Mã hóa đối xứng với khóa chung: cách nó bảo vệ dữ liệu của bạn

Khi bạn sử dụng internet, các tin nhắn, mật khẩu và dữ liệu cá nhân của bạn liên tục được truyền qua mạng. Để bảo vệ thông tin này khỏi những kẻ tấn công mạng, có một hệ thống mã hóa đặc biệt – mã hóa đối xứng. Phương pháp mã hóa này dựa trên một khóa bí mật duy nhất, được sử dụng cả để mã hóa lẫn giải mã thông tin.

Lịch sử, các thuật toán mã hóa đối xứng lần đầu tiên được các cơ quan chính phủ và quân đội áp dụng để giữ bí mật các liên lạc của họ. Ngày nay, nguyên tắc này trở thành nền tảng của an ninh cho hàng triệu hệ thống máy tính trên toàn thế giới.

Cách hoạt động thực sự của hệ thống khóa đối xứng

Hãy tưởng tượng bạn muốn gửi một tin nhắn bí mật cho bạn của mình. Cách đơn giản nhất là thỏa thuận về một “mã” đặc biệt mà chỉ hai người biết. Chính nguyên tắc này đã hình thành nên hệ thống mã hóa đối xứng dựa trên một khóa duy nhất.

Quá trình bắt đầu từ “văn bản rõ” – là tin nhắn hoặc dữ liệu gốc của bạn. Khi bạn gửi chúng qua thuật toán mã hóa (gọi là mã hóa), văn bản rõ được biến thành một chuỗi ký tự vô nghĩa – “văn bản mã hóa”. Văn bản mã hóa này ai cũng có thể nhìn thấy nếu chặn được tin nhắn của bạn, nhưng không thể đọc được nếu không có khóa đúng.

Người nhận, sở hữu cùng một khóa bí mật, sẽ đưa văn bản mã hóa qua thuật toán giải mã ngược lại và nhận lại tin nhắn gốc.

An toàn của toàn bộ hệ thống phụ thuộc vào một yếu tố: việc đoán đúng khóa có khó không? Một máy tính cố gắng thử tất cả các khả năng của khóa 128-bit sẽ mất hàng tỷ năm làm việc liên tục. Nếu mở rộng khóa lên 256-bit, nhiệm vụ này gần như không thể đối với các máy tính hiện đại mạnh nhất. Khóa dài 256-bit được coi là an toàn ngay cả trước các cuộc tấn công giả thuyết sử dụng máy tính lượng tử.

Hai phương pháp mã hóa: khối và luồng

Có hai cách chính mà mã hóa đối xứng hoạt động trong thực tế.

Mã khối chia dữ liệu của bạn thành các phần cố định – ví dụ, mỗi phần 128 bit. Mỗi khối được mã hóa riêng biệt bằng một thuật toán và một khóa duy nhất. Giống như cắt một bức thư thành các mảnh giống hệt nhau rồi đóng vào các phong bì riêng biệt, mỗi phong bì có một mã riêng.

Mã luồng hoạt động khác – chúng mã hóa dữ liệu không theo từng khối lớn, mà theo từng bit một. Giống như viết tin nhắn từng chữ cái một, rồi mã hóa ngay lập tức trước khi gửi đi.

Tại sao mã đối xứng không giống như mã bất đối xứng

Trong thế giới mã hóa còn có một phương pháp chính khác – mã bất đối xứng, và giữa chúng có những khác biệt căn bản.

Điểm khác biệt lớn nhất: mã đối xứng sử dụng một khóa cho cả hai thao tác (mã hóa và giải mã), còn mã bất đối xứng dùng hai khóa hoàn toàn khác nhau.

Trong hệ thống bất đối xứng, một khóa gọi là khóa công khai (khóa công khai) – ai cũng có thể biết. Khóa còn lại gọi là khóa riêng – bạn giữ bí mật. Nếu ai đó mã hóa dữ liệu bằng khóa công khai của bạn, chỉ có thể giải mã bằng khóa riêng của bạn.

Tuy nhiên, các thuật toán bất đối xứng có giá của nó: chúng hoạt động chậm hơn nhiều so với mã đối xứng, và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn. Thêm nữa, để đảm bảo mức độ bảo vệ tương đương, các khóa công khai và riêng tư phải dài hơn nhiều so với khóa đối xứng.

Ứng dụng của mã đối xứng trong máy tính của bạn

Nếu bạn từng dùng một ứng dụng nhắn tin để trò chuyện an toàn hoặc tải tệp lên dịch vụ đám mây, thì bạn đã từng làm việc với mã hóa đối xứng.

