Mã hóa đối xứng và không đối xứng: một phân tích so sánh

Trong lĩnh vực mật mã học hiện đại, có hai nhánh chính của nghiên cứu: mật mã đối xứng và mật mã bất đối xứng. Mã hóa đối xứng thường được so sánh với mật mã đối xứng, trong khi mật mã bất đối xứng bao gồm hai ứng dụng cơ bản: mã hóa bất đối xứng và chữ ký số.

Phân loại này có thể được biểu diễn như sau:

Mật mã khóa đối xứng bao gồm mã hóa đối xứng, trong khi mật mã không đối xứng ( cũng được biết đến với tên gọi mật mã khóa công khai ) bao gồm cả mã hóa không đối xứng và chữ ký số, có thể liên quan hoặc không liên quan đến việc sử dụng mã hóa.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc xem xét các thuật toán mã hóa đối xứng và phi đối xứng.

Mã hóa đối xứng vs. đối xứng

Các thuật toán mã hóa thường được phân loại thành hai nhóm: mã hóa đối xứng và không đối xứng. Sự khác biệt cơ bản giữa hai phương pháp này nằm ở chỗ các thuật toán đối xứng sử dụng một khóa duy nhất, trong khi các thuật toán không đối xứng sử dụng hai khóa khác nhau nhưng có mối quan hệ. Sự khác biệt có vẻ đơn giản này mang lại những hệ quả quan trọng về chức năng và xác định cách thức áp dụng các phương pháp mã hóa này.

Mối quan hệ giữa các khóa

Trong lĩnh vực mật mã, các thuật toán mã hóa tạo ra các khóa dưới dạng chuỗi bit được sử dụng để mã hóa và giải mã thông tin. Cách mà các khóa này được sử dụng đánh dấu sự khác biệt giữa các phương pháp đối xứng và không đối xứng.

Trong khi các thuật toán đối xứng sử dụng cùng một khóa cho cả hai hoạt động, các thuật toán phi đối xứng sử dụng một khóa để mã hóa và một khóa khác để giải mã. Trong các hệ thống phi đối xứng, khóa mã hóa, còn được gọi là khóa công khai, có thể được chia sẻ công khai. Ngược lại, khóa giải mã là riêng tư và phải được giữ bí mật.

Ví dụ, nếu Ana gửi cho Carlos một tin nhắn được bảo vệ bằng mã hóa đối xứng, cô ấy sẽ phải cung cấp cho anh ấy cùng một khóa mà cô ấy đã sử dụng để mã hóa nó để anh ấy có thể đọc được. Điều này có nghĩa là nếu một kẻ tấn công chặn cuộc giao tiếp, họ có thể truy cập vào thông tin đã được mã hóa.

Ngược lại, nếu Ana sử dụng phương pháp mã hóa bất đối xứng, cô ấy sẽ mã hóa tin nhắn bằng khóa công khai của Carlos, người có thể giải mã nó bằng khóa riêng của mình. Bằng cách này, mã hóa bất đối xứng cung cấp một mức độ bảo mật cao hơn, vì ngay cả khi ai đó chặn tin nhắn và có được khóa công khai, họ cũng không thể làm gì với nó.

Độ dài của khóa

Một sự phân biệt chức năng khác giữa mã hóa đối xứng và bất đối xứng liên quan đến độ dài của các khóa, được đo bằng bit và liên kết trực tiếp với mức độ bảo mật của từng thuật toán.

Trong các hệ thống đối xứng, các khóa được chọn ngẫu nhiên và độ dài thường được chấp nhận dao động từ 128 đến 256 bit, tùy thuộc vào mức độ bảo mật yêu cầu. Trong mã hóa bất đối xứng, phải có một mối quan hệ toán học giữa các khóa công khai và riêng tư, nghĩa là chúng được liên kết bằng một công thức toán học cụ thể. Vì lý do này, các kẻ tấn công có thể tận dụng mẫu này để cố gắng phá vỡ mã hóa, điều này có nghĩa là các khóa bất đối xứng phải dài hơn đáng kể để cung cấp mức độ bảo mật tương đương. Sự khác biệt về độ dài của các khóa là đáng chú ý đến mức một khóa đối xứng 128 bit và một khóa bất đối xứng 2048 bit cung cấp khoảng cùng một mức độ bảo mật.

