Mật mã hóa là gì?

Mật mã hóa có nguồn gốc từ việc gửi thông tin nhạy cảm giữa các nhân vật quân sự và chính trị. Thông điệp có thể được mã hóa để bất kỳ ai thấy sẽ tưởng là văn bản ngẫu nhiên, ngoại trừ người nhận dự kiến.

Ngày nay, các kỹ thuật mã hóa ban đầu đã bị phá vỡ hoàn toàn. Chúng bị phá vỡ đến mức chỉ được tìm thấy trong các phần giải đố của một số tờ báo. Rất may, lĩnh vực này đã đạt được những tiến bộ lớn về bảo mật và các thuật toán được sử dụng ngày nay dựa vào phân tích và toán học nghiêm ngặt để bảo mật.

Khi bảo mật ngày càng phát triển, lĩnh vực mật mã hóa đã mở rộng để bao gồm nhiều mục tiêu bảo mật hơn. Chúng bao gồm xác thực thông báo, tính toàn vẹn dữ liệu, điện toán bảo mật và hơn thế nữa.

Mật mã hóa là nền tảng của xã hội hiện đại. Đó là cơ sở của vô số ứng dụng Internet thông qua Giao thức truyền siêu văn bản bảo mật (HTTPS), giao tiếp bằng văn bản và giọng nói bảo mật, và thậm chí cả tiền tệ kỹ thuật số.

Các thuật toán mật mã hóa khóa đối xứng sử dụng các khóa mật mã giống nhau cho cả mã hóa văn bản thuần và giải mã bản mã. Mã hóa đối xứng yêu cầu tất cả những người nhận thông điệp dự kiến phải có quyền truy cập vào khóa chung.

Những hình minh họa sau đây cho thấy cách mã hóa và giải mã hoạt động với các khóa và thuật toán đối xứng, giả sử rằng tất cả các bên đều chia sẻ cùng một khóa.

Trong hình minh họa đầu tiên, một khóa và thuật toán đối xứng được sử dụng để chuyển đổi một thông điệp văn bản thuần thành bản mã. Hình minh họa thứ hai cho thấy vẫn khóa bí mật và thuật toán đối xứng đó đang được sử dụng để chuyển bản mã trở lại thành văn bản thuần.                

Một trong những thuật toán mã hóa khối phổ biến nhất là Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến (AES). Thuật toán mã hóa khối này hỗ trợ các khóa 128-bit, 192-bit hoặc 256-bit. AES thường được kết hợp với Chế độ Galois/Counter (GCM) và được gọi là AES-GCM để tạo ra một thuật toán mã hóa được xác thực.

AES là tiêu chuẩn ngành về mã hóa được thực hiện trên khắp thế giới. Tính bảo mật của tiêu chuẩn đã được hiểu rõ và những cách thức triển khai hiệu quả phần mềm và phần cứng được áp dụng rộng rãi.

Vì các thuật toán khóa công khai như RSA-OAEP kém hiệu quả hơn so với các thuật toán đối xứng của chúng, do đó thường không được sử dụng để mã hóa trực tiếp dữ liệu. Tuy nhiên, chúng đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái mật mã hóa bằng cách cung cấp phương tiện để trao đổi khóa.

Để sử dụng mã hóa đối xứng, các bên phải dùng chung một khóa. Mặc dù khóa này có thể được gửi qua một kênh được mã hóa hiện có, nhưng chúng tôi sẽ không cần khóa mới nếu đã có một kênh bảo mật. Thay vào đó, chúng tôi giải quyết vấn đề trao đổi khóa bằng cách sử dụng mật mã hóa khóa công khai.

Đây là hai phương pháp phổ biến để trao đổi khóa đối xứng.

