Khi nó đến bảo mật dữ liệu, nghệ thuật cổ xưa của mật mã đã trở thành nền tảng quan trọng của thời đại kỹ thuật số ngày nay. Từ thông tin tình báo tuyệt mật của chính phủ đến các tin nhắn cá nhân hàng ngày, mật mã có thể che giấu những thông tin nhạy cảm nhất của chúng ta khỏi những người xem không mong muốn. Cho dù mua sắm trực tuyến hay lưu các bí mật thương mại có giá trị vào đĩa, chúng ta đều có thể cảm ơn mật mã vì bất kỳ hình thức bảo mật nào mà chúng ta có thể có. 

Các nguyên tắc chính của mật mã thiết lập niềm tin khi tiến hành kinh doanh trực tuyến. Chúng bao gồm những điều sau đây:

• Bảo mật: Thông tin được mã hóa chỉ có thể được truy cập bởi người mà nó được dự định và không ai khác. 
• Tính toàn vẹn: Thông tin được mã hóa không thể được sửa đổi trong quá trình lưu trữ hoặc truyền tải giữa người gửi và người nhận mà không phát hiện bất kỳ thay đổi nào.
• Không bác bỏ: Người tạo/gửi thông tin được mã hóa không thể từ chối ý định gửi thông tin của mình.
• Xác thực: Danh tính của người gửi và người nhận—cũng như nguồn gốc và đích đến của thông tin—được xác nhận.
• Quản lý khóa: Các khóa được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu cũng như các tác vụ liên quan như độ dài khóa, phân phối, tạo, xoay, v.v. đều được giữ an toàn.

Trước khi đi sâu vào nhiều trường hợp sử dụng của mật mã, chúng ta hãy xem lại những kiến ​​thức cơ bản về mật mã.

Hiểu cơ bản về mật mã

Trong suốt lịch sử, các nhà mật mã học đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để mã hóa thông tin cá nhân và tạo ra các tin nhắn được mã hóa. Trong khi hiện đại thuật toán mật mã tiến bộ hơn nhiều, các bước cơ bản vẫn rất giống nhau. 

Mật mã cơ bản lấy thông tin gốc, chưa được mã hóa (được gọi là văn bản gốc) và mã hóa nó thành một mã được xáo trộn (được gọi là văn bản mã hóa) với sự trợ giúp của một hoặc nhiều khóa bí mật, cũng có thể được sử dụng để giải mã văn bản mã hóa trở lại văn bản gốc. 

Các thuật toán mật mã

Các thuật toán mã hóa là các công thức toán học được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu. Các thuật toán này tạo ra các khóa bí mật để xác định cách dữ liệu được chuyển đổi từ bản rõ ban đầu thành bản mã và ngược lại. Một số thuật toán mã hóa nổi tiếng bao gồm RSA (Rivest-Shamir-Adleman), AES (Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao) và ECC (Mật mã đường cong Elliptic). 

Ở cấp độ cơ bản, hầu hết các thuật toán mã hóa đều tạo khóa bằng cách nhân các số nguyên tố lớn. Mặc dù phép nhân là dễ dàng đối với các máy tính hiện đại, nhưng việc phân tích các số lớn thành hai số nguyên tố lớn đòi hỏi rất nhiều khả năng tính toán nhưng thực tế là không thể. Các hệ thống mật mã sử dụng khóa nhỏ hơn có thể được thiết kế ngược khá dễ dàng, nhưng ngay cả những siêu máy tính nhanh nhất cũng cần hàng trăm đến hàng trăm nghìn năm để tấn công mạnh mẽ các thuật toán mã hóa mạnh hơn ngày nay. Mật mã đường cong Elliptic bổ sung thêm mức độ bảo mật bằng cách sử dụng các số ngẫu nhiên để tạo ra các khóa mạnh hơn nhiều mà ngay cả máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo cũng không thể phá vỡ được. 

