Đối xứng, Bất đối xứng, Hash và hơn thế nữa…
Mật mã học là một kỹ thuật bảo mật thông tin và liên lạc bằng cách sử dụng một tập hợp các phép tính dựa trên quy tắc được gọi là thuật toán và một số khái niệm toán học để chỉ người phù hợp mới có thể hiểu được.
Nó rất hữu ích để ngăn chặn truy cập trái phép vào thông tin.
Từ “mật mã” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp kryptos, có nghĩa là ẩn. Từ “crypto” có nghĩa là “ẩn” và “Graphy” có nghĩa là “viết”.
Trong bài viết này, tôi sẽ đề cập đến những kiến thức cơ bản về nguyên tắc mật mã, khám phá nhiều loại khác nhau bằng các ví dụ, thảo luận về những thách thức và đón đầu các xu hướng trong tương lai. Tôi mong muốn cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện, bao gồm cả các khái niệm chính và phụ.
Mật mã đảm bảo thông tin và liên lạc kỹ thuật số trong các hệ thống và ứng dụng khác nhau, đảm bảo tính bảo mật và bảo mật dữ liệu. Nó bảo vệ dữ liệu khỏi sự truy cập trái phép.
Hãy xem điều gì xảy ra trong mật mã:
Bây giờ, hãy khám phá các nguyên tắc cơ bản của mật mã.
Mục lục
Nguyên tắc cơ bản của mật mã
Có bốn nguyên tắc chính của mật mã:
#1. Tính bảo mật: Chỉ người nhận dự định mới có thể truy cập thông tin; nó vẫn còn riêng tư đối với người khác.
#2. Tính toàn vẹn: Thông tin không thể bị thay đổi trong quá trình lưu trữ hoặc truyền tải mà không phát hiện bất kỳ thay đổi nào.
#3. Chống chối bỏ: Người gửi không thể từ chối việc gửi thông tin sau này.
#4. Xác thực: Nó xác nhận danh tính của cả người gửi và người nhận, đồng thời xác minh nguồn và đích của thông tin.
Trước khi tiếp tục, chúng ta hãy điểm qua một số từ vựng cơ bản.
Bảng chú giải:
WordMeaningCryptographyNó là một kỹ thuật bảo mật thông tin và giao tiếp bằng cách sử dụng một tập hợp các phép tính dựa trên quy tắc được gọi là thuật toán và một số khái niệm toán học để chỉ người phù hợp mới có thể hiểu được nó. Mật mã là một phương pháp hoặc thuật toán được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu Mã hóaQuá trình chuyển đổi bản rõ thành bản mãBản rõDạng dữ liệu hoặc văn bản gốc, không được mã hóaCiphertextDữ liệu được mã hóa (một dạng dữ liệu được mã hóa) hoặc văn bảnGiải mãQuy trình ngược lại để chuyển văn bản mã hóa trở lại bản rõ bằng cách sử dụng khóa giải mãKhóaKhóa giải mã là một phần thông tin, thường là một chuỗi bit, được sử dụng để điều khiển quá trình mã hóa và giải mã.Trao đổi khóaViệc truyền các khóa mã hóa một cách an toàn giữa người gửi và người nhận.Bảng thuật ngữ mật mã
Có ba loại Mật mã cơ bản:
Mật mã khóa đối xứng
Mật mã khóa đối xứng, còn được gọi là Mã hóa khóa đơn, là một kỹ thuật mã hóa dựa trên một khóa bí mật duy nhất cho cả mã hóa và giải mã dữ liệu.
Trong phương pháp này, cả người gửi và người nhận đều cần sử dụng cùng một khóa bí mật để hiểu dữ liệu. Nó hoạt động bằng cách thay đổi dữ liệu bình thường thành mã bí mật (bản mã) bằng cách sử dụng khóa bí mật và một quy trình toán học cụ thể.
Khi người nhận, người cũng biết khóa bí mật, nhận được tin nhắn được mã hóa bí mật, họ có thể sử dụng quy trình toán học tương tự để biến nó trở lại dữ liệu bình thường. Bằng cách này, người nhận sẽ nhận được thông tin gốc từ mã bí mật.
