AES là một thuật toán mã hóa đối xứng với đặc tính ứng dụng rộng rãi. Chúng có nhiều ưu điểm và được áp dụng trong nhiều mảng khác nhau. Hãy tham khảo bài viết sau để hiểu rõ về khái niệm này cũng như các ứng dụng của chúng.
Thuật toán AES là gì?
Trong lĩnh vực mật mã học, Advanced Encryption Standard còn được viết tắt là AES. Nó là một thuật toán mã hóa đối xứng. Điều đó có nghĩa là nó dùng một khóa duy nhất để cả mã hóa và giải mã dữ liệu. AES hoạt động trên các khối dữ liệu 128 bit và cho phép sử dụng các khóa có độ dài khác nhau (128, 192, hoặc 256 bit) để tăng cường bảo mật.
Đây là một thuật toán mã hóa khối được chính phủ Mỹ áp dụng như là tiêu chuẩn mã hóa. Nó đã trải qua một quá trình nghiên cứu kỹ lưỡng. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (National Institute of Standards and Technology – NIST) đã chính thức chấp thuận AES làm tiêu chuẩn liên bang sau một chuỗi quá trình tiêu chuẩn hóa kéo dài trong 5 năm. Nó thay thế cho chuẩn DES (Data Encryption Standard) cũ để ứng dụng toàn cầu.
Thuật toán AES là một loại “mã hóa khối”. Nó được sáng tạo ban đầu bởi hai chuyên gia mật mã người Bỉ là Joan Daemen và Vincent Rijmen. Kể từ khi trở thành tiêu chuẩn, thuật toán này là một trong những thuật toán mã hóa phổ biến nhất. Thuật toán này sử dụng khóa mã đối xứng để thực hiện quá trình mã hóa và giải mã. Tại Việt Nam, thuật toán AES đã được công nhận và tích hợp vào tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7816:2007 về Thuật toán mã hóa dữ liệu từ năm 2007.
Ứng dụng của thuật toán AES
AES là một thuật toán mã hóa dữ liệu tiên tiến. Dưới đây là một số cách sử dụng phổ biến của chúng.
AES bảo mật thông tin truyền qua mạng
Thuật toán Mã hóa Tiên tiến (AES) thường xuyên được áp dụng. Chúng giúp đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của các loại thông tin. Chẳng hạn như thông tin cá nhân, dữ liệu tài khoản quan trọng, và các dữ liệu quan trọng khác trong quá trình chúng được truyền tải qua mạng.
Một ví dụ rõ ràng là trong giao thức HTTPS. Đây là phương thức bảo mật phổ biến được sử dụng để truyền tải dữ liệu an toàn qua Internet. Trong ngữ cảnh này, chúng đảm bảo rằng dữ liệu được mã hóa và giải mã một cách an toàn. Nhờ đó, nó ngăn chặn việc truy cập trái phép và đảm bảo tính bảo mật toàn diện cho thông tin truyền tải. Điều này giúp nâng cao tính an toàn của thông tin cá nhân. Hơn hết nó còn đóng góp vào việc xây dựng một môi trường trực tuyến đáng tin cậy và an toàn cho người sử dụng.
AES bảo vệ dữ liệu trong các ứng dụng
Cụ thể, các ứng dụng ngân hàng trực tuyến thường sử dụng AES. Ngoài ra, các hệ thống quản lý tài khoản cũng sử dụng thuật toán này. Đây là nơi mà việc bảo mật thông tin cá nhân và tài chính của khách hàng là ưu tiên hàng đầu. Thuật toán này giúp mã hóa các giao dịch và thông tin tài khoản. Việc mã hóa đảm bảo rằng chúng không bị tiết lộ cho những người không được phép truy cập. Việc này giúp bảo vệ thông tin nhạy cảm khỏi hacker. Chỉ những người có quyền hạn thích hợp mới có thể truy cập vào dữ liệu.
Tóm lại, chúng giúp bảo vệ dữ liệu và thông tin người dùng trong trong các ứng dụng. Nó tạo ra một môi trường an toàn và tin cậy. Đây là nơi mà thông tin có thể được trao đổi và lưu trữ. Người dùng sẽ không phải lo lắng về việc nó bị đánh cắp hoặc tiết lộ.
AES bảo vệ dữ liệu trong quá trình lưu trữ
AES thường được sử dụng để mã hóa dữ liệu trước khi lưu trữ trên các thiết bị. Chẳng hạn như ổ đĩa cứng, USB, và các phương tiện lưu trữ khác. Điều này giúp tăng cường an ninh cho dữ liệu và ngăn chặn truy cập trái phép. Trong trường hợp thiết bị bị mất mát hoặc đánh cắp, thông tin quan trọng không thể dễ dàng tiếp cận hay bị xâm phạm cho mục đích trái phép. Thuật toán này không chỉ làm tăng cường bảo mật mà còn đóng góp vào việc duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu. Ngay cả khi chúng được lưu trên các thiết bị lưu trữ cục bộ, độ an toàn vẫn được đảm bảo.
