Chương 4 MÃ HÓA THÔNG TIN Mã hoá đóng vai trò quan trọng và có rất nhiều ứng dụng trong đời sống xã hội, đặc biệt là trong lĩnh vực an toàn bảo mật thông tin. Ngày nay, các kỹ thuật mã hoá được sử dụng ngày càng phổ biến hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như an ninh, quốc phòng,. và đặc biệt khi chúng ta đang triển khai mạnh mẽ TMĐT, thì việc ứng dụng mã hoá ngày càng trở nên cần thiết. Chương 4 trình bày về mã hoá dữ liệu với các vấn đề liên quan bao gồm: Các vấn đề về tính an toàn của một thuật toán mã hóa, các kỹ thuật phá mã hiện nay và đánh giá độ an toàn của một giải thuật mã hoá.
Với mỗi hệ mã hóa đều giới thiệu về đặc điểm, mô hình hoạt động, những ưu, nhược điểm chính và phạm vi ứng dụng trong bảo mật thông tin. Đồng thời, một số hệ mã hoá thường dùng trong bảo mật thông tin hiện nay như hệ thống mã DES, RSA, các hệ mã hóa cổ điển cũng được giới thiệu trong chương này. TỔNG QUAN VỀ MÃ HÓA 4. Khái niệm hệ mã hóa Mã hóa là phương thức biến đổi thông tin từ định dạng thông thường (văn bản, hình ảnh, âm thanh, biểu tượng,.) thành một định dạng khác không giống như ban đầu nhưng có thể khôi phục lại được, (việc khôi phục này gọi là giải mã).
Mục đích chính của mã hóa là để đảm bảo tính bí mật của thông tin khi chúng được truyền trong những môi trường không đảm bảo an toàn. Việc mã hóa thông tin được thực hiện bằng việc sử dụng một giá trị đặc biệt gọi là khóa mã (key). Cả hai phía gửi và nhận thông tin đều phải biết giải thuật mã hóa và khóa để thực hiện việc mã hóa và giải mã thông tin. Thông tin đã được mã hóa có thể bị nghe (xem) trộm nhưng không thể 135 bị giải mã để lấy ra thông tin đích thực nếu không biết giải thuật mã hóa và khóa.
Như vậy, mã hóa cung cấp tính bí mật cho thông tin trong quá trình truyền thông trên các kênh truyền. Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về mã hóa và giải mã là ngành mật mã. Đây là một ngành khoa học ứng dụng toán học, các thuật toán ứng dụng vào biến đổi thông tin từ định dạng ban đầu một định dạng khác. Nó đóng vai trò quan trọng và có rất nhiều ứng dụng trong đời sống xã hội ngày nay, từ các lĩnh vực như an ninh, quốc phòng,.
đến các hoạt động trong sản xuất kinh doanh của các tổ chức, doanh nghiệp. Mã hóa thông tin nhằm mục đích giấu đi nội dung thực tế của thông tin mà người dùng muốn truyền trong quá trình truyền tin cũng như trong việc lưu trữ thông tin. Phương pháp này dùng để tránh tình trạng thông tin bị đánh cắp và sử dụng vào những mục đích không tốt. Có thể chia quá trình mã hóa thông tin thành hai phần: - Mã hóa: là giai đoạn chuyển đổi thông tin nguyên gốc ban đầu thành các định dạng thông tin được mã hóa (gọi là bản mã).
- Giải mã: từ bản mã thông tin nhận được, tiến hành biến đổi để thu lại được thông tin nguyên gốc như trước khi mã hóa. Người gửi S Mã hóa X Giải mã Kênh thông tin Người nhận R Y Thông tin đã mã hóa Y Kẻ tấn công E Hình 4. Mô hình truyền tin có bảo mật cơ bản 136 Trong truyền thông, để đảm bảo sự bí mật của thông tin thì trước khi truyền, thông tin được mã hoá ở phía người gửi sau đó được giải mã ở phía người nhận. Quá trình này còn gọi là quá trình truyền thông tin có bảo mật hay truyền tin an toàn.
Có thể mô tả mô hình truyền thông tin có bảo mật như Hình 4. Sơ đồ mô hình truyền tin bảo mật trên có thể giải thích ngắn gọn: Giả sử có 3 đối tượng tham gia quá trình truyền tin là người gửi là S, người nhận là R và kẻ tấn công là E. - S muốn gửi một thông điệp X đến R qua một kênh truyền thông tin nào đó và E có thể nghe trộm và ăn cắp thông tin này. Để chống lại việc mất thông tin, S sử dụng một phép biến đổi (mã hóa) lên thông điệp X đang ở dạng nguyên gốc ban đầu (dạng đọc được - Plaintext) để tạo thành một đoạn mã hóa Y (Cryptogram) không thể đọc được hoặc nội dung đã bị thay đổi đi nhiều.
- Khi đó Cryptogram Y (hay còn gọi là Ciphertext - thông điệp đã được mã hoá) đã thực hiện che giấu nội dung của đoạn Plaintext X ban đầu. Khóa dùng để mã hõa dữ liệu này là một thông số chỉ có bên gửi S và bên nhận R biết mà thôi, sau khi R nhận được bản Ciphertext sẽ tiến hành giải mã và lấy về nội dung ban đầu. Giả sử trong quá trình truyền tin, E nghe lén và đánh cắp được thông tin (Y) thì cũng không thể giải mã và biết được nội dung của thông tin ban đầu. Ngày nay, mã hoá đã trở thành một ngành khoa học ứng dụng quan trọng, các ứng dụng mã hóa và bảo mật thông tin ngày càng phổ biến hơn và thực sự cần thiết cho tất cả các lĩnh vực sử dụng thông tin kể cả chính phủ, các tổ chức, doanh nghiệp và các cá nhân: - Đối với chính phủ: Mã hóa nhằm đảm bảo thông tin trong quân sự và ngoại giao, bảo vệ thông tin trong các lĩnh vực trọng yếu mang tầm cỡ quốc gia.