Quản lý chính

Quản lý chính là một phần không thể thiếu của mật mã; mọi hệ thống mật mã đều sử dụng khóa để mã hóa và giải mã dữ liệu. Quản lý khóa liên quan đến việc tạo, lưu trữ và phân phối khóa mã hóa giữa những người dùng một cách an toàn. Quản lý khóa thích hợp là rất quan trọng để duy trì tính bảo mật của dữ liệu được mã hóa, vì khóa yếu hoặc bị đánh cắp có thể tạo ra các lỗ hổng nghiêm trọng trong bất kỳ hệ thống mật mã nào. Kích thước khóa, tính ngẫu nhiên và lưu trữ đều là các chức năng quan trọng của quản lý khóa. 

Mã hóa đối xứng

Còn được gọi là mật mã khóa riêng hoặc mật mã khóa bí mật, hệ thống mật mã đối xứng chỉ sử dụng một khóa cho cả mã hóa và giải mã. Để các loại hệ thống này hoạt động, mỗi người dùng phải có quyền truy cập vào cùng một khóa riêng. Khóa riêng có thể được chia sẻ thông qua kênh liên lạc đáng tin cậy đã được thiết lập trước đó (chẳng hạn như chuyển phát nhanh riêng hoặc đường dây bảo mật) hoặc thực tế hơn là phương thức trao đổi khóa an toàn (chẳng hạn như Thỏa thuận khóa Diffie-Hellman). 

Bất chấp các lỗ hổng được tạo ra do chỉ sử dụng một khóa duy nhất, loại mã hóa này nhanh hơn và hiệu quả hơn các phương pháp thay thế. Các thuật toán mã hóa đối xứng phổ biến bao gồm DES (Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu), 3DES (Ba DES) và AES.

Mã hóa bất đối xứng

Bất đối xứngmật mã, còn được gọi là mã hóa khóa chung, sử dụng một cặp khóa—khóa chung và khóa riêng. Khóa chung được sử dụng để mã hóa, khóa riêng được sử dụng để giải mã và mỗi người dùng có cặp khóa riêng. Hai khóa mã hóa được sử dụng trong mật mã khóa công khai bổ sung thêm một lớp bảo mật, nhưng khả năng bảo vệ bổ sung này lại làm giảm hiệu quả. RSA, ECC và Giao thức Shell an toàn (SSH) là các thuật toán mật mã bất đối xứng phổ biến.

Các trường hợp sử dụng mật mã

Giao tiếp an toàn 

Một trong những trường hợp sử dụng phổ biến nhất của mật mã là cung cấp thông tin liên lạc an toàn qua internet. Transport Layer Security (TLS) và tiền thân của nó, Lớp cổng bảo mật (SSL), sử dụng các giao thức mã hóa để thiết lập các kết nối được bảo vệ giữa trình duyệt web và máy chủ. Kênh bảo mật này đảm bảo rằng dữ liệu được chia sẻ giữa trình duyệt của người dùng và trang web vẫn ở chế độ riêng tư và không thể bị các tác nhân độc hại chặn. 

Mật mã cũng được sử dụng cho các ứng dụng nhắn tin phổ biến như email và WhatsApp để cung cấp mã hóa đầu cuối (E2EE) và duy trì sự riêng tư của các cuộc trò chuyện của người dùng. Với E2EE, chỉ người gửi và người nhận dự định mới có thể giải mã và đọc tin nhắn của họ, khiến các bên thứ ba—bao gồm cả nhà cung cấp dịch vụ của chính người dùng—gần như không thể truy cập nội dung.

Mã hóa dữ liệu

Mã hóa dữ liệu là một dạng mật mã được sử dụng rộng rãi để bảo vệ thông tin nhạy cảm được lưu trữ trên nhiều thiết bị khác nhau, chẳng hạn như ổ cứng, điện thoại thông minh và dịch vụ lưu trữ đám mây. Các thuật toán mã hóa mạnh như AES chuyển đổi văn bản gốc thành văn bản mã hóa một cách hiệu quả, đảm bảo rằng ngay cả khi một bên trái phép có được quyền truy cập, họ sẽ không thể giải mã dữ liệu nhạy cảm nếu không có quyền truy cập vào khóa mã hóa của người dùng được ủy quyền. 

Toàn vẹn dữ liệu

Mật mã cũng được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. Hàm băm là một loại thuật toán mã hóa tạo ra các hàm băm có kích thước cố định (còn được gọi là bản tóm tắt) của dữ liệu – về cơ bản là chuyển đổi một tập hợp dữ liệu thành một số băm duy nhất. Những giá trị băm này độc đáo đến mức việc thay đổi ngay cả một ký tự hoặc khoảng trắng trong bản rõ cũng sẽ tạo ra một giá trị số hoàn toàn khác. Người nhận, ứng dụng hoặc trang web có thể xác minh tính toàn vẹn của dữ liệu bằng cách so sánh hàm băm của dữ liệu đã nhận với hàm băm dự kiến ​​và họ có thể xác nhận rằng dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền. 

Hàm băm cũng thường được sử dụng để xác minh mật khẩu người dùng mà không cần tạo cơ sở dữ liệu mật khẩu riêng tư phía máy khách dễ bị tấn công. Thay vào đó, các dịch vụ như cổng ngân hàng trực tuyến sẽ chỉ thu thập và lưu trữ giá trị băm của mật khẩu người dùng. Ngay cả khi cơ sở dữ liệu như vậy bị đánh cắp, kẻ tấn công độc hại sẽ không thể suy ra mật khẩu của bất kỳ người dùng nào chỉ từ hàm băm của họ. 

Xác thực

Xác minh tính xác thực của thông tin được gửi và nhận là một chức năng quan trọng của mật mã được sử dụng để tiến hành mọi hoạt động kinh doanh, có thể thực hiện được bằng cách sử dụng chữ ký số. Thông qua mật mã bất đối xứng, các tài liệu có thể được sửa đổi bằng chữ ký số, chữ ký này chỉ có thể được tạo bằng cách sử dụng khóa riêng. Người nhận tài liệu được ký điện tử có thể sử dụng khóa chung của người gửi để xác minh tính xác thực của chữ ký và xác nhận rằng tài liệu không bị giả mạo trong quá trình truyền. 

Không bác bỏ

Chống chối bỏ là một khái niệm pháp lý nhằm đảm bảo tính xác thực của các tin nhắn đã nhận và ngăn chặn người gửi có khả năng phủ nhận tính hợp lệ của bất kỳ tin nhắn đã gửi nào. Chữ ký số là một thành phần quan trọng của tính chống chối bỏ, vì chúng chứng minh rằng người gửi chứ không phải ai khác đã ký vào tin nhắn hoặc tài liệu. Tính chống chối bỏ dựa trên mật mã, như được thiết lập bởi các giao thức toàn vẹn dữ liệu và chữ ký số, cung cấp một khuôn khổ khả thi để xác minh các cuộc đàm phán, hợp đồng ràng buộc về mặt pháp lý và các loại giao dịch và kinh doanh hợp pháp khác.

Trao đổi khóa 

Là thành phần chính của giao tiếp an toàn, trao đổi khóa là một khía cạnh quan trọng của việc thiết lập kết nối an toàn, đặc biệt là trong các hệ thống mật mã bất đối xứng. Mật mã cũng đóng một vai trò có giá trị trong bước sơ bộ này. Một bước ngoặt trong sự phát triển của mật mã khóa công khai, thuật toán trao đổi khóa Diffie-Hellman cho phép hai bên trao đổi khóa mã hóa một cách an toàn qua một kênh không an toàn. Phương pháp này đảm bảo rằng ngay cả khi kẻ nghe trộm chặn được cuộc đối thoại trao đổi khóa, họ cũng không thể giải mã được các khóa mã hóa được trao đổi. Thông qua mật mã, các thuật toán như giao thức trao đổi khóa Diffie-Hellman cho phép các bên thiết lập kết nối an toàn thông qua mã hóa khóa công khai mà không cần trao đổi khóa thay thế đã được thiết lập trước đó và có khả năng dễ bị tấn công. 

Bảo mật giao tiếp API

Một đặc điểm nổi bật của Web 2.0 (và hơn thế nữa), khả năng hoạt động hợp tác giữa các ứng dụng cho phép các ứng dụng và dịch vụ web khác nhau lấy dữ liệu từ bên trong hệ sinh thái ảo có tường bao quanh được tôn trọng của chúng, cho phép mở rộng chức năng của tất cả các loại ứng dụng—từ việc nhúng các bài đăng trên mạng xã hội vào tin tức các bài viết để chia sẻ những phân tích hệ thống quan trọng vào bảng thông tin vận hành nâng cao.

Được gọi là giao diện lập trình ứng dụng (API), các hệ thống này được thiết kế để hỗ trợ giao tiếp giữa các chương trình và mật mã đảm bảo rằng dữ liệu nhạy cảm này vẫn được bảo vệ khỏi hành vi nghe trộm hoặc giả mạo xâm nhập, đảm bảo rằng chỉ những bên được ủy quyền mới có thể truy cập thông tin. Khóa API và mã thông báo thường được sử dụng cùng với mã hóa để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm được trao đổi giữa các ứng dụng, đặc biệt trong các tình huống mà vấn đề bảo mật là quan trọng nhất, chẳng hạn như cơ sở hạ tầng và công trình công cộng. 

An ninh mạng điện toán lượng tử

Sự trỗi dậy của Tính toán lượng tử đặt ra một mối đe dọa đáng kể cho các phương pháp mã hóa hiện có và an ninh mạng hệ thống. Hầu hết các hệ thống mật mã hiện đại được thiết kế để chịu được sức mạnh tính toán tiềm năng của máy tính truyền thống, vốn sẽ cần hàng trăm đến hàng trăm nghìn năm để tấn công thành công các thuật toán mã hóa ngày nay. Tuy nhiên, máy tính lượng tử có khả năng tăng sức mạnh của máy tính ngày nay lên gấp nhiều lần, giảm thời gian cần thiết để bẻ khóa ngay cả những khóa mật mã mạnh nhất từ ​​​​hàng nghìn năm xuống chỉ còn vài giây.

Trong khi hầu hết các thuật toán mã hóa hiện đại không thể chống lại các cuộc tấn công máy tính lượng tử về mặt lý thuyết, các nhà mật mã học đang ứng phó với những lỗ hổng này bằng sự phát triển của mật mã kháng lượng tử kỹ thuật. Các trường hợp sử dụng cho mật mã kháng lượng tử và hậu lượng tử cũng nhiều như các trường hợp sử dụng mật mã nói chung. Mặc dù điện toán lượng tử vẫn được coi là tốt nhất ở giai đoạn tạo mẫu, nhưng hầu hết các nhà khoa học máy tính đều đồng ý rằng những đột phá lớn trong vòng 10 đến 50 năm tới sẽ khiến việc phát triển mật mã kháng lượng tử trở nên quan trọng như chính điện toán lượng tử.

Bảo mật chuỗi khối

Công nghệ Blockchain phụ thuộc rất nhiều vào mật mã để đảm bảo tính bảo mật và tính bất biến của tất cả các giao dịch và cập nhật trên chuỗi. Các loại tiền điện tử như Bitcoin sử dụng thuật toán mã hóa để khai thác và đúc tiền mới, trong khi các hàm băm mật mã đảm bảo tính toàn vẹn của các khối trong chuỗi. Khi thực hiện giao dịch, mật mã khóa công khai được sử dụng để tạo và xác minh chữ ký số. Bao gồm hầu hết các nguyên lý cốt lõi của mật mã, công nghệ chuỗi khối sử dụng mã hóa để tạo ra một hệ sinh thái không tin cậy, nơi mọi hành động có thể được xác thực và xác minh dễ dàng.

Tìm hiểu cách các giải pháp mã hóa của IBM giúp doanh nghiệp bảo vệ dữ liệu quan trọng

Các giải pháp mật mã của IBM kết hợp công nghệ tiên tiến, tư vấn, tích hợp hệ thống và các dịch vụ bảo mật được quản lý để giúp đảm bảo tính linh hoạt của tiền điện tử, an toàn lượng tử cũng như các chính sách quản trị và rủi ro vững chắc. Từ mật mã đối xứng đến bất đối xứng, đến hàm băm và hơn thế nữa, hãy đảm bảo bảo mật dữ liệu và máy tính lớn bằng mã hóa đầu cuối được thiết kế riêng để đáp ứng nhu cầu kinh doanh của bạn.

Khám phá các giải pháp mã hóa của IBM