Hướng dẫn về mật mã học: Từ mã hóa cổ đại đến an ninh chuỗi khối hiện đại

Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao chuyển khoản ngân hàng của bạn được bảo mật, các cuộc trò chuyện trên mạng xã hội của bạn ở chế độ riêng tư và thông tin mua sắm của bạn được bảo vệ chưa? Câu trả lời làMật mã(криптография) – Kỷ luật bí ẩn và mạnh mẽ này đang bảo vệ toàn bộ thế giới kỹ thuật số của chúng ta.

Chính xác thì mật mã là gì?

Lời giải thích đơn giản nhất: mật mã là khoa học chuyển đổi thông tin thành một dạng mà chỉ những người có thẩm quyền mới có thể đọc được. Nhưng nó còn nhiều hơn thế.

Bốn trụ cột của mật mã

Mật mã học có bốn mục tiêu cốt lõi:

Bảo mật - Đảm bảo rằng chỉ người được ủy quyền mới có thể đọc thông tin. Đây là chìa khóa khi bạn gửi chuyển khoản ngân hàng hoặc tin nhắn riêng tư.

Tính toàn vẹn dữ liệu - Đảm bảo rằng thông tin không bị tampered với trong quá trình truyền hoặc lưu trữ. Ngay cả khi một con số bị thay đổi, chúng ta có thể phát hiện ra nó.

Xác thực danh tính - Xác minh rằng bạn thực sự là bạn. Xác nhận rằng giao dịch chuyển tiền là từ bạn chứ không phải từ kẻ lừa đảo.

Không thể phủ nhận — Bạn không thể từ chối tin nhắn đã gửi hoặc giao dịch đã hoàn tất sau đó. Điều này rất cần thiết để ràng buộc pháp lý.

Các kịch bản ứng dụng trong thế giới thực của mật mã

Nó ở khắp mọi nơi trong cuộc sống hàng ngày

“https” và biểu tượng khóa nhỏ khi mở ứng dụng ngân hàng? Đó làGiao thức mã hóa TLS/SSLTại nơi làm việc – nó mã hóa thông tin đăng nhập, thông tin tài khoản và dữ liệu giao dịch của bạn bằng các thuật toán mật mã.

Khi sử dụng WhatsApp, Signal hoặc Telegram, tin nhắn của bạn sẽ đi quaMã hóa đầu cuối- Ngay cả máy chủ nền tảng cũng không thể xem nội dung của bạn.

Khi truy cập Wi-Fi công cộng, mặc dù mạng không an toàn, VPN sử dụng mật mã để tạo một đường hầm được mã hóa ngăn lưu lượng truy cập của bạn bị nghe lén.

Mật mã trong tài chính và blockchain

Trong thế giới tài sản tiền điện tử, mật mã là cơ sở hạ tầng.BitcoinVớiEthereumvà các hệ thống blockchain khác dựa trên các công nghệ mật mã sau:

• Hàm băm mật mã - Chuyển đổi dữ liệu tùy ý thành “dấu vân tay kỹ thuật số” có độ dài cố định. Các blockchain sử dụng nó để liên kết các giao dịch và xác minh tính toàn vẹn của dữ liệu.
• Mật mã khóa công khai - Cho phép người dùng ký giao dịch bằng khóa riêng tư và xác minh tính xác thực của chữ ký bằng khóa công khai trên mạng mà không cần tin tưởng bên thứ ba.
• Chữ ký số — Đảm bảo rằng giao dịch thực sự được bắt đầu bởi người nắm giữ khóa riêng tư và không thể bị từ chối sau đó.

Chính nhờ các cơ chế mật mã này mà blockchain có thể hoạt động mà không cần ngân hàng trung ương, đảm bảo tính bảo mật và minh bạch của mọi giao dịch.

Hai phương pháp mã hóa chính

Mã hóa đối xứng so với mã hóa bất đối xứng

Mã hóa đối xứngNó vừa được mã hóa vừa được giải mã bằng một khóa duy nhất. Nó nhanh chóng và hiệu quả, phù hợp để mã hóa một lượng lớn dữ liệu (như toàn bộ cơ sở dữ liệu hoặc luồng video). Một trong những phổ biến là AES (Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao).

