Mã Hóa Bảo Mật và Ứng Dụng Trong Hệ Thống Thông Tin

Mã hóa có lịch sử lâu đời, bắt nguồn từ khoảng 2000 năm trước Công nguyên, khi người Ai Cập cổ đại sử dụng chữ tượng hình trang trí trên hầm mộ. Người Hebrew sử dụng phương pháp mã hóa bằng cách tráo đổi các ký tự, gọi là atbash. Khoảng 400 năm trước Công nguyên, người Spartans sử dụng hệ thống mã hóa thông tin bằng cách viết thông điệp lên những mảnh giấy cói quấn quanh một cây quyền trượng. Cuộc cách mạng mã hóa tiếp tục phát triển khi người châu Âu phát minh ra những phương pháp và công cụ mã hóa mới dùng trong suốt thời kỳ Trung đại. Đến cuối những năm 1800, mã hóa đã được sử dụng phổ biến trong các liên lạc truyền tin giữa các đơn vị quân đội.

Ngày nay, mã hóa thông tin đóng vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế, chính trị. Các thuật toán mã hóa được bảo vệ bởi tổ chức chính phủ và luật pháp. Với sự phát triển của máy tính, các thuật toán, thiết bị và ứng dụng mã hóa đã phát triển mạnh mẽ. Kỷ nguyên công nghệ thông tin đã đem lại những cơ hội chưa từng thấy cho các chuyên gia nghiên cứu mật mã. Mã hóa đã được sử dụng rộng rãi trong cả phần cứng lẫn phần mềm để bảo vệ dữ liệu, các giao dịch ngân hàng, mạng extranet, thư tín điện tử, giao dịch trên web, giao dịch trên mạng không dây, lưu trữ thông tin… Con người ngày càng lệ thuộc vào sự phát triển của công nghệ, do đó con người sẽ ngày càng lệ thuộc vào mã hóa, bởi vì bí mật luôn cần phải giữ kín.

Plaintext thường được gọi là M (message) hoặc P. Ciphertext được gọi là C và cũng có dạng mã nhị phân. Đôi khi ciphertext có kích thước như M, đôi khi lớn hơn. Bằng việc kết hợp mã hóa với nén dữ liệu, C có thể có kích thước nhỏ hơn M. Tuy nhiên mã hóa không thực hiện nhiệm vụ này. Ta có thể viết dưới dạng biểu thức toán học như sau: E(M) = C. Trong quá trình ngược lại, hàm giải mã D thao tác trên C để tạo ra M: D(C) = M. Do toàn bộ quá trình mã hóa rồi giải mã thông tin để khôi phục lại thông tin dạng plaintext ban đầu nên ta có thể viết: D(E(M)) = M.

Một hệ thống cho phép mã hóa và giải mã được gọi là hệ thống mã hóa (cryptosystem). Hệ thống mã hóa có thể được tạo bởi các phần cứng chuyên dụng hoặc bởi các đoạn chương trình trong phần mềm ứng dụng. Các hệ thống mã hóa có thể sử dụng các thuật toán đơn giản hoặc phức tạp khác nhau nhưng nhìn chung các thuật toán này là tập hợp những phép toán phức tạp biến đổi chuỗi plaintext. Phần lớn các phương pháp mã hóa đều sử dụng một giá trị bí mật - thường là một chuỗi dài các bit gọi là khóa mã (key) để kết hợp với thuật toán làm nhiệm vụ mã hóa và giải mã.

Những thuật toán mã hóa sử dụng chung một khóa mã để mã hóa và giải mã được gọi là thuật toán mã hóa đối xứng. Những thuật toán mã hóa sử dụng khóa mã để mã hóa và để giải mã khác nhau gọi là thuật toán mã hóa bất đối xứng. Gọi K1 là khóa dùng để mã hóa, K2 là khóa dùng để giải mã, ta có: EK1(M) = C, DK2(C) = M, DK2(EK1(M)) = M. Độ an toàn của các thuật thuật toán theo mô hình này hoàn toàn phụ thuộc vào khóa mã mà không phụ thuộc vào thuật toán.

Mã hóa đối xứng sử dụng cùng một khóa cho cả mã hóa và giải mã. DES (Data Encryption Standard) là một thuật toán mã hóa đối xứng cổ điển, từng được sử dụng rộng rãi nhưng hiện nay đã lỗi thời do độ dài khóa ngắn. AES (Advanced Encryption Standard) là thuật toán mã hóa đối xứng hiện đại, được coi là tiêu chuẩn vàng trong ngành bảo mật. AES có nhiều biến thể với độ dài khóa khác nhau (128, 192, 256 bit), cung cấp mức độ bảo mật cao.