Mật mã đối xứng
Hãy cùng tìm hiểu quy trình qua các bước sau:
- Thuật toán chuyển đổi văn bản gốc (bản rõ) thành bản mã bằng cách sử dụng khóa bí mật.
- Sau đó, người gửi gửi bản mã đó đến người nhận thông qua kênh liên lạc. Kênh liên lạc này là riêng tư hoặc công khai.
- Người nhận sử dụng cùng một khóa bí mật để giải mã bản mã đó và chuyển nó thành văn bản gốc.
Quá trình mã hóa đối xứng này đảm bảo rằng thông tin liên lạc giữa người gửi và người nhận vẫn được an toàn. Tuy nhiên, khóa bí mật cần phải được bảo mật.
Để duy trì tính bí mật và toàn vẹn, cả hai bên phải quản lý và bảo vệ khóa bí mật này một cách an toàn.
Có hai loại mật mã mã hóa đối xứng:
Stream CipherBlock CipherMã hóa dữ liệu theo các khối có độ dài cố địnhTrong khi dữ liệu đang được mã hóa, hệ thống sẽ giữ lại nó trong bộ nhớ, đợi cho đến khi các khối hoàn chỉnh sẵn sàng để xử lýMã hóa dữ liệu từng bit hoặc byte mỗi lần Mã hóa dữ liệu theo các khối có độ dài cố địnhSử dụng 8 bit của khóaSử dụng 64 bit hoặc hơn 64 bit của khóaPhức tạp hơn mật mã khốiĐơn giản hơn mật mã luồngMã hóa dữ liệu trong các khối có độ dài cố địnhChậm và phù hợp cho các ứng dụng ngoại tuyếnSử dụng chế độ CFB và OFBSử dụng chế độ ECB và CBC.Mật mã luồng so với mật mã khối
Một số ví dụ về thuật toán mã hóa đối xứng bao gồm:
- AES (Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao): Nó được biết đến với tính bảo mật và hiệu quả. Nó thường được sử dụng để bảo mật dữ liệu nhạy cảm như bảo mật không dây, điện toán đám mây, ngân hàng và thương mại điện tử.
- DES (Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu): Đây là phương pháp mã hóa cũ hơn được thay thế bằng AES và 3DES. Nó sử dụng khóa 56 bit.
- IDEA (Thuật toán mã hóa dữ liệu quốc tế): Nó sử dụng khóa 128 bit và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
- Blowfish: Thuật toán được thiết kế để thay thế cho DES hoặc IDEA.
- RC4 (Rivest Cipher 4): Được phát triển bởi Ron Rivest. Nó được biết đến vì sự đơn giản và tốc độ nhưng có một số lo ngại về bảo mật trong một số triển khai nhất định.
- RC5 (Rivest Cipher 5): Nó được thiết kế để hoạt động hiệu quả và an toàn, với kích thước khối và kích thước khóa có thể thay đổi.
- RC6 (Rivest Cipher 6): Nó được thiết kế để cung cấp tính bảo mật và hiệu suất được cải thiện so với các phiên bản trước.
AES, DES, IDEA, Blowfish, RC5 và RC6 là Mật mã khối.
RC4 là Mật mã luồng.
Ưu điểm của mật mã khóa đối xứng
- Nó nhanh hơn và hiệu quả hơn mật mã bất đối xứng
- Kích thước của khóa nhỏ, cho phép tạo ra các mật mã mạnh hơn.
- Việc tạo ra các khóa mạnh cho mật mã là tương đối hiệu quả về mặt chi phí.
- AES là một trong những thuật toán an toàn.
Nhược điểm của mật mã khóa đối xứng
- Chia sẻ khóa mã hóa một cách an toàn với tất cả các bên cần liên lạc an toàn là một thách thức lớn của mật mã đối xứng.
- Bảo mật của toàn bộ hệ thống có thể bị vi phạm nếu khóa bị kẻ tấn công chặn hoặc xâm phạm trong quá trình truyền.