• Mã hóa không đối xứng. Một bên tạo khóa đối xứng, sau đó mã hóa khóa bằng thuật toán như RSA-OAEP thành khóa công khai của bên khác. Người nhận có thể giải mã bản mã bằng cách sử dụng khóa riêng của họ để khôi phục khóa đối xứng.
• Trao đổi khóa Diffie-Hellman - (DH). Diffie-Hellman là một loại thuật toán mật mã hóa khóa công khai khác được thiết kế đặc biệt để giúp các bên thống nhất về khóa đối xứng trong trường hợp không có kênh bảo mật. Diffie-Hellman dựa trên một bài toán khác với hàm RSA và kém linh hoạt hơn RSA. Tuy nhiên, nó có các cấu trúc hiệu quả hơn, nên thích hợp hơn trong một số trường hợp sử dụng.

Sự kết hợp giữa mật mã hóa khóa công khai để trao đổi khóa và mã hóa đối xứng để mã hóa dữ liệu hàng loạt được gọi là mã hóa kết hợp.

Mã hóa kết hợp sử dụng các thuộc tính duy nhất của mật mã hóa khóa công khai để trao đổi thông tin bí mật qua một kênh không đáng tin cậy với tính hiệu quả của mã hóa đối xứng. Điều này giúp đạt được một giải pháp toàn diện thiết thực cho quyền riêng tư của dữ liệu.

Mã hóa kết hợp được sử dụng rộng rãi trong các giao thức truyền dữ liệu cho web, chẳng hạn như trong Bảo mật lớp truyền tải (TLS). Khi bạn kết nối với một trang web sử dụng HTTPS (HTTP bảo mật với TLS), trình duyệt của bạn sẽ đàm phán các thuật toán mật mã hóa bảo mật kết nối của bạn. Chúng bao gồm các thuật toán để trao đổi khóa, mã hóa đối xứng và chữ ký số.

Mã xác thực thông báo (MAC) là phiên bản đối xứng của chữ ký số. Với MAC, hai bên trở lên dùng chung một khóa. Một bên tạo thẻ MAC, là phiên bản đối xứng của chữ ký số và gắn thẻ đó vào tài liệu. Một bên khác có thể xác minh tính toàn vẹn của thông báo bằng chính khóa được sử dụng để tạo thẻ.

Lưu ý rằng nhiều bên dùng chung khóa được sử dụng để tạo thẻ MAC, vì vậy không thể sử dụng MAC để xác thực hoặc chống thoái thác vì không rõ bên nào đã tạo thẻ.

MAC có thể là các thuật toán độc lập, chẳng hạn như mã xác thực thông báo dựa trên băm (HMAC). Tuy nhiên, vì tính toàn vẹn của thông báo hầu như luôn là một đảm bảo có giá trị, nên nó thường được tích hợp vào các thuật toán mã hóa đối xứng như AES-GCM.

Mật mã hóa đường cong elip (ECC) là một kỹ thuật mật mã hóa khóa công khai dựa trên lý thuyết toán học về đường cong elip.

Ưu điểm lớn nhất của ECC là nó có thể cung cấp mức độ bảo vệ tương tự như các kỹ thuật truyền thống hơn, nhưng với các khóa nhỏ hơn và hoạt động nhanh hơn. Với hiệu quả của mình, ECC rất thích hợp để sử dụng trong các thiết bị có sức mạnh điện toán tương đối thấp, chẳng hạn như điện thoại di động.

ECC có thể được sử dụng để trao đổi khóa hiệu quả thông qua biến thể đường cong elip của Diffie-Hellman (ECDH) hoặc cho chữ ký số sử dụng Thuật toán chữ ký số đường cong elip (ECDSA). Nhờ tốc độ và tính linh hoạt của mình, ECC được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng trên Internet.

Trong vài thập kỷ qua, đã có sự đầu tư đáng kể vào điện toán lượng tử. Máy tính lượng tử sử dụng vật lý lượng tử và có thể giải quyết các bài toán, chẳng hạn như bài toán phân tích ra thừa số, mà không khả thi về mặt điện toán đối với máy tính cổ điển.

Một máy tính lượng tử quy mô lớn sẽ phá vỡ các hệ thống mật mã khóa công khai mà chúng ta sử dụng ngày nay, bao gồm cả các hệ thống mật mã dựa trên các hàm Rivest-Shamir-Adleman (RSA). Phá vỡ các thuật toán này đồng nghĩa với mất tính bảo mật và xác thực của nhiều ứng dụng và giao thức mà chúng ta sử dụng ngày nay.

Mặc dù hiện nay các máy tính lượng tử nhỏ đã tồn tại, nhưng chúng quá nhỏ để có thể phá vỡ các thuật toán mật mã hóa. Việc máy tính lượng tử với chức năng mật mã hóa (CRQC) có xuất hiện hay không, hay khi nào xuất hiện, vẫn là điều chưa thể khẳng định. Cần có những đột phá khoa học quan trọng để phát triển CRQC.

Mật mã hóa hậu lượng tử (PQC) đề cập đến các thuật toán mật mã hóa chạy trên máy tính chúng ta sử dụng ngày nay và được xác định là khó bị tấn công bởi máy tính lượng tử quy mô lớn.

Tìm hiểu thêm về sự tham gia về nghiên cứu và kỹ thuật của AWS vào các dự án mật mã kháng lượng tử và các nhóm làm việc với cộng đồng mật mã toàn cầu tại Mật mã hậu lượng tử của AWS.

Các dịch vụ mật mã hóa của AWS sử dụng một loạt các công nghệ lưu trữ và mã hóa có thể đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu đang được lưu trữ hoặc đang được truyền. AWS cung cấp một số công cụ cho các hoạt động mật mã hóa:

• AWS CloudHSM cung cấp mô-đun bảo mật phần cứng (HSM) có thể lưu trữ bảo mật nhiều loại khóa mật mã hóa, bao gồm khóa gốc và khóa dữ liệu.
• Dịch vụ quản lý khóa của AWS (KMS) cung cấp các công cụ để tạo khóa gốc và khóa dữ liệu khác. AWS KMS cũng tương tác với nhiều dịch vụ AWS khác để mã hóa dữ liệu dành riêng cho dịch vụ của chúng.
• SDK mã hóa của AWS cung cấp thư viện mã hóa phía máy khách để triển khai các hoạt động mã hóa và giải mã trên tất cả loại dữ liệu.
• Máy khách mã hóa Amazon DynamoDB cung cấp thư viện mã hóa phía máy khách để mã hóa các bảng dữ liệu trước khi gửi chúng tới dịch vụ cơ sở dữ liệu, chẳng hạn như Amazon DynamoDB.
• Trình quản lý thông tin bí mật của AWS cung cấp tính năng mã hóa và xoay vòng các bí mật mã hóa được sử dụng với cơ sở dữ liệu được AWS hỗ trợ.

Nhiều dịch vụ AWS dựa vào các dịch vụ mật mã hóa này trong quá trình truyền hoặc lưu trữ dữ liệu. Để biết danh sách các dịch vụ như vậy và tổng quan về cách chúng sử dụng các phương pháp mật mã hóa, hãy xem Các dịch vụ AWS khác.

AWS cũng cung cấp các thư viện mật mã hóa nguồn mở:

• AWS libcrypto (AWS-LC) cung cấp một thư viện mật mã hóa đa dụng do đội ngũ Mật mã hóa của AWS duy trì cho AWS và khách hàng của họ. Nó dựa trên mã từ dự án Google BoringSSL và dự án OpenSSL. AWS-LC chứa các phần triển khai C di động của các thuật toán cần thiết cho TLS và các ứng dụng phổ biến. Đối với các thuật toán quan trọng về hiệu suất, các phiên bản cụm tối ưu hóa được bao gồm cho x86 và ARM.
• s2n-tls cung cấp phần triển khai các giao thức TLS/SSL được thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, nhanh chóng và ưu tiên bảo mật.

Bạn cũng có thể xem Blog Khoa học Amazon và Blog Bảo mật AWS. Trong blog, chúng tôi trình bày chi tiết những gì chúng tôi đang làm để phát triển, quy chuẩn hóa và nghiên cứu mật mã hóa nguyên mẫu. Chúng tôi viết về điện toán mật mã hóa, mật mã hóa hậu lượng tử, mã mật mã hóa được xác minh và hơn thế nữa.