Mã hóa bất đối xứng sử dụng hai khóa khác nhau: khóa công khai (public key) để mã hóa và khóa bí mật (private key) để giải mã. RSA là một thuật toán mã hóa bất đối xứng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chữ ký số và trao đổi khóa. ECC (Elliptic Curve Cryptography) là một thuật toán mã hóa bất đối xứng hiện đại, cung cấp mức độ bảo mật tương đương RSA nhưng với độ dài khóa ngắn hơn, phù hợp cho các thiết bị di động và ứng dụng có tài nguyên hạn chế.

Hàm băm là một hàm toán học một chiều, biến đổi dữ liệu đầu vào thành một chuỗi bit có độ dài cố định (hash). Hàm băm được sử dụng để kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu. MD5 và SHA là các thuật toán băm phổ biến. Tuy nhiên, MD5 đã bị coi là không an toàn do có thể tạo ra các va chạm (collisions). SHA-256 và SHA-3 là các thuật toán băm hiện đại, cung cấp mức độ bảo mật cao hơn.

SSL (Secure Sockets Layer) và TLS (Transport Layer Security) là các giao thức bảo mật được sử dụng để mã hóa giao tiếp giữa trình duyệt web và máy chủ web. SSL/TLS đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải giữa hai bên là an toàn và không thể bị đánh chặn hoặc sửa đổi bởi kẻ tấn công. HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure) là phiên bản bảo mật của HTTP, sử dụng SSL/TLS để mã hóa giao tiếp.

Chữ ký số là một kỹ thuật sử dụng mã hóa bất đối xứng để xác thực danh tính của người gửi và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. Chữ ký số được sử dụng rộng rãi trong các giao dịch thương mại điện tử để xác thực các hợp đồng điện tử, hóa đơn điện tử, và các tài liệu quan trọng khác. Chữ ký số cung cấp tính chống chối bỏ, nghĩa là người gửi không thể phủ nhận việc đã ký vào tài liệu.

PCI DSS (Payment Card Industry Data Security Standard) là một tiêu chuẩn bảo mật được thiết kế để bảo vệ thông tin thẻ tín dụng của khách hàng. PCI DSS yêu cầu các doanh nghiệp xử lý thông tin thẻ tín dụng phải tuân thủ các biện pháp bảo mật nghiêm ngặt, bao gồm mã hóa dữ liệu, kiểm soát truy nhập, và giám sát hệ thống. Các tiêu chuẩn bảo mật khác, như 3-D Secure, cũng được sử dụng để bảo mật thanh toán trực tuyến.

Xác thực người dùng là quá trình xác minh danh tính của người dùng trước khi cho phép họ truy nhập vào hệ thống. Xác thực người dùng giúp ngăn chặn truy nhập trái phép và bảo vệ dữ liệu nhạy cảm. Các phương pháp xác thực người dùng phổ biến bao gồm mật khẩu, sinh trắc học, và xác thực hai yếu tố.

RSA SecurID là một hệ thống xác thực hai yếu tố, yêu cầu người dùng cung cấp hai yếu tố xác thực khác nhau: một yếu tố mà họ biết (mật khẩu) và một yếu tố mà họ có (thẻ RSA SecurID). Thẻ RSA SecurID tạo ra các mã token thay đổi liên tục, giúp ngăn chặn các cuộc tấn công replay. Hệ thống RSA SecurID bao gồm thẻ RSA SecurID, máy chủ xác thực, và phần mềm quản lý.

Hệ thống bảo mật RSA SecurID có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng bảo mật và tính ổn định cao, sẵn sàng đáp ứng các yêu cầu bảo mật trong tương lai. Quản lý tập trung, dễ dàng. Đơn giản, hiệu quả độ an toàn cao. Khả năng bảo mật và tính ổn định cao, sẵn sàng đáp ứng các yêu cầu bảo mật trong tương lai.

Mã hóa lượng tử sử dụng các nguyên tắc của cơ học lượng tử để mã hóa và truyền thông tin. Mã hóa lượng tử cung cấp mức độ bảo mật tuyệt đối, vì bất kỳ nỗ lực nào để đánh chặn hoặc sao chép thông tin sẽ làm thay đổi trạng thái lượng tử của nó, và do đó sẽ bị phát hiện.

Mã hóa đồng hình cho phép thực hiện các phép tính trên dữ liệu đã được mã hóa mà không cần giải mã. Điều này cho phép các doanh nghiệp xử lý dữ liệu nhạy cảm mà không cần lo lắng về việc rò rỉ thông tin. Mã hóa đồng hình có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y tế, tài chính, và chính phủ.

Máy tính lượng tử có khả năng phá vỡ các thuật toán mã hóa bất đối xứng hiện tại, như RSA và ECC. Post-quantum cryptography (PQC) là một lĩnh vực nghiên cứu nhằm phát triển các thuật toán mã hóa có khả năng chống lại các cuộc tấn công từ máy tính lượng tử. Các thuật toán PQC đang được phát triển bao gồm mã hóa dựa trên lưới, mã hóa dựa trên mã, và mã hóa đa biến.