviin.

Nybergin mukaan hänen aikaisemmasta työstään ei juuri ollut uudessa tehtävässä muuta hyötyä kuin vankka matemaatiikan tutkijan koulutus. 

”En tiennyt kryptologiasta yhtään mitään”, naurahtaa Nyberg. ”Opiskelin lukuteoriaa ja perehdyin sähköteknisten komponenttien matemaattiseen toimintaan Boolen funktioiden avulla. Siirtyminen käytännöllisten ongelmien pariin oli aluksi haastavaa. Puolustusvoimat halusivat ymmärtää muun muassa hankinnassa olevien kenttäradioiden salauksen turvallisuutta.”

Nyberg osallistui ensimmäiseen kryptologian konferenssiin vuonna 1988. Alalla oli tuohon aikaan vähän samanlainen buumi kuin tekoälyssä nykyään.

”Konferenssissa oli uuden tieteenalan viehätystä. Ihmiset olivat innoissaan ja erittäin mukavia – minulle muodostui nopeasti kansainvälinen verkosto, jonka kanssa pidimme tiiviisti yhteyttä”, kertoo Nyberg. ”Näiltä vuosilta eräs merkittävä tutkimuspaperini käsitteli Boolen funktioiden epälineaarisuutta, jonka oli todettu olevan hyvä ominaisuus salausalgoritmin vahvuuden kannalta. Löysin täydellisesti epälineaarisille funktioille rajoituksen, mikä tekee niistä vaikeasti hyödynnettäviä. Niiden sijasta ehdotin käytettäväksi melkein epälineaarisia (APN) funktioita, joilla tällaista rajoitusta ei ole.”

Tämä rajoitus tunnetaan nykyään nimellä Nyberg’s bound. Myös Yhdysvaltojen Kansallinen turvallisuusvirasto NSA oli kiinnostunut Nybergin tutkimusalasta ja kutsui hänet pitämään koko päivän pituisen luennon tutkijoilleen. ”Mitään palautetta en silloin luennostani saanut”, Nyberg kertoo. ”Palautetta tuli epäsuorasti vasta runsas kymmenen vuotta myöhemmin. Silloin ryhmä NSA:n tutkijoita julkaisi tutkimuksen, jossa esitettiin ratkaisu erääseen minulta jääneeseen avoimeen kysymykseen koskien APN-funktioiden olemassaoloa.” 

Vuonna 1992 Nybergien kolmilapsinen perhe lähti taas ulkomaan komennukselle silloisen Länsi-Saksan pääkaupunkiin Bonniin. Nyberg sai Maanpuolustuksen tieteelliseltä neuvottelukunnalta apurahan tutkimuksensa jatkamiseen. 

”Bonnista oli hyvin lyhyt matka muihin Euroopan pääkaupunkeihin tapaamaan kryptologian tutkijoita. Olin niin kuin vapaa taiteilija ja julkaisutoimintani oli aktiivista.”

Palattuaan ulkomaan komennukselta Suomeen Nyberg löysi itsensä tutusta mielentilasta.

”Tuntui että olin tullut teoreettisessa Boolen funktioiden tutkimuksessa tieni päähän. Olin myös aika yksin tutkimukseni kanssa Suomessa, josta tuntui olevan pitkä matka joka paikkaan”, kertoo Nyberg. 

Nokian huippuvuodet ja kansainvälinen standardointityö

Vuonna 1998 Nokia oli voimansa tunnossa. Se ohitti Motorolan maailman suurimpana matkapuhelinvalmistajana ja hallitsi noin kolmasosaa matkapuhelinten maailmanmarkkinoista. Nokian vaikutusvalta vei sen myös osaksi kansainvälisiä informaatio- ja viestintäteknologioiden teknisiä pelisääntöjä määrittelevää 3GPP-järjestöä.

Nokia rekrytoi valtavasti ihmisiä. Nybergin matemaatikkotuttava Valtteri Niemi oli juuri mennyt töihin Nokian tutkimuskeskukseen, joka tuntui houkuttelevalta työpaikalta myös Nybergille.

Niemi työskenteli matkapuhelinten turvallisuusjärjestelmien parissa osana kansainvälistä asiantuntijaryhmää. Nybergin aloittaessa Nokialla vuonna 1998 yrityksessä oli jo alettu kehittää 3G-verkkoa.

”Meidän tavoitteemme oli tehdä mahdollisimman hyvä salausalgoritmi 3G:n kautta kulkevaan tietoon”, sanoo Nyberg. ”Siksi minut sinne palkattiin. Edustin Nokiaa kansainvälisessä salausalgoritmien standardointityöryhmässä 3GPP-järjestössä. Nykyään Aallosta lähtee opiskelijoita suuriin teknologiayrityksiin lähes säännöllisesti, mutta tuohon aikaan Microsoftin kaltaisten toimijoiden kanssa työskentely oli vielä uutta ja jännittävää.”