Ví dụ phổ biến nhất là AES (Advanced Encryption Standard, hay Tiêu Chuẩn Mã Hóa Nâng Cao). Thuật toán này được sử dụng rộng rãi: từ các ứng dụng nhắn tin bảo mật đến việc bảo vệ dữ liệu trên các máy chủ dịch vụ đám mây. AES có thể chạy trong phần mềm hoặc tích hợp trực tiếp vào chip của máy tính.

Phiên bản phổ biến nhất là AES-256, trong đó số 256 biểu thị độ dài khóa tính bằng bit. Các khóa này được coi là gần như không thể phá vỡ.

Thật thú vị: khi mọi người nghe về “mật mã học” trong bối cảnh chuỗi khối và Bitcoin, họ thường nghĩ đến mã hóa. Thực tế, các hệ thống này không dùng mã hóa, mà sử dụng một thuật toán ký số đặc biệt gọi là ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm). Thuật toán này tạo ra các “chữ ký” duy nhất để xác minh tính xác thực, chứ không mã hóa dữ liệu. ECDSA dựa trên toán học của các đường cong elliptic, có thể dùng cho nhiều nhiệm vụ, nhưng ECDSA không phù hợp để mã hóa dữ liệu.

TLS: khi mã đối xứng và bất đối xứng hợp tác cùng nhau

Một trong những vấn đề lớn nhất của mã đối xứng là khi bạn cần chia sẻ khóa bí mật với ai đó qua kênh không an toàn. Nếu bị chặn, toàn bộ an ninh sẽ bị phá vỡ.

Để giải quyết, các giao thức web hiện đại dùng phương pháp lai. Ban đầu, họ thiết lập kênh an toàn bằng mã bất đối xứng (để trao đổi khóa một cách an toàn), rồi sau đó chuyển sang mã đối xứng nhanh để truyền dữ liệu lớn.

Ví dụ rõ nhất của hệ thống lai này là giao thức TLS (Transport Layer Security), bảo vệ phần lớn internet ngày nay. Khi bạn truy cập một trang web bảo mật (địa chỉ bắt đầu bằng https://), bạn đang dùng chính TLS.

Tại sao mã đối xứng vẫn là lựa chọn tốt nhất cho tốc độ cao

Mã đối xứng có một số ưu điểm không thể phủ nhận, khiến nó trở thành công cụ không thể thiếu trong các hệ thống hiện đại:

• Tốc độ: Các thuật toán mã đối xứng hoạt động nhanh hơn nhiều so với bất đối xứng, phù hợp để mã hóa lượng lớn dữ liệu.

• Đơn giản: Các hệ thống dùng một khóa thì dễ triển khai hơn và tiêu tốn ít tài nguyên hơn.

• Bảo mật linh hoạt: Để tăng cường bảo vệ, chỉ cần tăng độ dài của khóa. Mỗi bit bổ sung làm tăng độ khó của việc phá mã theo cấp số nhân.

Tuy nhiên, mặt trái của nó là vấn đề truyền khóa. Khi khóa đối xứng được gửi qua kênh không bảo mật, nó có thể bị chặn. Nếu kẻ xấu lấy được khóa, toàn bộ dữ liệu mã hóa bằng khóa đó sẽ bị lộ.

Rủi ro trong thực thi

Cần hiểu rằng, một thuật toán an toàn về mặt toán học có thể bị phá vỡ do lỗi trong quá trình lập trình. Mặc dù khóa dài giúp chống lại các cuộc tấn công “tấn công vét cạn”, nhưng lỗi trong mã nguồn thường tạo ra các “lối sau”, cho phép kẻ xấu xâm nhập hệ thống. Chính vì vậy, kiểm tra an ninh và thử nghiệm lỗ hổng là cực kỳ quan trọng đối với bất kỳ hệ thống mã hóa nào.

Kết luận

Mã hóa đối xứng dùng một khóa duy nhất vẫn là một trong những công cụ quan trọng nhất để bảo vệ dữ liệu trong thế giới số. Từ việc bảo vệ lưu lượng internet của bạn đến dữ liệu trong các dịch vụ đám mây, phương pháp này cung cấp tốc độ, đơn giản và độ tin cậy cao. Mặc dù thường kết hợp với mã bất đối xứng để giải quyết vấn đề truyền khóa an toàn, mã hóa đối xứng vẫn là nền tảng của an ninh máy tính hiện đại.