Mật mã đối xứng: một trụ cột của an ninh dữ liệu

Mã hóa đối xứng, còn được gọi là mã hóa đối xứng, là một phương pháp cơ bản để bảo vệ thông tin. Quy trình này sử dụng một khóa duy nhất để vừa mã hóa vừa giải mã các tin nhắn. Trong nhiều thập kỷ, các chính phủ và lực lượng vũ trang đã sử dụng rộng rãi kỹ thuật này cho các giao tiếp bí mật của họ. Ngày nay, các thuật toán với khóa đối xứng hiện diện trong nhiều hệ thống máy tính khác nhau, tăng cường đáng kể độ bảo mật của dữ liệu.

Nguyên tắc hoạt động của mã hóa đối xứng

Mã hóa đối xứng dựa trên việc sử dụng một khóa bí mật được chia sẻ giữa hai hoặc nhiều người dùng. Khóa này được sử dụng để vừa chuyển đổi văn bản rõ thành tin nhắn đã mã hóa vừa thực hiện thao tác ngược lại. Quy trình mã hóa bao gồm việc đưa văn bản gốc qua một thuật toán mật mã, từ đó tạo ra một tin nhắn đã được mã hóa.

Nếu thuật toán đủ mạnh, chỉ cần sở hữu khóa thích hợp sẽ cho phép giải mã thông điệp và truy cập vào nội dung của nó. Việc giải mã chủ yếu là chuyển đổi lại văn bản đã mã hóa thành văn bản có thể đọc được.

An ninh của các hệ thống mã hóa đối xứng phụ thuộc vào độ khó trong việc đoán khóa bằng các phương pháp ngẫu nhiên. Chẳng hạn, một khóa 128 bit sẽ cần hàng tỷ năm để bị "bẻ khóa" bằng phần cứng máy tính tiêu chuẩn. Khóa càng dài, càng khó bị xâm phạm. Các khóa 256 bit thường được coi là cực kỳ an toàn và theo lý thuyết thì chống lại các cuộc tấn công brute force do máy tính thông thường thực hiện.

Hai loại mã hóa đối xứng thường được sử dụng ngày nay: mã hóa khối và mã hóa dòng. Mã hóa khối xử lý dữ liệu theo nhóm có kích thước cố định, mỗi khối được mã hóa bằng cách sử dụng khóa và thuật toán tương ứng. Ngược lại, mã hóa dòng hoạt động từng bit một, mã hóa văn bản rõ ràng một cách tiến bộ.

So sánh với mã hóa bất đối xứng

Mã hóa đối xứng là một trong hai phương pháp chính để mã hóa dữ liệu trong các hệ thống máy tính hiện đại, phương pháp còn lại là mã hóa bất đối xứng, đôi khi được gọi là mật mã khóa công khai. Sự khác biệt chính nằm ở chỗ các hệ thống bất đối xứng sử dụng hai khóa riêng biệt, trái ngược với một khóa duy nhất được sử dụng trong các sơ đồ đối xứng. Một trong các khóa có thể được chia sẻ công khai (khóa công khai), trong khi khóa kia phải được giữ bí mật (khóa riêng).

Việc sử dụng hai khóa thay vì một khóa duy nhất dẫn đến nhiều sự khác biệt về chức năng giữa hai loại mã hóa này. Các thuật toán bất đối xứng thường phức tạp hơn và chậm hơn so với các thuật toán đối xứng. Hơn nữa, các khóa công khai và riêng tư được sử dụng trong mã hóa bất đối xứng có mối liên hệ toán học với nhau ở một mức độ nhất định, do đó chúng phải dài hơn đáng kể để cung cấp mức độ bảo mật tương đương với các khóa đối xứng 128 hoặc 256 bit.

Ứng dụng trong các hệ thống máy tính hiện đại

Các thuật toán mã hóa đối xứng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống máy tính hiện đại để tăng cường bảo mật dữ liệu và bảo vệ quyền riêng tư của người dùng. Tiêu chuẩn AES (Advanced Encryption Standard), rất phổ biến trong các ứng dụng nhắn tin an toàn và lưu trữ đám mây, là một ví dụ nổi bật về mã hóa đối xứng.