AES bảo vệ dữ liệu trên thiết bị di động
Bảo vệ an toàn dữ liệu trên thiết bị di động là một trong những ứng dụng quan trọng. Nó được tích hợp chặt chẽ vào các hệ điều hành di động như iOS và Android. Từ đó, AES đóng vai trò chính trong việc đảm bảo an ninh cho thông tin lưu trữ trên đó. Thông qua việc triển khai AES trên các hệ điều hành, mọi dữ liệu đều được mã hóa mạnh mẽ. Việc mã hóa ngăn chặn bất kỳ cố gắng truy cập trái phép nào từ bên ngoài. Điều này không chỉ đảm bảo tính riêng tư cho người sử dụng. Các thông tin cá nhân, ảnh, video, và dữ liệu sẽ hạn chế rủi ro bị mất hay bị truy cập trái phép.
Việc tích hợp AES vào hệ điều hành di động cũng mang lại lợi ích to lớn. Người dùng yên tâm sử dụng các tính năng lưu trữ và chia sẻ dữ liệu mà không lo ngại bảo mật.
AES giúp bảo vệ dữ liệu trên đám mây
Trong thế giới số ngày nay, lưu trữ dữ liệu trên đám mây rất phổ biến. Cách lưu trữ này có nhiều ưu điểm. Nó mang lại sự tiện lợi trong việc truy cập dữ liệu từ bất kỳ đâu và bất kỳ khi nào. Bên cạnh đó, không gian lưu trữ trên các thiết bị cục bộ được tiết kiệm đáng kể. Tuy nhiên, việc này cũng đặt ra những thách thức về bảo mật. Đó là vì dữ liệu khi truyền qua mạng có thể bị đánh cắp hoặc tiết lộ.
Đây chính là lý do AES trở nên hữu ích. Khi dữ liệu được truyền qua mạng để lưu trữ trên đám mây, chúng thường mã hóa dữ liệu. Nhờ đó, AES giúp bảo vệ chúng khỏi những kẻ tấn công mạng. Ngoài ra, nó cũng giúp bảo vệ dữ liệu khỏi việc truy cập trái phép. Như vậy, thuật toán này không chỉ giúp bảo vệ dữ liệu khi chúng được truyền qua mạng. Chúng còn giúp đảm bảo an toàn cho dữ liệu khi chúng được lưu trữ trên đám mây.
AES giúp mã hóa email và truyền tin an toàn
Trong quá trình mã hóa, AES bảo vệ nội dung của các thông điệp truyền đi. Do đó, chúng được tích hợp vào các ứng dụng email và các hệ thống truyền tin an toàn. Trong hệ thống này, dữ liệu trở nên không thể đọc được dễ dàng. Điều này xảy ra ngay cả khi chúng đi qua các kênh truyền trực tuyến. Điều này giúp ngăn chặn bất kỳ sự xâm phạm nào vào nội dung của thông điệp. Nhờ đó, thông tin cá nhân, ý kiến, và các dữ liệu quan trọng khác được bảo mật khỏi mọi hiểm họa tiềm ẩn.
Ngoài việc tạo ra môi trường giao tiếp an toàn, AES trong mã hóa email còn cung cấp một tầm nhìn tổng thể về bảo mật. Điều này đồng nghĩa với việc cung cấp một cơ sở hạ tầng bảo mật mạnh mẽ. Từ đó, nó thúc đẩy sự an tâm khi sử dụng các dịch vụ truyền tin quan trọng.
Trong tất cả các ứng dụng trên, thuật toán này chủ yếu được sử dụng để cung cấp một cấp độ bảo mật cao cho dữ liệu. Chúng giúp ngăn chặn truy cập trái phép và đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin.
Các chế độ hoạt động của AES
Khi áp dụng thuật toán mã hóa AES, chúng ta thường không sử dụng nó ở dạng nguyên gốc. Thay vào đó, chúng thường được sử dụng trong bốn chế độ cơ bản của mã khối n-bit. Thuật toán có thể hoạt động trong nhiều chế độ khác nhau. Mỗi chế độ mang lại các đặc tính và ưu điểm riêng. Chúng bao gồm: ECB, CBC, CFB và OFB. Dưới đây là mô tả vắn tắt về bốn chế độ hoạt động chính.
ECB (Electronic Codebook)
Chế độ sách mã điện tử còn được gọi là Electronic Code Book – ECB. Đây là phương pháp thuật toán AES độc lập giữa các khối dữ liệu rõ (plaintext). Trong quá trình này, mỗi khối dữ liệu rõ được mã hóa riêng lẻ bằng hàm mã hóa \(E_k\) với khoá mật K. Chúng tạo ra các khối mã (ciphertext) tương ứng \(C_i = E_k(M_i)\). Quá trình giải mã là hoàn toàn độc lập, với \(M_i = D_k(C_i)\).
