Mã hóa đối xứng là gì? Hiểu về Symmetric Key trong bảo mật

Mã hóa đối xứng là gì?

Mã hóa đối xứng (symmetric key encryption) là phương pháp mã hóa mà trong đó cùng một khóa được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu. Khóa này được gọi là symmetric key - khóa đối xứng vì cả hai bên tham gia trao đổi thông tin đều sử dụng một khóa chung duy nhất cho cả hai quá trình mã hóa và giải mã.

Trong bối cảnh thị trường crypto và blockchain, symmetric key được sử dụng rộng rãi để bảo vệ các dữ liệu nhạy cảm. Ứng dụng nổi bật như việc bảo mật thông tin giao dịch, bảo vệ dữ liệu ví tiền mã hóa và giúp hệ thống trao đổi thông tin an toàn.

Cơ chế hoạt động của mã hóa đối xứng

Trọng tâm của mã hóa đối xứng là sử dụng một khóa duy nhất cho cả hai quy trình mã hóa và giải mã. Đây là điểm khác biệt lớn nhất giữa mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng (asymmetric encryption), nơi cần có hai khóa (một khóa công khai và một khóa riêng tư).

Cơ chế hoạt động của việc mã hóa sẽ tập trung vào hai phần chính:

• Quá trình mã hóa - Encryption: Dữ liệu gốc (plaintext) được biến đổi thành dữ liệu đã mã hóa (ciphertext) bằng cách sử dụng khóa chung.
• Quá trình giải mã - Decryption: Để khôi phục dữ liệu gốc, bên nhận sử dụng cùng khóa chung đó để giải mã dữ liệu đã mã hóa trở về dạng ban đầu.

Giả sử A muốn gửi một thông điệp đến B. A sẽ mã hóa thông điệp đó bằng khóa chung mà cả A và B đều biết. Sau khi nhận được thông điệp đã mã hóa, B sẽ sử dụng khóa chung đó để giải mã và đọc được thông điệp gốc. Tuy nhiên, nếu một bên thứ ba không có khóa chung này, họ sẽ không thể giải mã được thông tin.

Symmetric key thường được sử dụng trong những tình huống yêu cầu tốc độ nhanh và xử lý khối lượng lớn dữ liệu, bởi vì nó nhanh hơn so với mã hóa không đối xứng. Tuy nhiên, một trong những hạn chế chính là việc truyền tải khóa an toàn. Nếu khóa bị xâm phạm, toàn bộ dữ liệu đều có thể bị lộ.

Báo cáo từ Chainalysis chỉ ra rằng trên 60% các vụ tấn công vào thị trường crypto có liên quan đến việc xâm phạm khóa mã hóa đối xứng hoặc không có sự bảo mật mạnh mẽ trong việc quản lý khóa.

Các thuật toán mã hóa đối xứng phổ biến

Có nhiều thuật toán được sử dụng trong mã hóa đối xứng, nhưng dưới đây là những thuật toán phổ biến nhất trong thị trường crypto:

• AES (Advanced Encryption Standard): AES là một trong những thuật toán mã hóa đối xứng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Nó cung cấp ba tùy chọn về độ dài khóa: 128, 192 và 256 bit, với AES-256 là mức độ an toàn cao nhất và được sử dụng phổ biến trong nhiều hệ thống bảo mật, bao gồm cả các ví tiền mã hóa như Ledger và Trezor.
• DES (Data Encryption Standard): Mặc dù hiện đã lỗi thời, DES đã từng là một trong những phương pháp mã hóa đối xứng phổ biến nhất.
• Blowfish và Twofish: Hai thuật toán này cũng thường được sử dụng trong các ứng dụng bảo mật để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm. Chúng thường được sử dụng thay thế cho AES trong một số ứng dụng.

Ứng dụng của mã hóa đối xứng trong thị trường Crypto

Trọng tâm trong ứng dụng của các loại hình mã hóa là giúp bảo mật. Với cơ chế sử dụng cùng một khóa cho cả mã hóa và giải mã, symmetric encryption giúp đảm bảo rằng thông tin nhạy cảm như khóa riêng (private key), dữ liệu giao dịch và thông tin cá nhân của người dùng được bảo vệ một cách an toàn.

Ví dụ, khi người dùng thực hiện giao dịch trên các sàn giao dịch tiền mã hóa hoặc tương tác với ví crypto, symmetric encryption giúp mã hóa thông tin để ngăn chặn việc dữ liệu bị đánh cắp hoặc tấn công.

Các giải pháp mở rộng Layer 2 như Optimism và Arbitrum trong thị trường crypto sử dụng symmetric key để mã hóa và bảo mật các giao dịch ngoài chuỗi (off-chain) trước khi chúng được xác minh và đưa trở lại blockchain chính. Điều này không chỉ giúp tăng tốc độ giao dịch mà còn đảm bảo tính bảo mật của dữ liệu.

Ngoài ra, công nghệ này còn được sử dụng để bảo vệ dữ liệu off-chain trong các ứng dụng phi tập trung (dApp) và trong việc lưu trữ thông tin nhạy cảm của người dùng. Nhiều sàn giao dịch lớn và các nền tảng DeFi như Aave hay Compound cũng tích hợp symmetric encryption để bảo vệ tài sản của người dùng trước các cuộc tấn công mạng.