Nokialla Nyberg teki yhden uransa teknisesti merkittävimmistä läpimurroista.

”Kehitimme kollegani N. Asokanin kanssa Nokialla muun muassa Bluetooth-laitteille uuden paritusmenetelmän, ja standardoimme sen yhdessä Microsoftin kryptologien kanssa. Tuolloin kehitetyt standardoidut salaustekniset ratkaisut ovat edelleen käytössä miljardeissa Bluetooth-laitteissa ympäri maailmaa”, Nyberg kertoo. 

Paluu akatemiaan ja professuuri Aalto-yliopistossa

Kryptologian merkitys internetin ja mobiiliverkkojen turvallisuuden perustana olevana tutkimusalana ymmärrettiin myös Suomessa. Teknillisessä korkeakoulussa (TKK, Aalto-yliopiston edeltäjä) oli perustettu kryptologian professuuri vuonna 1997. Myös Nybergiä oli kehoitettu hakemaan virkaa, mutta tuolloin häntä kiinnosti enemmän teollisuuskokemuksen hankkiminen. Kryptologian dosenttina hän kuitenkin jatkoi kryptologian kurssin pitämistä TKK:lla Nokia-vuosinaan.

Vuonna 2004 TKK:n kryptologian professuuri oli jälleen auki. 

”Minulle soitettiin Tietojenkäsittelyteorian laboratoriosta ja kehotettiin tutustumaan avoinna olevaan professuuriin”, kertoo Nyberg. 

Tällä kertaa Nyberg päätti jättää hakemuksen. ”Koin että minulla oli riittävät eväät professuurin menestyksekästä hoitamista varten.”

”Kun Kaisa aloitti TKK:lla professorina 2005, hän toi monella tavalla uutta diversiteettiä hyvin miesvaltaiseen työyhteisöön”, kertoo Ilkka Niemelä, Aalto-yliopiston rehtori, tietotekniikan professori ja Tietojenkäsittelyteorian laboratorion silloinen johtaja. ”Kaisa oli kansainvälisesti tunnustettu asiantuntija erityisesti lohkosalaustekniikkojen ja matkapuhelinten turvallisuuden kehittämisessä. Hänellä oli mittava kansainvälinen verkosto ja laaja työkokemus myös yliopistomaailman ulkopuolelta.”
 

Nybergin opiskelijat ovat siirtyneet monenlaisiin kryptologian tehtäviin tai jatkaneet akateemista uraansa menestyksekkäästi. 

”Kaisa osaa opettajana ja ohjaajana vaatia, mutta itseltään hän vaatii vielä enemmän. Näin hän on myös selvinnyt 70- ja 80-luvun yliopistomatematiikan maailmasta, joka on ollut hyvin miehinen”, kertoo Nybergin entinen väitöstutkija, joka työskentelee nykyään kryptologian parissa valtiollisessa organisaatiossa. ”Hän kykenee huolehtimaan siitä, että ohjattava pääsee keskittymään tutkimustyöhön. Hänellä on laaja näkemys kryptologiasta ja sen osa-alueista. Siksi Kaisalla on myös hyvä käsitys sopivista ja tuottoisista tutkimuskohteista. Kaisa on urallaan luonut sellaisia kryptologisia tuotteita tai periaatteita, että ne ovat edelleen käytössä.”

Oikeassa paikassa oikeaan aikaan

Ensimmäisestä julkisesta salausalgoritmista ja kotitietokoneiden markkinoilletulosta on jo lähes puoli vuosisataa. Maailma ympärillämme on digitalisoitunut siinä määrin, että välillä on mahdotonta erottaa digitaalista ja fyysistäelämäämme. Ihmisten yksityisyys on myös jatkuvasti koetuksella ympäri maailman.

Kryptologian tutkimuksen ja tuotteistamisen ansiosta tietoturva on tuotu myös tavallisten kansalaisten ja yhteiskunnan käyttöön. Tietoturvamarkkina on vuosittain yli 200 miljardin dollarin arvoinen bisnes. Kaisa Nybergin ura osoittaa, että yhdenkin ihmisen panos monimutkaisten järjestelmien kehittämisessä voi olla merkittävä, kun osaa olla oikeassa paikassa oikeaan aikaan. 

”Kaikki mobiiliverkkojen salausalgoritmit, jotka oli kehitetty ennen Kaisan mukaantuloa, on enemmän tai vähemmän murrettu. Tuskin on pelkkää sattumaa, että Kaisan mukaantulon jälkeen kehitetyistä mobiiliverkkojen salausalgoritmeista ei ole murrettu yhtäkään”, kertoo Valtteri Niemi.