Tính chất độc lập của chế độ AES này giúp mỗi khối dữ liệu rõ sẽ được chuyển đổi thành một khối mã có đầu ra giống nhau. Điều này xảy ra mỗi khi khối dữ liệu xuất hiện trong quá trình mã hóa. Việc này giúp tăng cường tốc độ xử lý. Dù vậy cơ chế AES này cũng có điểm yếu. Chúng dễ bị tấn công trong một số tình huống. Điều này dễ xuất hiện khi cùng một khối dữ liệu rõ xuất hiện nhiều lần. Nó có thể tạo ra các mẫu đặc trưng và gây nguy cơ cho tính bảo mật của hệ thống mã hóa.
CBC (Cipher Block Chaining)
Chế độ xích liên kết khối mã, hay còn gọi là Cipher Block Chaining (CBC). Đây là phương pháp được thiết kế để cung cấp tính bảo mật và toàn vẹn cho dữ liệu truyền qua mạng. Phương thức AES này chia thông điệp thành các khối và thực hiện mã hóa từng khối bằng cách kết hợp với khối trước đó và một vector khởi tạo duy nhất (IV). So với chế độ AES khác là Electronic Code Book (ECB), CBC đại diện cho một sự tiến bộ vì nó giảm mức độ yêu cầu về bảo mật.
Trong CBC, mỗi khối mã hóa tiếp theo được tạo ra bằng cách đưa vào thuật toán mã hóa khối trước đó. Chúng được đưa sau khi thực hiện phép XOR với khối văn bản gốc. Điều quan trọng là CBC sử dụng cơ chế liên kết. Quá trình giải mã của mỗi khối phụ thuộc vào tất cả các khối mã hóa trước đó. Điều này mang lại tính hợp lệ toàn bộ cho các khối. Mỗi khối văn bản gốc trong CBC được thực hiện phép XOR với khối mã hóa ngay trước đó trước khi được mã hóa.
Nhờ đó, cơ chế AES này có lợi thế so với ECB. Ở đây, các mẫu văn bản gốc có thể dễ dàng nhận biết thông qua quá trình mã hóa. Điều này giúp CBC trở thành một chế độ AES mạnh mẽ và phổ biến trong lĩnh vực mật mã học.
CFB (Cipher Feedback)
Chế độ mã liên kết ngược, hay còn gọi là Cipher Feedback (CFB). Cơ chế này của AES giúp mã hóa dữ liệu hiệu quả. Trái với Electronic Code Book (ECB) truyền thống, CFB không áp dụng quá trình mã hóa trực tiếp cho từng khối dữ liệu rõ (plaintext). Thay vào đó, nó hoạt động như một bộ mã hóa cho một luồng dữ liệu ngẫu nhiên.
Quá trình bắt đầu với việc sử dụng một vector khởi tạo (Initialization Vector – IV). Sau đó, chúng chuyển qua quá trình mã hóa để tạo luồng dữ liệu ngẫu nhiên. Điều độc đáo ở đây là luồng này sau đó được XOR với dữ liệu rõ, tạo ra dữ liệu mã hóa. Mỗi bước trong quá trình như một lớp bảo vệ được thêm vào quá trình mã hóa. Chúng làm tăng cường độ an toàn và linh hoạt của hệ thống.
Mỗi lần bước tiến, luồng dữ liệu ngẫu nhiên được dịch chuyển và tái sử dụng cho các bước mã hóa tiếp theo. Nhờ đó, quá trình liên tục và liên kết giữa các khối dữ liệu được hình thành. Quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ dữ liệu rõ được mã hóa. Cơ chế AES này giúp tiếp cận động và linh hoạt trong việc truyền dữ liệu theo dạng luồng. Điều này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu sự đồng bộ và an toàn cao.
OFB (Output Feedback)
Chế độ mã liên kết ngược OFB, hay Output Feedback, là cơ chế hoạt động của thuật toán mã hóa AES. Trong chế độ này, một luồng pseudo-random được tạo ra. Dữ liệu đầu vào được thực hiện phép XOR với luồng này để tạo ra dữ liệu đầu ra đã được mã hóa.
Điểm đặc biệt của OFB là khả năng chống lại lỗi truyền thông. Điều này có nghĩa là, nếu có một lỗi xảy ra trong quá trình truyền dữ liệu, lỗi đó chỉ ảnh hưởng đến một khối dữ liệu cụ thể mà không ảnh hưởng đến các khối dữ liệu khác. Điều này giúp đảm bảo rằng, ngay cả khi có lỗi xảy ra, dữ liệu vẫn có thể được giải mã một cách chính xác mà không bị ảnh hưởng bởi lỗi.
OFB cung cấp một cấp độ bảo mật cao cho dữ liệu. Đồng thời cũng giúp đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu khi chúng được truyền qua mạng. Chính vì vậy, cơ chế AES này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu bảo mật cao và độ tin cậy cao trong việc truyền dữ liệu.
Kết luận
Từ bốn chế độ hoạt động cơ bản trên, đã có nhiều chế độ khác được phát triển. Trong tương lai, có thể ISO/IEC sẽ công bố thêm một số chế độ hoạt động AES mới cho mã khối. Hy vọng những thông tin về AES trên sẽ giúp bạn hiểu hơn về thuật toán này. Nếu bạn muốn khám phá những thông tin liên quan khác, hãy tham khảo các bài viết dưới đây.
XEM THÊM:
