Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÃ HOÁ THÔNG TIN Trong chương này luận văn giới thiệu chung về mã hoá thông tin, lịch sử của mật mã, các hệ mã đặc trưng, các bài toán an toàn thông tin và bài toán thám mã. Trình bày một số khái niệm cơ bản nhất của mã hoá số học như: bản rõ, bản mã, mã hoá công khai, hệ mã hoá thám mã, mã hoá theo khối, mã theo dòng, mã khoá đối xứng… Các nội dung này được tổng hợp trong tài liệu tham khảo tiếng Việt [1] đến [3]. Lịch sử phát triển về mật mã Lịch sử của mật mã xuất hiện từ rất sớm, khi con người biết trao đổi và truyền đưa thông tin cho nhau, nhất là khi các thông tin đó đã được thể hiện dưới hình thức ngôn ngữ, thư từ. Các hình thức mật mã sơ khai đã được tìm thấy từ khoảng bốn nghìn năm trước trong nền văn minh Ai Cập cổ đại.
Trải qua hàng nghìn năm lịch sử, mật mã được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới từ Đông sang Tây để giữ bí mật cho việc giao lưu thông tin trong nhiều lĩnh vực hoạt động giữa con người và các quốc gia, đặc biệt là trong các lĩnh vực như quân sự, chính trị, ngoại giao. Thuật ngữ “cryptography – mật mã” dịch từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “chữ viết bí mật” (kpypto “hiddren” và grafo “to write” or legein “to speak”). Bởi thế mật mã chính là một loại hoạt động thực tiễn, mà nội dung chính của nó là để giữ bí mật thông tin (ví dụ như dưới dạng một văn bản) từ một người gửi A đến một người nhận B. A phải tạo cho văn bản đó một bản mật mã tương ứng, và thay vì gửi văn bản rõ thì A chỉ gửi cho B bản mã mật.
B nhận được bản mã mật và sẽ có cách từ đó khôi phục lại bản rõ để hiểu được thông tin mà A muốn gửi cho mình. Vì văn bản chuyển đi thường được gửi bằng các con đường công khai nên người ngoài có thể lấy “trộm” được, nhưng do chỉ là bản mật mã nên không đọc hiểu được thông tin mà A gửi tới cho mình. Bản 5 thân bên A có thể tạo ra bản mật mã và B có thể giải bản mật mã đó thành bản rõ để hiểu được là do giữa hai bên có một thoả thuận về một chìa khoá chung (sau này gọi là khoá mật mã). Trong thực tế, có những hoạt động bảo mật thì cũng có những hoạt động ngược lại là khám phá bí mật từ các bản mật mã “lấy trộm” được, ta gọi hoạt động này chính là thám mã.
Nó quan trọng không kém hoạt động bảo mật bởi các thuật toán lập mã và giải mã không nhất thiết là bí mật, do đó thám mã thường được tập trung vào việc tìm khoá mật mã, và gọi công việc này là phá khoá. Trải qua mấy nghìn năm lịch sử phát triển, mật mã học được chia thành hai giai đoạn phát triển chính đó là: Mật mã trong thời cổ xưa và mật mã học hiện đại. Mật mã thời cổ xưa: Tồn tại ba phương pháp bảo vệ thông tin: Phương pháp thứ nhất - phương pháp sức mạnh thuần tuý: Bảo vệ tài liệu (thông tin truyền) bởi con người thực (thông tin được truyền bởi các liên lạc viên đặc biệt…). Phương pháp thứ hai - phương pháp steganography: mục tiêu của phương pháp này che giấu sự hiện hữu của thông tin truyền.
Để thực hiện có thể sử dụng các kỹ thuật như mực viết bí mật, chỗ giấu bí mật. Phương pháp thứ ba - phương pháp crytography (mật mã): thực hiện việc biến đổi nội dung của bản tin cần truyền thành một tập hợp hỗn độn nào đó của các dấu hiệu (các ký tự của bảng chữ cái). Bên nhận sẽ có khả năng biến đổi bản tin nhận được thành dạng gốc (bản tin khi chưa biến đổi) nếu họ có key (khoá mã) dùng để biến đổi bản tin. Nhận xét: 6 Đối với các phương pháp mật mã trong thời cổ xưa việc đảm bảo an toàn thông tin chủ yếu dựa trên việc giữ bí mật của thuật toán và chúng là các thuật toán tương đối đơn giản.
Nhìn chung các phương pháp mật mã được biết trong thời cổ xưa đến một thời gian dài sau đó thường được thực hiện dựa trên các mánh khoé nào đó, hơn là dựa trên các nguyên tắc khoa học chặt chẽ. Các thuật toán lập mã thường chỉ là thuật toán xáo trộn, thay đổi các ký tự được xác định bởi các phép chuyển dịch, thay thế hay hoán vị các ký tự trong bảng ký tự của ngôn ngữ tương ứng. Mật mã trong xã hội hiện đại: Trước đây mật mã hầu như chỉ được sử dụng nhằm đảm bảo an toàn thông tin trong chiến tranh và các hoạt động ngoại giao. Vào những năm 80, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và sự ứng dụng các hệ thống tự động xử lý thông tin trong tất cả các lĩnh vực hoạt động xã hội, đã dẫn đến sự cần thiết phải sử dụng rộng rãi hơn các phương pháp mật mã để bảo vệ thông tin.