137 - Đối với các tổ chức, doanh nghiệp: Mã hóa nhằm bảo vệ các thông tin nhạy cảm, các thông tin mang tính chiến lược của các tổ chức, doanh nghiệp. - Đối với các cá nhân: Mã hóa nhằm bảo vệ các thông tin riêng tư trong liên lạc với thế giới bên ngoài thông qua các kênh truyền tin, đặc biệt là trên mạng Internet và các phương tiện truyền thông xã hội. Vài nét về lịch sử mã hóa Mật mã học hay mã hóa là một ngành có lịch sử xuất hiện từ hàng nghìn năm nay, lịch sử mật mã học chính là lịch sử của những phương pháp mật mã học cổ điển hay còn gọi là các phương pháp mật mã hóa với bút, giấy và đôi khi có hỗ trợ từ những dụng cụ cơ khí đơn giản dao, đá khắc lên các vật liệu như thẻ tre, da động vật, vách đá. Vào những năm đầu của thế kỷ 20, sự xuất hiện của các cơ cấu cơ khí và điện cơ, chẳng hạn như máy Enigma, đã cung cấp những cơ chế phức tạp và hiệu quả hơn cho việc mật mã hóa.
Sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử và máy tính trong những thập kỷ gần đây đã tạo điều kiện để mật mã học phát triển nhảy vọt lên một tầm cao mới, sự phát triển của mật mã học luôn luôn đi kèm với sự phát triển của các kỹ thuật phá mã (hay thám mã). Những bằng chứng sớm nhất về sử dụng mật mã học là các chữ tượng hình được tìm thấy trên các bức tượng Ai Cập cổ đại (cách đây khoảng 4500 năm). Những ký hiệu tỏ ra không phải để phục vụ mục đích truyền thông tin bí mật mà thường là nhằm mục đích gợi nên những điều thần bí, trí tò mò hoặc thậm chí để tạo sự thích thú cho người xem. Muộn hơn, các học giả về tiếng Hebrew có sử dụng một phương pháp mã hóa thay thế bảng chữ cái đơn giản chẳng hạn như mật mã Atbash (khoảng năm 500 đến năm 600).
Người Hy Lạp cổ đại cũng được biết đến là đã sử dụng các kỹ thuật mật mã. Cũng có những bằng chứng rõ ràng chứng tỏ người La Mã nắm được các kỹ thuật mật mã (mật mã Caesar và các biến thể). Thậm chí đã có những đề cập đến một cuốn sách nói về mật mã trong quân đội La Mã, tuy nhiên cuốn sách này đã thất truyền. Tại Ấn Độ, mật mã học cũng khá nổi tiếng, trong cuốn sách Kama Sutra, mật mã học 138 được xem là cách những người yêu nhau trao đổi thông tin mà không bị phát hiện.
Mật mã học ngày càng trở nên quan trọng dưới tác động của những thay đổi, cạnh tranh trong chính trị và tôn giáo. Chẳng hạn tại châu Âu, trong và sau thời kỳ Phục Hưng, các công dân của các thành bang thuộc Ý, gồm cả các thành bang thuộc giáo phận và Công giáo La Mã, đã sử dụng và phát triển rộng rãi các kỹ thuật mật mã. Ngoài các nước ở Trung Đông và Châu Âu, mật mã học hầu như không được phát triển. Tại Nhật Bản, mãi cho tới 1510, mật mã học vẫn chưa được sử dụng và các kỹ thuật tiên tiến chỉ được biết đến sau khi nước này mở cửa với phương Tây (thập kỷ 1860).
Tuy mật mã học có một lịch sử lâu dài và phức tạp, mãi cho đến thế kỷ 19 của thế kỷ 20 nó mới được phát triển một cách có hệ thống, không chỉ còn là những tiếp cận nhất thời, vô tổ chức, những ví dụ về phân tích mã bao gồm công trình của Charles Babbage trong kỷ nguyên của Chiến tranh Krim về toán phân tích mật mã đơn ký tự, công trình của ông đã được Friedrich Kasiski, người Phổ, khôi phục và công bố, tại thời điểm này, để hiểu được mật mã học, người ta thường phải dựa vào những kinh nghiệm từng trải qua để kiểm nghiệm. Trong thời gian trước và tới thời điểm của Thế chiến II, nhiều phương pháp toán học đã hình thành (đáng chú ý là ứng dụng của William F. Friedman dùng kỹ thuật thống kê để phân tích và kiến tạo mật mã và thành công bước đầu của Marian Rejewski trong việc bẻ gãy mật mã của hệ thống Enigma của Quân đội Đức). Sau Thế chiến II trở đi, cả hai ngành, mật mã học và phân tích mã, ngày càng sử dụng nhiều các cơ sở toán học, tuy thế, chỉ đến khi máy tính và các phương tiện truyền thông cùng mạng Internet trở nên phổ biến, người ta mới có thể mang tính hữu dụng của mật mã học vào trong những thói quen sử dụng hàng ngày của mọi người, thay vì chỉ được dùng bởi các chính quyền quốc gia hay các hoạt động kinh doanh lớn trước đó.
Vai trò của mã hóa và quy trình mã hóa Yêu cầu của các hệ mật mã cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Hệ mật mã phải che dấu được nội dung của văn bản rõ (PlainText) để đảm bảo sao cho chỉ người chủ hợp pháp của thông tin mới có quyền truy cập thông tin (Secrety), hay nói cách khác là chống truy nhập không đúng quyền hạn.