- Hệ thống mã hóa đối xứng yêu cầu thực hành quản lý khóa cẩn thận. Điều này bao gồm việc tạo, lưu trữ, cập nhật và thu hồi khóa. Quản lý sai chìa khóa có thể dẫn đến vi phạm an ninh.
- Kẻ tấn công có thể chặn các khóa được trao đổi qua một kênh không an toàn, dẫn đến sự xâm phạm thông tin liên lạc.
Tuy nhiên, mã hóa đối xứng là một phần thiết yếu của mật mã hiện đại và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, bất chấp những hạn chế của nó.
Thực tiễn quản lý khóa mạnh mẽ và phương pháp trao đổi khóa an toàn có thể giúp vượt qua một số thách thức của mật mã đối xứng.
Mật mã khóa bất đối xứng
Mật mã bất đối xứng sử dụng các cặp khóa – một khóa riêng được giữ bí mật và một khóa công khai được chia sẻ công khai. Bạn có thể sử dụng khóa chung của ai đó để mã hóa tin nhắn và chỉ họ mới có thể giải mã nó bằng khóa riêng của mình.
Phương pháp này tăng cường bảo mật kỹ thuật số bằng cách cho phép liên lạc an toàn mà không cần chia sẻ khóa bí mật, điều này rất quan trọng trong thế giới trực tuyến của chúng ta.
Điều này rất hữu ích cho việc liên lạc an toàn vì người nhận chỉ cần khóa chung của bạn. Nó loại bỏ nguy cơ chia sẻ khóa đối xứng bí mật.
Các “thuật toán khóa công khai” này sử dụng một cặp khóa để bảo mật dữ liệu.
Đây là một sự cố đơn giản hơn:
Mật mã đối xứng và bất đối xứng
- Có hai chìa khóa. Khóa công khai mà mọi người đều có thể truy cập và khóa riêng được giữ bí mật.
- Khóa chung được sử dụng để mã hóa hoặc khóa dữ liệu.
- Khóa riêng được sử dụng để giải mã hoặc mở khóa dữ liệu.
Điều quan trọng là phải hiểu rằng bạn không thể tìm ra khóa riêng từ khóa chung. Ngoài ra, khóa công khai thường được liên kết với danh tính của các tổ chức được gọi là Cơ quan cấp chứng chỉ.
Người gửi và người nhận liên lạc an toàn đã trao đổi một tin nhắn an toàn mà không ảnh hưởng đến khóa riêng của họ.
Các thuật toán này dựa trên các vấn đề toán học như hệ số nguyên và logarit rời rạc để tạo chữ ký số và thiết lập/phân phối khóa phiên, chẳng hạn như trong giao thức TLS.
Một số ví dụ về thuật toán mã hóa bất đối xứng bao gồm:
- RSA (Rivest-Shamir-Adleman): RSA là một trong những thuật toán mã hóa bất đối xứng được sử dụng rộng rãi nhất. Nó dựa trên các đặc tính toán học của các số nguyên tố lớn và thường được sử dụng để trao đổi khóa an toàn và chữ ký số.
- Mật mã đường cong Elliptic (ECC): Nó dựa trên cấu trúc đại số của các đường cong elip trên các trường hữu hạn. ECC mang lại lợi thế về kích thước khóa nhỏ hơn so với mật mã không phải EC dựa trên các trường Galois đơn giản. ECC chủ yếu được sử dụng để tạo số giả ngẫu nhiên và chữ ký số.
- Trao đổi khóa Diffie-Hellman: Thuật toán này được sử dụng để trao đổi khóa an toàn. Khóa được tạo bằng phương pháp này có thể được sử dụng để mã hóa bằng thuật toán đối xứng. Mục đích chính của Diffie-Hellman là cho phép hai bên tạo khóa bí mật chung trên kênh liên lạc không an toàn.
Ưu điểm của mật mã bất đối xứng
- Mã hóa bất đối xứng cung cấp khả năng bảo mật mạnh mẽ hơn so với mật mã đối xứng.
- Người nhận có thể xác minh danh tính của người gửi.