Ngoài các triển khai phần mềm, AES cũng có thể được tích hợp trực tiếp vào phần cứng máy tính. Các sơ đồ mã hóa đối xứng dựa trên phần cứng thường sử dụng AES-256, một biến thể cụ thể của tiêu chuẩn mã hóa nâng cao sử dụng khóa 256 bit.

Điều quan trọng cần lưu ý là, trái với ý kiến phổ biến, blockchain của Bitcoin không sử dụng mã hóa theo nghĩa đúng. Nó dựa vào một loại thuật toán chữ ký số cụ thể (DSA) được gọi là thuật toán chữ ký số đường cong ellip (ECDSA), tạo ra các chữ ký số mà không cần đến việc mã hóa.

Một sự nhầm lẫn phổ biến xuất phát từ việc ECDSA dựa trên mã hóa trên các đường cong elliptiques (ECC), có thể được áp dụng cho nhiều nhiệm vụ khác nhau, bao gồm mã hóa, chữ ký số và việc tạo ra các số ngẫu nhiên giả. Tuy nhiên, chính ECDSA không thể được sử dụng để mã hóa dưới bất kỳ hình thức nào.

Lợi ích và hạn chế của mã hóa đối xứng

Các thuật toán đối xứng cung cấp mức độ bảo mật cao trong khi cho phép mã hóa và giải mã nhanh chóng các tin nhắn. Sự đơn giản tương đối của các hệ thống đối xứng cũng là một lợi thế về mặt logistics, vì chúng yêu cầu ít sức mạnh tính toán hơn so với các hệ thống bất đối xứng. Hơn nữa, độ bảo mật được cung cấp bởi mã hóa đối xứng có thể được tăng cường đơn giản bằng cách tăng chiều dài của các khóa. Mỗi bit bổ sung được thêm vào chiều dài của một khóa đối xứng làm tăng theo cấp số nhân độ khó trong việc giải mã tin nhắn qua một cuộc tấn công brute force.

Mặc dù có nhiều lợi thế, mã hóa đối xứng có một nhược điểm lớn: vấn đề liên quan đến việc truyền tải an toàn các khóa được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu. Khi các khóa này được chia sẻ qua một kết nối không an toàn, chúng có nguy cơ bị bên thứ ba độc hại chặn lại. Nếu một người dùng không được phép truy cập vào một khóa đối xứng cụ thể, thì độ bảo mật của dữ liệu được mã hóa bằng khóa này sẽ bị xâm phạm. Để giải quyết vấn đề này, nhiều giao thức Web sử dụng sự kết hợp của mã hóa đối xứng và bất đối xứng để thiết lập các kết nối an toàn. Giao thức mật mã TLS (Transport Layer Security), được sử dụng để bảo vệ một phần lớn của Internet hiện đại, là một trong những ví dụ nổi bật nhất về một hệ thống hybrid như vậy.

Cũng cần nhấn mạnh rằng tất cả các loại mã hóa máy tính đều có thể có các lỗ hổng nếu việc triển khai của chúng không được thực hiện đúng cách. Mặc dù một khóa đủ dài có thể khiến một cuộc tấn công bằng brute force về mặt toán học là không thể, nhưng những lỗi trong việc triển khai do các nhà phát triển gây ra thường tạo ra những điểm yếu mở đường cho các cuộc tấn công mạng.

Suy nghĩ cuối cùng

Nhờ vào tốc độ tương đối nhanh, sự đơn giản và mức độ bảo mật cao, mã hóa đối xứng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng từ việc bảo vệ lưu lượng Internet đến việc bảo vệ dữ liệu được lưu trữ trên các máy chủ đám mây. Mặc dù nó thường được kết hợp với mã hóa bất đối xứng để giải quyết vấn đề chuyển giao an toàn các khóa, mã hóa đối xứng vẫn là một yếu tố thiết yếu của an ninh máy tính hiện đại.