Mật mã học đối xứng và bất đối xứng: Phân tích toàn diện

Trong lĩnh vực mật mã học hiện đại, hai lĩnh vực nghiên cứu chính đã nổi lên: mã hóa đối xứng và mã hóa không đối xứng. Mã hóa đối xứng thường đồng nghĩa với mã hóa đối xứng, trong khi mã hóa không đối xứng bao gồm hai trường hợp sử dụng chính: mã hóa không đối xứng và chữ ký số.

Chúng ta có thể phân loại những khái niệm này như sau:

• Mã hóa khóa đối xứng
  • Mã hóa đối xứng
• Mã hóa bất đối xứng ( hoặc mã hóa khóa công khai )
  • Mã hóa bất đối xứng (hoặc mã hóa khóa công khai)
  • Chữ ký số ( có thể hoặc không thể liên quan đến mã hóa)

Bài viết này sẽ tập trung vào các thuật toán mã hóa đối xứng và không đối xứng.

Mã hóa đối xứng và không đối xứng: Sự khác biệt chính

Sự khác biệt cơ bản giữa các thuật toán mã hóa đối xứng và không đối xứng nằm ở việc sử dụng khóa của chúng. Các thuật toán đối xứng sử dụng một khóa duy nhất, trong khi các thuật toán không đối xứng sử dụng hai khóa riêng biệt nhưng có liên quan. Mô tả đơn giản này minh họa hiệu quả cho sự khác biệt về chức năng và thực tiễn giữa hai công nghệ mã hóa này.

Hiểu về các Khóa Mã Hóa

Trong mật mã học, các thuật toán mã hóa tạo ra các khóa ký tự nhiều bit được sử dụng để mã hóa và giải mã thông tin. Việc áp dụng những khóa này càng làm nổi bật sự khác biệt giữa mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng.

Các thuật toán đối xứng sử dụng cùng một khóa cho cả quá trình mã hóa và giải mã. Ngược lại, các thuật toán bất đối xứng sử dụng một khóa cho mã hóa và một khóa khác cho giải mã. Trong một hệ thống bất đối xứng, khóa mã hóa được gọi là khóa công khai và có thể được chia sẻ, trong khi khóa giải mã là riêng tư và phải được giữ bí mật.

Ví dụ, nếu Alice gửi cho Bob một tin nhắn được mã hóa bằng một thuật toán đối xứng, cô ấy phải chia sẻ khóa mã hóa với Bob để cho phép giải mã. Điều này có nghĩa là nếu một đối tượng độc hại chặn khóa, họ có thể dễ dàng truy cập thông tin đã được mã hóa.

Tuy nhiên, nếu Alice sử dụng một thuật toán bất đối xứng, cô ấy sẽ mã hóa thông điệp bằng cách sử dụng khóa công khai của Bob, và Bob sẽ giải mã nó bằng khóa riêng của mình. Do đó, mã hóa bất đối xứng cung cấp bảo mật cao hơn, vì ngay cả khi ai đó chặn thông điệp và có được khóa công khai của Bob, họ cũng không thể giải mã thông điệp.

Các yếu tố cần xem xét về độ dài khóa

Một sự khác biệt chức năng khác giữa mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng liên quan đến độ dài khóa, được đo bằng bit và liên quan trực tiếp đến mức độ bảo mật mà mỗi thuật toán mã hóa cung cấp.

Trong mã hóa đối xứng, khóa được chọn ngẫu nhiên, thường có độ dài 128 hoặc 256 bit, tùy thuộc vào mức độ bảo mật mong muốn. Tuy nhiên, trong mã hóa bất đối xứng, các khóa công khai và riêng tư có liên quan đến nhau về mặt toán học, cho thấy một mối liên hệ số học giữa hai cái. Kẻ tấn công có thể khai thác mẫu này để phá vỡ văn bản mật, do đó cần có độ dài khóa lớn hơn cho các khóa bất đối xứng để cung cấp mức độ bảo mật tương đương. Sự chênh lệch về độ dài khóa là rất đáng kể đến nỗi một khóa đối xứng 128 bit và một khóa bất đối xứng 2.048 bit cung cấp mức độ bảo mật tương tự nhau.