- Mã hóa bất đối xứng đã giải quyết được vấn đề liên quan đến phân phối khóa mà tôi đã đề cập ở phần nhược điểm của mật mã khóa đối xứng.
- Người nhận tin nhắn có thể phát hiện xem tin nhắn có bị thay đổi trong quá trình truyền hay không.
Nhược điểm của mật mã khóa bất đối xứng
- Mã hóa bất đối xứng là một quá trình chậm hơn so với mật mã đối xứng.
- Mã hóa và giải mã bất đối xứng đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn mật mã đối xứng.
- Mật mã bất đối xứng dựa trên khóa chung và khóa riêng. Việc quản lý các khóa này một cách an toàn có thể phức tạp và đầy thách thức, đặc biệt là trong các hệ thống quy mô lớn.
- Nhược điểm tiềm tàng đáng kể nhất của mật mã bất đối xứng là tính dễ bị tổn thương của nó đối với máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử có khả năng giải quyết một số vấn đề toán học nhất định, như hệ số nguyên và logarit rời rạc, hiệu quả hơn nhiều so với máy tính cổ điển.
Tuy nhiên, không cần phải lo lắng, các tổ chức và nhà nghiên cứu đang nỗ lực chuyển đổi sang các kỹ thuật mã hóa kháng lượng tử này.
Hãy chuyển sang loại mật mã tiếp theo của chúng ta:
Hàm băm
Hàm băm mật mã khác với các loại mật mã khác. Họ không mã hóa dữ liệu. Thay vào đó, họ sử dụng phép toán phức tạp để biến bất kỳ dữ liệu nào thành một mã duy nhất được tạo thành từ các chữ cái và số.
Các mã này được gọi là mã băm, giá trị băm hoặc bản tóm tắt thông điệp. Chúng rất quan trọng để kiểm tra xem dữ liệu có an toàn hay không; khi dữ liệu được gửi hoặc lưu trữ, mã băm của nó sẽ được tính toán và gửi hoặc lưu giữ cùng với dữ liệu.
Người nhận có thể tính toán lại mã của dữ liệu họ nhận được và kiểm tra nó với dữ liệu đã gửi. Nếu các mã khớp nhau, điều đó có nghĩa là dữ liệu được an toàn trong quá trình truyền và lưu trữ.
Đây là lời giải thích từng bước đơn giản:
Hàm băm
Phía người gửi:
Phía người nhận:
Kết quả:
- Nếu mã băm khớp nhau, điều đó có nghĩa là tin nhắn không bị thay đổi trong quá trình truyền và được coi là an toàn.
- Nếu mã băm không khớp, điều đó cho thấy rằng tin nhắn có thể đã bị thay đổi và nó không được coi là an toàn.
Dưới đây là một số thuộc tính làm cho hàm băm trở nên hữu ích:
Thuộc tính của hàm băm:
Hàm băm có nhiều ứng dụng trong khoa học máy tính và bảo mật thông tin, bao gồm mật mã, kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu, lập chỉ mục dữ liệu, lấy dấu vân tay dữ liệu, lưu trữ mật khẩu, pháp y kỹ thuật số và chuỗi khối.
Các hàm băm mật mã thường được sử dụng bao gồm:
Có hai họ hàm băm mật mã được sử dụng rộng rãi – họ MD (MD = thông báo tóm tắt) và họ SHA (SHA = thuật toán băm an toàn).
- SHA-1 (Thuật toán băm an toàn 1): Đây là một trong những hàm băm phổ biến. Tuy nhiên, SHA-1 hiện được coi là yếu do có lỗ hổng cho phép thực hiện các cuộc tấn công va chạm thực tế. Nó không còn được sử dụng cho hầu hết các ứng dụng bảo mật.
- MD5 (Thuật toán phân loại thông báo 5): MD5 trước đây rất phổ biến nhưng hiện nay bị coi là yếu do lỗ hổng va chạm. Nó thường không được sử dụng cho các ứng dụng nhạy cảm về bảo mật.
- SHA-3: SHA-3 là một họ hàm băm mới hơn được lựa chọn thông qua một cuộc thi bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ (NIST). Nó cung cấp bảo mật mạnh mẽ và được thiết kế để chống lại một số loại tấn công nhất định.
Mặc dù hàm băm không mã hóa tin nhắn nhưng chúng là một phần không thể thiếu của mật mã vì chúng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo mật và xác thực dữ liệu, vốn là mục tiêu chính trong mật mã.
Ưu điểm của hàm băm
- Hàm băm an toàn đảm bảo khả năng chống va chạm cao.
- Hai tệp có thể được so sánh về sự bằng nhau một cách dễ dàng thông qua hàm băm.
- Hàm băm cực kỳ nhanh và hiệu quả.
- Trong DBMS, hàm băm được sử dụng để tìm kiếm vị trí của dữ liệu mà không sử dụng cấu trúc chỉ mục.
Nhược điểm của hàm băm
- Hàm băm có thể hoạt động kém hiệu quả hơn khi có nhiều xung đột.
- Không có giá trị null được cho phép.
- Việc triển khai bảng băm có thể là một nhiệm vụ đầy thách thức do tính phức tạp của chúng.
- Trong thực tế, gần như không thể ngăn chặn hoàn toàn các xung đột băm khi xử lý một tập hợp lớn các khóa tiềm năng.
Cũng đọc: Cách tự bảo vệ mình khỏi cuộc tấn công trên bàn cầu vồng
Ứng dụng thực tế của mật mã
- Xác thực/Chữ ký số: Xác thực là quá trình quan trọng để xác nhận tính xác thực của dữ liệu, xác minh nguồn của tài liệu, xác thực danh tính người gửi, độ chính xác của dấu thời gian và đảm bảo tính hợp pháp của danh tính máy tính hoặc người dùng. Chữ ký số sử dụng các phương pháp mã hóa liên quan đến hàm băm và khóa riêng để xác thực và ký tài liệu một cách an toàn.
- Mã hóa lưu trữ đám mây: Mật mã được sử dụng để bảo mật các tệp được lưu trữ trên đám mây và trong quá trình truyền đến và từ các dịch vụ đám mây.
- Tiền điện tử: Tiền điện tử liên quan đến việc chuyển tiền điện tử giữa các bên, có thể là ghi nợ hoặc tín dụng và ẩn danh hoặc được xác định. Nó sử dụng mã hóa, chữ ký số và mật mã khóa công khai để bảo mật, cho phép nhiều loại giao dịch khác nhau.
- Mã hóa/Giải mã trong Email: Mã hóa email bảo vệ nội dung email khỏi bị truy cập trái phép bằng cách sử dụng mật mã khóa chung. Mỗi người dùng có một cặp khóa chung và khóa riêng, trong đó khóa chung được sử dụng để mã hóa và chỉ khóa riêng mới có thể giải mã được tin nhắn.
- Mã hóa trong WhatsApp: WhatsApp sử dụng giao thức tín hiệu để mã hóa, kết hợp mật mã khóa đối xứng và bất đối xứng để bảo mật, toàn vẹn, xác thực và không thoái thác. Các thuật toán dựa trên Curve25519 được sử dụng để trao đổi khóa.
- Mã hóa trong Instagram: Giao tiếp trên Instagram được mã hóa bằng SSL/TLS qua cổng 443, ngăn chặn việc nghe lén dữ liệu được trao đổi giữa người dùng và máy chủ Instagram.
- Xác thực thẻ SIM: Xác thực thẻ SIM bao gồm việc xác minh quyền truy cập vào mạng của thẻ SIM bằng cách tạo một số ngẫu nhiên và áp dụng các thuật toán như A3 với khóa bí mật Ki. Quá trình mã hóa dựa trên thuật toán A8 và khóa phiên KC, được sử dụng cùng với thuật toán A5 để mã hóa/giải mã dữ liệu.
Những thách thức trong mật mã
- Quản lý khóa vẫn là một thách thức vì việc phân phối và quản lý khóa mã hóa một cách an toàn rất phức tạp, đặc biệt là trong các hệ thống quy mô lớn. Cơ chế lưu trữ và phục hồi khóa cần phải mạnh mẽ.