Nhược điểm? Chìa khóa phải được chuyển trước một cách an toàn cho bên kia, và nếu nó bị chặn, tất cả sự bảo vệ sẽ bị mất.

Mã hóa bất đối xứngSử dụng một cặp khóa: khóa công khai (mọi người biết) và khóa riêng tư (chỉ bạn biết). Những người khác sử dụng khóa công khai của bạn để mã hóa thông tin và chỉ khóa riêng tư của bạn mới có thể mở khóa thông tin đó. Điều này giải quyết “câu đố vượt qua chìa khóa” của mã hóa đối xứng.

Nhược điểm? Nó chậm hơn nhiều so với mã hóa đối xứng và không thích hợp để mã hóa các tệp lớn.

Kịch bản thực tế: sự kết hợp của cả hai. Trao đổi khóa đối xứng một cách an toàn với mã hóa bất đối xứng, sau đó mã hóa tất cả dữ liệu bằng khóa đối xứng nhanh này. HTTPS làm được điều đó.

Thuật toán mã hóa khóa

DES và 3DES - Tiêu chuẩn ban đầu, bây giờ không an toàn.

AES (Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao) - Tiêu chuẩn của Hoa Kỳ và toàn cầu. Chiều dài khóa 128 bit đủ mạnh để chống lại sự bẻ khóa vũ phu.

RSA — Thuật toán bất đối xứng nổi tiếng nhất, dựa trên độ khó của việc thừa số số lớn. Khóa RSA 2048-bit được coi là an toàn trong nhiều thập kỷ tới.

ECC (Mật mã đường cong elip) - Hiệu quả hơn RSA, yêu cầu các khóa ngắn hơn để đạt được cùng cường độ bảo mật. Ngày càng có nhiều hệ thống hiện đại áp dụng ECC, bao gồm cả Bitcoin.

Hàm băm mật mã — SHA-256 là lựa chọn tiêu chuẩn cho blockchain. Nó chuyển đổi bất kỳ đầu vào kích thước nào thành hàm băm 256 bit và thay đổi đầu vào nhỏ nhất sẽ thay đổi hoàn toàn đầu ra (“hiệu ứng tuyết lở”).

Sự phát triển lịch sử của mật mã

Từ thời cổ đại đến thời hiện đại

của La Mã cổ đạiMã CaesarNó đơn giản như di chuyển chữ cái sang phải theo một số chữ số cố định. Ngày nay, nó không có giá trị, nhưng là hiện thân của những ý tưởng cơ bản của mật mã.

Bộ luật Virginia(16c.) để xác định nhiều ca với một từ khóa duy nhất, phức tạp hơn. Nhưng thế kỷ 19 đã bị nứt.

Máy bí ẩn(Đức Quốc xã) là đỉnh cao của mã hóa cơ học. Nó có rôto quay và bảng nối phức tạp với các quy tắc mã hóa khác nhau cho từng ký tự. Nhưng Turing ở Anh và các nhà toán học ở Ba Lan cuối cùng đã phá vỡ nó, điều này được cho là đã đẩy nhanh sự kết thúc của Thế chiến II.

Bước ngoặt trong thời đại máy tính

Năm 1977DESTiêu chuẩn này mở ra một kỷ nguyên mới của mã hóa máy tính. Mặc dù các khóa 56-bit hiện nay quá ngắn, nhưng chúng thiết lập tầm quan trọng của tiêu chuẩn hóa trong mật mã.

Năm 1976,Diffi HermanKhái niệm mang tính cách mạng về “mật mã khóa công khai” đã được đề xuất — giao tiếp an toàn có thể được thiết lập mà không cần phải chia sẻ bí mật trước.

Năm 1977RSACác thuật toán thực hiện khái niệm này và trở thành nền tảng của thương mại điện tử và an ninh mạng hiện đại.

năm 2001AESNó đã trở thành tiêu chuẩn toàn cầu hiện tại và dự kiến sẽ không được thay thế trong tương lai gần.

