Mật mã học là gì và tại sao nó lại thay đổi kỹ thuật số của chúng ta

Mỗi ngày bạn truyền tải thông tin quan trọng qua internet – mật khẩu, thông tin ngân hàng, tin nhắn riêng tư. Nhưng làm thế nào để bạn đảm bảo rằng không ai khác có thể nhìn thấy chúng? Câu trả lời đơn giản: Mật mã học. Đây là công nghệ vô hình bảo vệ thông tin của bạn hàng ngày, từ các cửa hàng trực tuyến đến các giao dịch ngân hàng.

Mật mã học là nhiều hơn chỉ mã hóa. Đây là lĩnh vực rộng lớn chuyển đổi dữ liệu đọc được thành định dạng không thể đọc được, xác thực danh tính người gửi, đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu, và giám sát các hoạt động tổng thể. Trong thế giới công nghệ xâm nhập mọi ngóc ngách, hiểu biết về các nguyên tắc cơ bản của mật mã học trở nên cần thiết.

Lịch sử phát triển của mật mã học từ cổ đại đến nay

Lĩnh vực này không bắt đầu với máy tính. Người cổ đại đã hiểu rằng một số thông tin cần phải bí mật.

Ở Sparta cổ đại (thế kỷ 5 trước Công nguyên), họ sử dụng một cuộn giấy gọi là Skital – thông điệp được viết trên một dải giấy quấn quanh nó, chỉ có thể đọc được khi quay trở lại đúng đường kính ban đầu. Mật mã Caesar (thế kỷ 1 trước Công nguyên) phức tạp hơn: thay thế mỗi chữ cái bằng một chữ cái khác theo một quy tắc nhất định. Các nhà toán học Ả Rập vào thế kỷ 9 đã phát minh ra phân tích tần số – phương pháp phá mã đơn giản dựa trên đếm các chữ cái lặp lại. Trong thời Trung cổ, mã Vigenère được coi là bước tiến trong mã hóa, cho đến khi nó cũng bị phá.

Chiến tranh thế giới thứ hai là bước ngoặt lớn. Máy mã Enigma của Đức tạo ra các mã phức tạp đến mức các nhà mật mã Anh và Ba Lan, đứng đầu là Alan Turing, đã phá vỡ được. Điều này thay đổi cục diện chiến tranh.

Với sự xuất hiện của máy tính vào những năm 70, mật mã học bước sang một lĩnh vực hoàn toàn mới. DES là tiêu chuẩn mã hóa đối xứng đầu tiên. Năm 1976, Diffie và Hellman đề xuất ý tưởng đột phá: mật mã công khai. Điều này cho phép hai người không quen biết nhau vẫn có thể liên lạc an toàn. Ngay sau đó, RSA ra đời, vẫn được sử dụng ngày nay.

Hai phương pháp khác để bảo vệ thông tin

Mật mã học sử dụng hai phương pháp chính:

Mã hóa đối xứng dùng cùng một khóa để mã hóa và giải mã – giống như khóa cửa thông thường. Nhanh, nhưng cả hai cần biết khóa đó. AES là phương pháp hiện đại tốt nhất, được sử dụng rộng rãi cho dữ liệu lớn.

Mã hóa bất đối xứng dùng hai khóa khác nhau – công khai và riêng tư. Giống như hộp thư: ai cũng có thể gửi thư, nhưng chỉ chủ sở hữu mới có thể lấy ra. RSA và ECC là các thuật toán phổ biến. Chậm hơn, nhưng cho phép liên lạc ban đầu an toàn.

Trong thực tế, cả hai thường hoạt động cùng nhau. Mã hóa bất đối xứng dùng để trao đổi khóa bí mật (nhanh), rồi mã hóa đối xứng dùng để mã hóa lượng lớn dữ liệu (nhanh). HTTPS hoạt động chính xác theo cách này.

Hàm băm: dấu vân tay số của dữ liệu

Hàm băm là một công cụ khác của mật mã học. Nó tạo ra “dấu vân tay số” của dữ liệu – một chuỗi có độ dài cố định trông như ngẫu nhiên.

Chỉ cần thay đổi một ký tự trong tệp, hàm băm sẽ thay đổi hoàn toàn. Điều này lý tưởng để xác thực – nếu hàm băm của tệp bạn tải xuống khớp với hàm băm đã công bố, bạn biết rằng không có gì bị thay đổi.

SHA-256 được sử dụng trong blockchain, SHA-3 là tiêu chuẩn mới, và một số quốc gia còn có tiêu chuẩn nội bộ như GOST.

Mật mã trong cuộc sống hàng ngày của bạn

Bạn không nhận ra, nhưng nó luôn tồn tại:

HTTPS – khi thấy biểu tượng ổ khóa trên trình duyệt, mật mã học bảo vệ chống lại các tin nhắn như Signal, WhatsApp mã hóa đầu cuối – chỉ bạn và người nhận mới đọc được tin nhắn. Ngân hàng trực tuyến – mọi giao dịch đều được bảo vệ bằng các lớp mã hóa.

Wi-Fi tại nhà – WPA3 sử dụng mật mã để ngăn truy cập trái phép. Thẻ ngân hàng – chip EMV trong thẻ của bạn thực hiện các hoạt động mật mã để chống sao chép. VPN – mã hóa lưu lượng để che giấu hoạt động của bạn.