Ưu điểm và nhược điểm

Hai loại mã hóa này có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Các thuật toán mã hóa đối xứng nhanh hơn đáng kể và yêu cầu ít năng lượng tính toán hơn, nhưng nhược điểm chính của chúng là việc phân phối khóa. Bởi vì cùng một khóa được sử dụng để mã hóa và giải mã thông tin, khóa này phải được chia sẻ với tất cả những ai cần truy cập, điều này tự nhiên tạo ra một số rủi ro (như đã đề cập trước đó).

Mặt khác, mã hóa bất đối xứng giải quyết vấn đề phân phối khóa bằng cách sử dụng khóa công khai để mã hóa và khóa riêng để giải mã. Nhược điểm là các hệ thống bất đối xứng chậm hơn đáng kể so với các hệ thống đối xứng và yêu cầu nhiều khả năng xử lý hơn do độ dài của các khóa.

Ứng dụng thực tiễn

Mã hóa đối xứng

Do tốc độ của nó, mã hóa đối xứng được sử dụng rộng rãi để bảo vệ thông tin trong nhiều hệ thống máy tính hiện đại. Chẳng hạn, chính phủ Hoa Kỳ sử dụng Tiêu chuẩn Mã hóa Nâng cao (AES) để mã hóa thông tin mật. AES đã thay thế Tiêu chuẩn Mã hóa Dữ liệu cũ (DES), được phát triển vào những năm 1970 như một tiêu chuẩn mã hóa đối xứng.

Mã hóa bất đối xứng

Mã hóa bất đối xứng có thể được áp dụng trong các hệ thống mà nhiều người dùng cần mã hóa và giải mã tin nhắn hoặc gói dữ liệu, đặc biệt khi tốc độ và sức mạnh xử lý không phải là ưu tiên. Một ví dụ đơn giản về loại hệ thống này là email được mã hóa, nơi có thể sử dụng khóa công khai để mã hóa tin nhắn và khóa riêng để giải mã chúng.

Hệ thống hybrid

Trong nhiều ứng dụng, mã hóa đối xứng và không đối xứng được kết hợp. Một ví dụ tốt về các hệ thống hybrid này là các giao thức mật mã Security Sockets Layer (SSL) và Transport Layer Security (TLS), được phát triển để cung cấp giao tiếp an toàn trên Internet. Hiện tại, các giao thức SSL được coi là không an toàn và không được khuyến nghị sử dụng. Ngược lại, các giao thức TLS được coi là an toàn và được sử dụng rộng rãi bởi tất cả các trình duyệt web hiện đại.

Sử dụng mã hóa trong tiền điện tử

Nhiều ví tiền điện tử triển khai các phương pháp mã hóa như một cách để cung cấp mức độ bảo mật cao hơn cho người dùng cuối. Các thuật toán mã hóa được áp dụng khi người dùng thiết lập mật khẩu cho tệp ví của họ, mà được sử dụng để truy cập vào phần mềm.

Tuy nhiên, do Gate và các nền tảng tiền điện tử khác sử dụng một cặp khóa công khai và riêng tư, có một hiểu lầm rằng các hệ thống blockchain sử dụng thuật toán mã hóa bất đối xứng. Tuy nhiên, như đã đề cập trước đó, mã hóa bất đối xứng và chữ ký số là hai trường hợp sử dụng chính của mã hóa bất đối xứng (mã hóa khóa công khai).

Do đó, không phải tất cả các hệ thống chữ ký số đều sử dụng mã hóa, ngay cả khi chúng cung cấp khóa công khai và khóa riêng. Thực tế, một tin nhắn có thể được ký số mà không cần sử dụng mã hóa. RSA là một ví dụ về thuật toán có thể được sử dụng để ký các tin nhắn đã được mã hóa, nhưng thuật toán chữ ký số được sử dụng trong Bitcoin ( được gọi là ECDSA) không liên quan đến mã hóa.

Những suy nghĩ cuối cùng

Cả mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng đều đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh thông tin và các giao tiếp bí mật trong môi trường kỹ thuật số hiện nay. Cả hai loại mã hóa đều có thể hữu ích, vì mỗi loại đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng, do đó chúng được áp dụng trong các kịch bản khác nhau. Khi mật mã học như một khoa học tiếp tục phát triển để bảo vệ chống lại các mối đe dọa mới và nghiêm trọng hơn, các hệ thống mật mã đối xứng và bất đối xứng sẽ tiếp tục có liên quan đến an ninh máy tính.