Mã hóa đối xứng là gì? Ứng dụng của mã hóa đối xứng trong crypto

1. Mã hóa đối xứng là gì?

Mã hóa đối xứng là một phương pháp mã hóa mà cùng một khóa được sử dụng cả khi mã hóa và giải mã dữ liệu. Trong quá trình mã hóa đối xứng, thông tin được chuyển đổi từ dạng rõ ràng sang dạng được mã hóa bằng cách sử dụng khóa, và quá trình giải mã được thực hiện bằng cách sử dụng khóa cùng đó. Nói cách khác, cùng một khóa được sử dụng cho cả quá trình mã hóa và giải mã.

Mã hóa đối xứng thường được sử dụng trong các tình huống cần sự đơn giản và hiệu quả với điều kiện rằng người giải mã có thể có được khóa. Một trong những thuật toán mã hóa đối xứng phổ biến nhất là AES (Advanced Encryption Standard).

2. Cơ chế hoạt động

Với việc sử dụng duy nhất một chìa khóa để mã hóa cũng như giải mã, quá trình mã hóa sẽ bao gồm việc chạy một mã gốc (đầu vào) thông qua một thuật toán mã hóa được gọi là điện tính mã hóa, từ đó tạo ra một bản mã (đầu ra).

Nếu sơ đồ mã hóa đủ mạnh, cách duy nhất để một người đọc hoặc truy cập thông tin chứa trong bản mã là sử dụng chìa khóa tương ứng để giải mã nó. Quá trình giải mã về cơ bản là chuyển đổi bản mã trở lại mã gốc.

Mã hóa đối xứng trong crypto hoạt động theo các bước cơ bản để bảo vệ tính an toàn của dữ liệu.

• Mã hóa đối xứng được sử dụng trong các giao thức an ninh của blockchain và các loại tiền điện tử để bảo vệ thông tin giao dịch và bảo mật ví.
• Mã hóa đối xứng cũng có thể được sử dụng để bảo vệ thông tin cá nhân, như khóa riêng tư và mật khẩu.

Dưới đây là một mô tả tổng quan về cơ chế hoạt động của mã hóa đối xứng trong crypto:

• Khóa: Cả quá trình mã hóa và giải mã đều sử dụng một khóa chung. Khóa này là một chuỗi bit, và tính an toàn của dữ liệu phụ thuộc lớn vào việc giữ cho khóa này bí mật.
• Mã hóa: Trong quá trình mã hóa, thông điệp rõ ràng (plaintext) được chuyển đổi thành một định dạng không đọc được gọi là mã hóa (ciphertext). Các thuật toán mã hóa đối xứng, như AES (Advanced Encryption Standard), sử dụng khóa để thực hiện phép biến đổi phức tạp trên dữ liệu để tạo ra ciphertext.
• Giải mã: Trong quá trình giải mã, ciphertext được chuyển về lại thông điệp rõ ràng ban đầu bằng cách sử dụng khóa cùng với thuật toán giải mã. Nếu ai đó có được ciphertext nhưng không có khóa, thì việc giải mã trở nên rất khó khăn.
• Chia sẻ khóa: Một trong những thách thức quan trọng là bảo vệ và quản lý khóa. Khóa phải được chia sẻ an toàn giữa người gửi và người nhận để có thể giải mã thành công.
• Chế độ mã hóa: Các thuật toán mã hóa đối xứng thường được sử dụng trong các chế độ khác nhau, như ECB (Electronic Codebook), CBC (Cipher Block Chaining), hoặc GCM (Galois/Counter Mode), tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3. Nền tảng và bảo mật

3.1. Đặc tính bảo mật

Tính bảo mật của các hệ thống mã hóa đối xứng dựa trên mức độ khó đoán ngẫu nhiên của chìa khóa tương ứng để có thể truy cập vào dữ liệu. Ví dụ, một khóa 128 bit sẽ mất hàng tỷ năm để đoán bằng phần cứng máy tính thông thường. Khóa mã hóa càng dài, khóa càng khó phá.

Các khóa có độ dài 256 bit thường được coi là có độ an toàn cao và về mặt lý thuyết có khả năng chống lại các cuộc tấn công của máy tính lượng tử.

3.2. Nền tảng sử dụng

Hai trong số những mã hóa đối xứng được sử dụng nhiều nhất hiện nay được dựa trên mã hóa khối và mã hóa luồng. 

• Mã hóa khối: Mật mã khối sẽ nhóm các dữ liệu thành các khối có kích thước xác định trước và mỗi khối được mã hóa bằng khóa và thuật toán mã hóa tương ứng (ví dụ: văn bản gốc 128 bit được mã hóa thành văn bản mã hóa 128 bit).

• Mã hóa luồng: Mật mã luồng không mã hóa dữ liệu văn bản gốc theo khối mà thay vào đó nó mã hóa theo gia số 1 bit (văn bản gốc 1 bit mỗi lần được xử lý thành văn bản mã hóa 1 bit). 

4. Mã hóa đối xứng và mã hóa phi đối xứng

Mã hóa đối xứng và mã hóa phi đối xứng là hai phương thức chính trong việc mã hóa dữ liệu ở hệ thống máy tính hiện đại ngày nay. 

Sự khác biệt giữa hai phương thức này đó là mã hóa phi đối xứng sử dụng hai mã chìa thay vì một như mã hóa đối xứng. Trong đó một chìa có thể chia sẻ công khai (chìa chung) và một chìa còn lại sẽ được giữ bảo mật (chìa riêng).

Việc sử dụng hai khóa thay vì một khóa cũng tạo ra nhiều khác biệt về chức năng giữa mã hóa đối xứng và phi đối xứng. Thuật toán của mã hóa phi đối xứng phức tạp và chậm hơn so với của mã hóa đối xứng. Điều này là do hai loại chìa của mã hóa phi đối xứng có liên quan với nhau về thuật toán khiến các mã chìa này cũng phải dài hơn đáng kể để đảm bảo mức độ bảo mật tương đương ở các mã chìa đối xứng ngắn.

5. Ưu điểm và nhược điểm

5.1. Ưu điểm

• Tốc độ và hiệu quả: Nó thường nhanh hơn và hiệu quả hơn các dạng mật mã khác, chẳng hạn như mật mã khóa bất đối xứng, khiến nó rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu mã hóa và giải mã tốc độ cao, chẳng hạn như giao tiếp thời gian thực và truyền tệp lớn.
• Đơn giản: Nó sử dụng một chìa khóa duy nhất cho cả mã hóa và giải mã.
• Hiệu quả về chi phí: Nó ít tốn kém về mặt tính toán và ít tốn kém hơn so với mật mã khóa bất đối xứng.
• Tính đa dụng: Nó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ mã hóa và giải mã đến xác thực và chữ ký số.
• Khả năng mở rộng: Mật mã khóa đối xứng có thể dễ dàng mở rộng quy mô để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng và môi trường khác nhau.

5.2. Nhược điểm

• Bên cạnh những ưu điểm vượt trội mà mã hóa đối xứng mang đến, nó vẫn tồn tại nhược điểm cố hữu trong việc truyền dẫn các chìa khóa để mã hóa hay giải mã dữ liệu. 
• Khi các khóa này được chia sẻ qua kết nối không an toàn, chúng dễ bị tác động các bên thứ ba.
• Nếu người dùng trái phép có quyền truy cập vào một mã khóa đối xứng cụ thể thì tính bảo mật của mọi dữ liệu được mã hóa bằng khóa đó sẽ bị xâm phạm. Tuy nhiên đây cũng là vấn đề chung của các loại mã hóa máy tính nếu không được thao tác đúng cách.

6. So sánh mã hoá đối xứng và mã hoá bất đối xứng

Mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng là hai kỹ thuật mã hóa dữ liệu với các đặc điểm khác nhau:

7. Ứng dụng của mã hóa đối xứng

Các thuật toán mã hóa đối xứng được sử dụng trong nhiều hệ thống máy tính hiện đại để tăng cường bảo mật dữ liệu và quyền riêng tư của người dùng. Một số ứng dụng của nó có thể kể đến như:

• Mã hóa dữ liệu khi truyền: Nó có thể được sử dụng để mã hóa email, tin nhắn tức thời và truyền tệp để bảo vệ quyền riêng tư và bảo mật của dữ liệu khi dữ liệu được truyền qua Internet hoặc các mạng khác.
• Mã hóa dữ liệu được lưu trữ: Mã hóa dữ liệu được lưu trữ trên máy tính hoặc thiết bị khác. Điều này rất hữu ích cho việc bảo vệ thông tin nhạy cảm, chẳng hạn như hồ sơ tài chính, thông tin cá nhân và sở hữu trí tuệ.
• Kết nối VPN: Bảo mật các kết nối mạng riêng ảo (VPN) bằng cách mã hóa dữ liệu được truyền qua kết nối VPN để bảo vệ dữ liệu khỏi bị chặn và truy cập trái phép.
• Mã hóa ổ đĩa: Mã hóa nội dung của ổ cứng hoặc thiết bị lưu trữ khác. Điều này có thể hữu ích để bảo vệ thông tin nhạy cảm nếu thiết bị bị mất hoặc bị đánh cắp.

Bên cạnh đó, trong số các thuật toán mã hóa đối xứng hiện nay phải kể đến “Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao” (AES), một thuật toán mã hóa đang được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng nhắn tin bảo mật và lưu trữ đám mây. 

Ngoài việc triển khai trên phần mềm, AES cũng có thể được triển khai trực tiếp trong phần cứng máy tính. Các sơ đồ mã hóa đối xứng dựa trên phần cứng thường tận dụng AES 256, đây là một biến thể riêng của Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao có kích thước khóa là 256 bit.

8. Kết luận

Mã hóa đối xứng trong crypto là một phương pháp bảo mật dữ liệu bằng cách sử dụng cùng một khóa cho cả quá trình mã hóa và giải mã. Quá trình này bảo vệ thông điệp trước sự truy cập trái phép và thay đổi bằng cách chuyển đổi nó thành một dạng không đọc được. Mã hóa đối xứng đơn giản, hiệu quả và thường được sử dụng trong tiền điện tử để bảo vệ thông tin giao dịch và tính toàn vẹn của dữ liệu trên blockchain. Quản lý khóa là một khía cạnh quan trọng để đảm bảo tính an toàn của hệ thống mã hóa.

Đọc thêm:

• Mật mã hóa khóa chung là gì?
• Validator là gì? Vai trò của validator trong bảo mật mạng lưới blockchain
• Private Key và Passphrase là gì? Bảo mật Private Key & Passphrase an toàn tuyệt đối