- Mật mã đối xứng có thể trở nên kém hiệu quả khi nhiều người dùng cần liên lạc an toàn. Mỗi cặp người dùng yêu cầu một khóa duy nhất, khóa này có thể trở nên khó sử dụng khi số lượng người dùng tăng lên.
- Mật mã bất đối xứng thường yêu cầu khóa dài hơn mật mã đối xứng để đạt được cùng mức độ bảo mật. Điều này có thể dẫn đến việc xử lý chậm hơn và tăng yêu cầu về tài nguyên.
- Việc phát hiện ra các lỗ hổng hoặc điểm yếu trong hàm băm có thể dẫn đến vi phạm an ninh. Cộng đồng mật mã phải liên tục phân tích và điều chỉnh các hàm băm để giảm thiểu những rủi ro đó.
- Trong các ứng dụng sử dụng hàm băm để lưu trữ mật khẩu, việc đánh dấu mật khẩu thích hợp là cần thiết để ngăn chặn các cuộc tấn công bảng cầu vồng. Thách thức nằm ở việc đảm bảo rằng muối là duy nhất và bí mật.
- Sự xuất hiện của điện toán lượng tử đặt ra một thách thức đáng kể đối với thế giới mật mã. Máy tính lượng tử cực kỳ nhanh chóng trong việc giải quyết các vấn đề toán học cụ thể, tận dụng các nguyên lý đặc biệt của vật lý lượng tử để tạo ra khả năng tính toán phi thường của chúng.
Tốc độ này đe dọa nền tảng của các hệ thống mật mã hiện tại của chúng tôi, vốn dựa vào sự phức tạp của một số thách thức toán học nhất định để đảm bảo an toàn dữ liệu. Máy tính lượng tử có khả năng giải quyết những vấn đề này nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường, có khả năng ảnh hưởng đến sự an toàn của các phương pháp mã hóa của chúng ta.
Các nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử mà máy tính lượng tử sử dụng thực sự khác thường nhưng mang lại cho chúng sức mạnh để thực hiện các nhiệm vụ nằm ngoài tầm với của máy tính cổ điển.
Do đó, nhu cầu phát triển các kỹ thuật mã hóa mới có thể chống lại các cuộc tấn công lượng tử ngày càng trở nên cấp bách, tạo ra thách thức liên tục trong lĩnh vực mật mã.
Xu hướng tương lai về mật mã
- Phát triển và áp dụng các thuật toán mã hóa hậu lượng tử có khả năng chống lại các cuộc tấn công lượng tử sẽ là một xu hướng đáng kể. Các thuật toán như mật mã dựa trên mạng đang được khám phá.
- Ngày càng có nhiều người chấp nhận mã hóa và quản lý khóa dựa trên đám mây, đặc biệt là trong lĩnh vực tài chính. Mã hóa đồng hình cho phép tính toán trên dữ liệu được mã hóa mà không cần giải mã. Điều này có thể nâng cao quyền riêng tư trong điện toán đám mây và xử lý dữ liệu.
- Mật mã đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo mật công nghệ blockchain và cả hai sẽ tiếp tục gắn bó với nhau trong tương lai.
- Với các quy định bảo vệ dữ liệu ngày càng tăng, chẳng hạn như GDPR, mã thông báo đang được sử dụng thường xuyên hơn trong chăm sóc sức khỏe, dịch vụ tài chính và doanh nghiệp. Mã thông báo thay thế dữ liệu thực tế bằng mã thông báo vô giá trị đối với tin tặc.
Từ cuối cùng
Mật mã học là một lĩnh vực rộng lớn có nhiều điều để khám phá và chúng tôi chỉ mới bắt đầu bằng cách đề cập đến những kiến thức cơ bản về mật mã.
Chúng tôi đã đề cập đến mật mã, các nguyên tắc, loại mật mã, hàm băm, thách thức, xu hướng trong tương lai và các ứng dụng thực tế.
Tuy nhiên, còn nhiều điều nữa để khám phá.
Tiếp theo, Mật mã đám mây: Hướng dẫn giới thiệu và Nghiên cứu điển hình về Google Cloud.