Những thách thức trong kỷ nguyên hậu lượng tử

Mối đe dọa lượng tử

Máy tính lượng tửcó thể được vận hànhThuật toán bờ, để bẻ khóa tất cả mã hóa RSA và ECC hiện tại trong một thời gian giới hạn. Một máy tính lượng tử đủ mạnh có thể làm điều đó trong vài giờ, điều này sẽ mất hàng triệu năm làm việc đối với các máy tính cổ điển.

Kế hoạch ứng phó

**Mật mã hậu lượng tử (PQC)**Nghiên cứu các thuật toán mới có thể chống lại các cuộc tấn công lượng tử. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đang thúc đẩy một tiêu chuẩn hậu lượng tử mới.

**Phân bổ khóa lượng tử (QKD)**Sử dụng các nguyên tắc của cơ học lượng tử: bất kỳ nỗ lực nghe lén nào cũng làm thay đổi trạng thái lượng tử, trạng thái này được phát hiện ngay lập tức. Mặc dù bản thân QKD không phải là một phương pháp mã hóa, nhưng nó có thể phân phối các khóa mã hóa đối xứng một cách an toàn.

Bối cảnh mật mã toàn cầu

Lập trường của Nga

Nga có truyền thống mật mã lâu đời, bắt nguồn từ trường phái toán học Liên Xô. Ngày nay, Nga sử dụng các tiêu chuẩn mật mã của riêng mình:

GOST R 34.12-2015 - Tiêu chuẩn mã hóa đối xứng, bao gồm “Kuznechik” (128-bit) và “Magma” (64-bit).

GOST R 34.10-2012 — Tiêu chuẩn chữ ký số, dựa trên đường cong elip.

GOST R 34.11-2012(“Stribog”) — tiêu chuẩn băm, đầu ra 256 hoặc 512 bit.

Cơ quan An ninh Liên bang Nga (ФСБ) giám sát việc cấp phép và chứng nhận các công cụ mật mã. Các tiêu chuẩn này là bắt buộc đối với các hệ thống và tổ chức chính phủ tương tác với chính phủ.

Tiêu chuẩn Mỹ và quốc tế

NIST ở Hoa Kỳ đặt ra tiêu chuẩn thực tế toàn cầu. Cơ quan An ninh Quốc gia (NSA) trong lịch sử đã tham gia vào việc thiết lập tiêu chuẩn, mặc dù điều này đôi khi dẫn đến tranh cãi về tác động có thể xảy ra của nó.

Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO/IEC), Lực lượng Đặc nhiệm Kỹ thuật Internet (IETF) và các cơ quan khác điều phối khả năng tương thích toàn cầu.

Con đường độc lập của Trung Quốc

Trung Quốc đã phát triển các thuật toán mật mã của riêng mình (SM2, SM3, SM4) và giám sát chặt chẽ việc sử dụng các công nghệ mật mã trong nước.

Bảo tàng Mật mã, Moscow

Bảo tàng Nga và hiếm đầu tiên dành riêng cho mật mã học trên thế giới nằm ở Moscow.

Nó trưng bày các máy mật mã cổ đại, Enigma thời Thế chiến II, phần cứng mật mã hiện đại, triển lãm tương tác giải thích các nguyên tắc mã hóa. Khách truy cập có thể thử bẻ khóa mật khẩu và tìm hiểu về các mối đe dọa của điện toán lượng tử.

Địa chỉ: Moscow, Phố Vườn Bách thảo, 25. Bạn nên kiểm tra trang web chính thức để xác nhận giờ mở cửa.

Triển vọng nghề nghiệp mật mã

Vai trò chuyên môn theo yêu cầu

Nhà mật mã học - Phát triển các thuật toán mới để phân tích sức đề kháng của chúng. Yêu cầu nền tảng sâu sắc về toán học (lý thuyết số, đại số, lý thuyết phức tạp).

Nhà phân tích mật mã — Chuyên bẻ khóa hoặc đánh giá tính bảo mật của hệ thống mã hóa.

Kỹ sư bảo mật thông tin — Triển khai các công cụ và giao thức mật mã, quản lý cơ sở hạ tầng quan trọng và giám sát các mối đe dọa bảo mật.

Nhà phát triển phần mềm bảo mật - Sử dụng kho mật khẩu và API một cách chính xác trong ứng dụng của bạn để tránh lỗi triển khai.

Máy kiểm tra thâm nhập - Tìm kiếm các lỗ hổng liên quan đến mã hóa trong hệ thống.

Kỹ năng cốt lõi

Các nguyên tắc cơ bản về toán học (quan trọng), kỹ năng lập trình (Python, C++, Java), kiến thức về mạng và hệ điều hành, tư duy phân tích, thói quen học hỏi liên tục.

Lộ trình học tập

Các trường đại học hàng đầu ở Nga: Đại học Quốc gia Moscow (Khoa Khoa học Máy tính), Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman Moscow, Viện Vật lý và Kỹ thuật hạt nhân Moscow, v.v. cung cấp các chuyên ngành liên quan.

Nền tảng trực tuyến: Coursera, Stepik, “Giáo dục mở” cung cấp các khóa học mật mã từ nhập môn đến nâng cao.

Định hướng nghề nghiệp: Công ty CNTT, fintech (ngân hàng, hệ thống thanh toán, nền tảng giao dịch tiền điện tử), viễn thông, cơ quan chính phủ, công nghiệp quốc phòng, công ty tư vấn.

Nghề nghiệp có nhu cầu cao, lương cao và tiếp tục phát triển.

Câu hỏi thường gặp

Phải làm gì nếu bạn mắc lỗi mật mã?

Thông báo “Lỗi mật mã” thường xuất phát từ sự cố chứng chỉ (hết hạn), phần mềm lỗi thời hoặc cấu hình sai.

Bắt đầu bằng cách khởi động lại chương trình hoặc hệ thống. Kiểm tra trạng thái chứng chỉ và ngày hết hạn. Cập nhật СКЗИ, trình duyệt và hệ điều hành. Tham khảo tài liệu hoặc liên hệ với bộ phận hỗ trợ. Nếu có liên quan đến chữ ký điện tử, hãy liên hệ với trung tâm cấp chứng nhận.

Mô-đun mật mã là gì?

Các thành phần phần cứng hoặc phần mềm chuyên dụng thực hiện các hoạt động mật mã như mã hóa, giải mã, tạo khóa, tính toán băm, tạo chữ ký và xác minh.

Học sinh bắt đầu như thế nào?

Đọc những cuốn sách khoa học phổ biến như “The Book of Ciphers” của Simon Singer hoặc “Applied Cryptography” của Schneier.

Giải quyết các vấn đề trong các cuộc thi CryptoHack hoặc CTF. Tìm hiểu những kiến thức cơ bản về toán học (đại số, lý thuyết số, lý thuyết xác suất). Hãy thử lập trình để thực hiện các mật mã đơn giản (mật mã Caesar, mật mã Virginia). Ghé thăm Bảo tàng Mật mã. Tham gia các khóa học trực tuyến.

Tổng kết

Mật mã không phải là một chủ đề học thuật trừu tượng, nó là xương sống của bảo mật kỹ thuật số hiện đại. Từ việc bảo vệ tin nhắn riêng tư của bạn đến đảm bảo tính toàn vẹn của các giao dịch blockchain, từ hệ thống tài chính đến an ninh quốc gia, mật mã có mặt ở khắp mọi nơi.

Hiểu các nguyên tắc và lịch sử của nó có thể giúp bạn đưa ra lựa chọn sáng suốt hơn trong thế giới kỹ thuật số. Mật mã học đang phải đối mặt với những thách thức mới với sự ra đời của điện toán lượng tử, nhưng các giải pháp mới - thuật toán hậu lượng tử và phân bổ khóa lượng tử - đã được phát triển.

Trong thời đại kỹ thuật số này, vai trò của mật mã sẽ ngày càng phát triển. Cho dù bạn là một chuyên gia công nghệ hay một người dùng bình thường, hiểu về mật mã là điều cần thiết cho tương lai. Chọn một nền tảng có cơ sở hạ tầng bảo mật mạnh mẽ để quản lý tài sản kỹ thuật số của bạn luôn là bước đầu tiên.