So sánh Ưu điểm và Nhược điểm

Hai loại thuật toán mã hóa này có những lợi thế và bất lợi khác nhau. Thuật toán mã hóa đối xứng hoạt động nhanh chóng và yêu cầu ít tài nguyên tính toán hơn, nhưng nhược điểm chính của chúng là phân phối khóa. Vì cùng một khóa được sử dụng để mã hóa và giải mã, nó phải được phân phối cho những người cần truy cập dữ liệu, tạo ra một rủi ro về an ninh (như đã đề cập trước đó).

Ngược lại, mã hóa bất đối xứng sử dụng khóa công khai để mã hóa và khóa riêng để giải mã, giải quyết vấn đề phân phối khóa. Tuy nhiên, bất lợi là các hệ thống mã hóa bất đối xứng hoạt động chậm hơn nhiều so với mã hóa đối xứng và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn do độ dài khóa của chúng dài hơn đáng kể.

Ứng dụng của các phương pháp mã hóa

Mã hóa đối xứng

Mã hóa đối xứng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống máy tính hiện đại để bảo vệ thông tin do tốc độ tính toán nhanh hơn. Ví dụ, chính phủ Hoa Kỳ sử dụng Tiêu chuẩn Mã hóa Nâng cao (AES) để mã hóa và phân loại thông tin an ninh. AES đã thay thế Tiêu chuẩn Mã hóa Dữ liệu (DES), được phát triển vào những năm 1970 và lâu nay đã được coi là tiêu chuẩn cho mã hóa đối xứng.

Mã hóa bất đối xứng

Mã hóa bất đối xứng thường được sử dụng trong các hệ thống mà một số lượng lớn người dùng cần mã hóa và giải mã tin nhắn hoặc dữ liệu đồng thời, đặc biệt nếu tốc độ và tài nguyên tính toán là đủ. Một trường hợp sử dụng phổ biến cho hệ thống này là email được mã hóa, nơi chìa khóa công khai có thể được sử dụng để mã hóa tin nhắn và chìa khóa riêng để giải mã nó.

Hệ thống Mã hóa Kết hợp

Nhiều ứng dụng sử dụng cả mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng cùng nhau. Ví dụ điển hình của các hệ thống hybrid như giao thức mã hóa Secure Sockets Layer (SSL) và Transport Layer Security (TLS), được sử dụng để cung cấp truyền thông an toàn qua Internet. Giao thức SSL hiện nay được coi là không an toàn và nên được loại bỏ. Ngược lại, giao thức TLS hiện nay được coi là an toàn và được sử dụng rộng rãi bởi các trình duyệt web chính.

Mã hóa trong Tiền điện tử

Công nghệ mã hóa được sử dụng trong nhiều loại tiền điện tử cung cấp một mức độ bảo mật cao hơn cho người dùng cuối. Ví dụ, khi một người dùng thiết lập mật khẩu cho ví mã hóa của họ, một thuật toán mã hóa được sử dụng để mã hóa một cách mật mã các tệp được sử dụng để truy cập phần mềm.

Tuy nhiên, khi các loại tiền điện tử như Bitcoin sử dụng khóa công khai và khóa riêng, có một sự hiểu lầm phổ biến rằng các hệ thống blockchain sử dụng các thuật toán mã hóa bất đối xứng. Như đã đề cập trước đó, mã hóa bất đối xứng và chữ ký số là hai trường hợp sử dụng chính của mật mã học bất đối xứng (mật mã khóa công khai).

Do đó, không phải tất cả các hệ thống chữ ký số đều sử dụng mã hóa, ngay cả khi chúng sử dụng khóa công khai và khóa riêng. Thực tế, có thể ký số một thông điệp mà không cần mã hóa nó. RSA là một ví dụ về thuật toán để ký các thông điệp đã được mã hóa, nhưng thuật toán chữ ký số được Bitcoin ( sử dụng gọi là ECDSA) không sử dụng bất kỳ mã hóa nào.

Những suy nghĩ kết thúc

Trong kỷ nguyên số ngày nay, mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thông tin nhạy cảm và các giao tiếp mạng. Mặc dù cả hai đều hữu ích, mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng, khiến chúng phù hợp với các trường hợp sử dụng khác nhau. Khi mật mã tiếp tục phát triển, mã hóa có thể được sử dụng để kháng cự tốt hơn trước các mối đe dọa mới và phức tạp. Mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng cũng có liên quan chặt chẽ đến an ninh máy tính, đảm bảo tính toàn vẹn và tính bảo mật của thông tin kỹ thuật số trong một thế giới ngày càng kết nối.