Trong thời cổ xưa thì các phương pháp chỉ được sử dụng nhằm mục đích giữ bí mật thông tin. Ngày nay các phương pháp mật mã được sử dụng rộng rãi không chỉ nhằm mục đích bảo vệ thông tin chống lại các truy cập không cho phép (bảo vệ tính bí mật), mà chúng còn được sử dụng để bảo vệ trong nhiều hình thức công nghệ thông tin mới – thư điện tử, bầu cử điện tử,… 1. Khái niệm và phân loại hệ mật mã 1. Một số thuật ngữ, khái niệm và ứng dụng 1.
Một số thuật ngữ Văn bản (Plaintext): Một thông báo gốc cần chuyển, được ghi bằng hình ảnh, âm thanh, chữ số, chữ viết…Sau này, khi đưa ra các ví dụ, ta thường xem các văn bản được viết bằng chữ viết hoặc bằng chữ số. Tuy nhiên, cho đến 7 nay mọi tín hiệu như âm thanh, hình ảnh… đều có thể số hoá (thành các xâu ký tự số), bởi vậy việc nghiên cứu trên các văn bản số không hạn chế các ứng dụng đa dạng của nó. Mã hoá (Encrytion) Là việc “ngụy trang” văn bản (thông tin nói chung) sang một dạng khác để cho những người “ngoài cuộc” không thể đọc được, nhằm phục vụ cho nhu cầu trao đổi thông tin, dữ liệu và các giao dịch tài chính, thương mại. Quá trình “ngụy trang” văn bản gọi là lập mã còn quá trình ngược lại là “khôi phục” lại văn bản nguồn được gọi là giải mã.
Nguyên tắc chung của mã hóa là việc giải mã phải dễ dàng với “người trong cuộc” nhưng lại khó khăn (thậm chí là không thực hiện được) đối với “người ngoài cuộc”. Văn bản gốc (trước khi mã hóa) thường được ký hiệu là PT (Plain Text) hay P. Văn bản mã (được cải trang) thường được ký hiệu là CT (Ciphertext), hay đơn giản hơn là C. Hệ mã (Cryptosystem): Đây là phương pháp ngụy trang văn bản.
Nghệ thuật tạo ra và sử dụng các hệ mã là thuật mã hoá hay mật mã học (Cryptography). Công nghệ mã (Cryptology) chính là việc nghiên cứu cả hai phương pháp hệ mã và phân tích mã. Mã hoá (Encrypt) là phương pháp để chuyển hoá thông tin (văn bản, hình ảnh.) từ định dạng bình thường sang dạng thông tin không thể hiểu được nếu không có phương tiện giải mã. Giải mã (Decrypt) chính là việc đưa văn bản đã được mã hoá trở về dạng văn bản nguồn.
Mã khối (Block Cipher) là việc tiến hành mã hóa trên từng khối văn bản (khi khối văn bản là một cặp 2 ký tự thì gọi là digraph, còn khi nó là một bộ ba ký tự thì gọi là trigraph,. Phép mã chuyển vị (Transposition cipher) là việc tráo đổi vị trí giữa các kí tự (hay các bit) trong văn bản. Phép thay thế (Substitution cipher) là việc thay thế một ký tự này bằng một ký tự khác với điều kiện không thay đổi vị trí. Phép mã tích hợp (Product cipher) là việc tiến hành xen kẽ hai phép mã chuyển vị và mã thay thế.
Hệ mã công khai (Public key cryptosystem – PKC) hay hệ mã phi đối xứng (Asymmetric cryptosystem) là hệ mã mà trong đó việc mã hoá và giải mã sử dụng hai chìa khoá mã riêng biệt, từ hệ mã này sẽ không thể tìm ra chìa khoá kia một cách dễ dàng, chìa dùng để mã hóa được thông báo công khai, còn chìa dành cho việc giải mã phải giữ bí mật, thường được gọi là chìa khoá riêng. Ứng dụng Mã hoá có vai trò rất quan trọng, đặc biệt là trong giao dịch điện tử. Nó giúp cho việc đảm bảo bí mật, toàn vẹn của thông tin, khi thông tin đó được truyền trên mạng. Mã hoá cũng là một nền tảng của kỹ thuật chữ ký điên tử, hệ thống PKI.
Mật mã học là ngành khoa học ứng dụng toán học vào việc biến đổi thông tin thành một dạng khác với mục đích che dấu nội dung, ý nghĩa thông tin cần mã hoá. Đây là một ngành quan trọng và có nhiều ứng dụng trong đời 9 sống xã hội. Ngày nay, các ứng dụng mã hoá và bảo mật thông tin đang được sử dụng ngày càng phổ biến hơn trong các lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới, từ lĩnh vực an ninh, quân sự, quốc phòng. đến những lĩnh vực dân sự như ngân hàng, thương mại điện tử.
Khái niệm hệ mã hoá Để đảm bảo an toàn thông tin lưu trữ trong máy tính (giữ gìn cho thông tin một cách cố định) hay vấn đề đảm bảo an toàn thông tin trên đường truyền tin (ví dụ như trên mạng máy tính), người ta phải “che giấu” các thông tin đó đi. Tức là làm cho thông tin đó thay đổi hình dạng so với ban đầu để người khác không nhận ra, hoặc là nó được cất trong bản tin khác mà người lạ không nhận ra được. Hay nói cách khác “mã hoá” thông tin là thông tin “che” đi “ý nghĩa” của thông tin đó mà người khác “khó” hiểu được thông tin đã mã hoá. Việc mã hoá phải theo quy tắc nhất định, quy tắc đó gọi là Hệ mã hoá.
Hệ mã hoá được định nghĩa là bộ năm (P, C, K, E, D) trong đó: P: là tập hữu hạn các bản rõ có thể. C: là tập hữu hạn các bản mã có thể. K: là tập hữu hạn các khóa có thể. E: là tập các hàm mã hoá.
D: là tập các hàm giải mã.