Tiêu chuẩn quốc tế: cách các quốc gia bảo vệ dữ liệu

Hoa Kỳ dẫn đầu về tiêu chuẩn toàn cầu. NIST đã phát triển AES, SHA, và hiện đang cập nhật các thuật toán sau các cuộc tấn công lượng tử. NSA từng tham gia, gây ra một số nghi ngờ về các tiêu chuẩn này.

Châu Âu phát triển các phương pháp riêng qua ENISA. GDPR yêu cầu mã hóa tất cả dữ liệu cá nhân.

Nga có hệ thống mật mã mạnh mẽ. GOST là tiêu chuẩn nội bộ. GOST R 34.12-2015 định nghĩa mã hóa khối (“Kuznetschik”, “Magma”). GOST R 34.10-2012 định nghĩa chữ ký số. FSB cấp phép cho các công ty hoạt động trong lĩnh vực mật mã. Mật mã quốc tế yêu cầu sử dụng các tiêu chuẩn này trong liên lạc với các cơ quan chính phủ hoặc xử lý dữ liệu bí mật.

Trung Quốc thay đổi chính sách. Họ phát triển SM2, SM3, SM4 – các tiêu chuẩn nội bộ – và yêu cầu sử dụng chúng cho dữ liệu quốc gia.

Thuật toán tương lai của mật mã học

Sự xuất hiện của máy tính lượng tử là mối đe dọa thực sự. Chúng có thể phá vỡ RSA và ECC nhanh chóng. Thuật toán đã chứng minh điều này – trong lý thuyết.

Mật mã hậu lượng tử (PQC) là câu trả lời. Các quốc gia như Hoa Kỳ qua NIST đang tìm kiếm các thuật toán mới dựa trên các vấn đề toán học mà máy lượng tử khó giải quyết.

Mật mã lượng tử sử dụng các quy luật vật lý. Phân phối khóa lượng tử (QKD) cho phép hai người tạo ra khóa bí mật, trong khi mọi nỗ lực nghe lén đều làm thay đổi trạng thái của các hạt và phát hiện được kẻ nghe trộm.

Mật mã như một ngành nghề – lĩnh vực đang phát triển

Với sự gia tăng của an ninh mạng, nhu cầu chuyên gia mật mã ngày càng tăng.

Nhà mật mã phát triển các thuật toán mới. Họ cần kiến thức sâu về toán học – lý thuyết số, đại số, xác suất.

Chuyên gia phân tích mã tìm lỗ hổng trong các hệ mã hiện có – hoạt động hai chiều: bảo vệ (tìm lỗ hổng) và hỗ trợ đặc biệt.

Kỹ sư an ninh thông tin triển khai các công cụ. Họ cài đặt VPN, giao thức TLS/SSL, hệ thống PKI. Quản lý khóa, giám sát mã hóa, đảm bảo hệ thống tuân thủ tiêu chuẩn.

Lập trình viên an toàn viết mã sử dụng thư viện mật mã đúng cách. Lỗ hổng trong mã có thể làm yếu đi ngay cả thuật toán tốt nhất.

Pentester tìm lỗ hổng trong liên lạc và hệ thống.

Yêu cầu kỹ năng: kiến thức cơ bản về toán học, hiểu cách hoạt động của thuật toán, lập trình (Python, C++, Java), mạng, hệ điều hành, và tư duy phân tích.

Mật mã trong ngành công nghiệp và chính phủ

Trong các công ty: dữ liệu mã hóa trong các hệ thống lưu trữ, cơ sở dữ liệu, lưu trữ hồ sơ. Yêu cầu pháp lý ngày càng tăng (GDPR, luật liên bang 152 về dữ liệu cá nhân).

Chính phủ: liên lạc an toàn, chữ ký số, sử dụng tiêu chuẩn mật mã hợp pháp để xử lý bí mật quốc gia.

Ngân hàng: TLS/SSL bảo vệ kết nối trực tuyến. EMV trên thẻ. Các hệ thống thanh toán (VISA, MasterCard) sử dụng các giao thức phức tạp. ATM mã hóa các tin nhắn gửi ngân hàng.

Steganography – nguồn gốc của mật mã học

Trong khi mật mã học biến thông tin thành dạng không thể đọc được, steganography che giấu sự tồn tại của thông tin đó hoàn toàn. Nó ẩn trong hình ảnh, tệp âm thanh, video. Khi kết hợp cả hai – gửi tin nhắn mã hóa rồi giấu trong hình – ta có lớp bảo vệ kép.

Tóm lại

Mật mã học là nền tảng của thế giới kỹ thuật số hiện đại. Từ bảo vệ tin nhắn riêng tư đến các máy chủ chính phủ, nó luôn hoạt động phía sau hậu trường. Lịch sử của nó trải dài từ cổ đại đến các máy tính lượng tử tương lai. Hiểu biết các nguyên tắc cơ bản ngày nay rất quan trọng – không chỉ đối với các chuyên gia an ninh, mà còn với mọi người dùng internet thông minh. Thế giới tiến bộ này vẫn tiếp tục phát triển, và đó mới chỉ là bắt đầu.