Theo báo cáo từ Cointelegraph vào năm 2023, hơn 80% các ví tiền mã hóa và sàn giao dịch lớn đều sử dụng các thuật toán mã hóa đối xứng như AES để bảo vệ thông tin khách hàng và giao dịch. Symmetric encryption đã chứng tỏ hiệu quả trong việc giảm thiểu các rủi ro bảo mật, tạo điều kiện an toàn cho thị trường crypto ngày càng phát triển mạnh mẽ.

Đọc thêm: Vai trò của mật mã học (Cryptography) trong blockchain.

Các thách thức trong việc sử dụng Symmetric Key trong Crypto

Vấn đề chia sẻ và quản lý khóa

Trong mã hóa đối xứng, cả hai bên cần có cùng một khóa để mã hóa và giải mã thông tin. Điều này đòi hỏi khóa phải được chia sẻ an toàn giữa các bên. Tuy nhiên, quá trình này có thể gây ra lỗ hổng bảo mật nếu khóa bị đánh cắp trong quá trình truyền tải. Một khi khóa bí mật bị lộ, toàn bộ thông tin mã hóa đều có thể bị giải mã.

Một phương pháp để giải quyết thách thức này là kết hợp mã hóa đối xứng với mã hóa bất đối xứng. Trong đó, mã hóa bất đối xứng được sử dụng để trao đổi khóa đối xứng một cách an toàn. Ví dụ, các giao thức bảo mật như SSL/TLS sử dụng mã hóa đối xứng cho việc truyền tải dữ liệu sau khi khóa đã được trao đổi một cách an toàn qua mã hóa bất đối xứng.

Khả năng bị tấn công brute-force

Mặc dù mã hóa đối xứng như AES có độ bảo mật cao, nhưng vẫn có rủi ro bị tấn công brute-force, đặc biệt là khi khóa mã hóa có độ dài ngắn (ví dụ như 56 bit của DES). Điều này đòi hỏi người dùng và các tổ chức phải sử dụng các phương pháp mã hóa có độ dài khóa lớn hơn (như AES-256) để đảm bảo an toàn cho các tài sản số.

Vào cuối những năm 1990, Electronic Frontier Foundation (EFF) đã tạo ra một máy gọi là Deep Crack, được thiết kế đặc biệt để tấn công brute-force mã hóa DES. DES sử dụng một khóa dài 56-bit, và mặc dù trước đây nó được coi là an toàn, những tiến bộ về công nghệ đã khiến việc tấn công brute-force trở nên khả thi.

Deep Crack đã chứng minh điều này khi thành công giải mã một thông điệp được mã hóa DES chỉ trong khoảng 22 giờ. Chi phí xây dựng máy Deep Crack là khoảng 250,000 USD, và nó có thể thử 88 tỷ khóa mỗi giây.

Cuộc tấn công brute-force thành công này đã chỉ ra rằng DES không còn an toàn trước các đối thủ có nguồn lực tốt, dẫn đến việc chuyển sang sử dụng tiêu chuẩn mã hóa AES, cung cấp mức độ bảo vệ mạnh hơn rất nhiều.

Rủi ro khi khóa bị lộ

Trong mã hóa đối xứng, chỉ có một khóa bí mật được sử dụng để mã hóa và giải mã. Nếu khóa này bị lộ, kẻ tấn công có thể truy cập vào toàn bộ dữ liệu được mã hóa bằng khóa đó. Điều này đặc biệt nguy hiểm trong thị trường crypto, nơi các thông tin giao dịch và dữ liệu cá nhân rất nhạy cảm.

Thay đổi khóa thường xuyên là một trong những giải pháp nhằm giảm thiểu rủi ro này. Ngoài ra, việc áp dụng các cơ chế bảo mật như multi-factor authentication (MFA) và hardware security modules (HSMs) để quản lý khóa cũng có thể giúp giảm thiểu rủi ro. Các công cụ như Key Management Systems (KMS) hỗ trợ quản lý và lưu trữ khóa an toàn cũng được khuyến nghị.

Một số trường hợp hack vào các sàn giao dịch crypto đã xảy ra do lỗi trong việc quản lý khóa bí mật. Ví dụ, sàn Mt. Gox đã mất hơn 850,000 Bitcoin vì các khóa bí mật bị lộ.

Rủi ro từ nội gián (Insider Threat)

Nếu nhân viên hoặc người dùng có quyền truy cập vào khóa đối xứng và có hành vi xấu, dữ liệu mã hóa có thể dễ dàng bị xâm phạm từ bên trong. Điều này đặc biệt nguy hiểm trong các tổ chức tài chính và các sàn giao dịch crypto lớn.

Sử dụng Zero Trust Architecture và hệ thống kiểm soát truy cập phân quyền để giảm thiểu rủi ro từ nội gián. Đồng thời, việc sử dụng multi-factor authentication và quản lý quyền truy cập nghiêm ngặt có thể giúp giảm thiểu rủi ro này.

Mối đe dọa từ máy tính lượng tử

Một trong những thách thức lớn nhất đối với mã hóa đối xứng trong tương lai là sự phát triển của máy tính lượng tử. Máy tính lượng tử có thể phá vỡ các thuật toán mã hóa hiện tại một cách nhanh chóng. Điều này đang tạo ra mối lo ngại về sự an toàn của các hệ thống bảo mật dựa trên symmetric key trong tương lai gần.

So sánh Symmetric Key và Asymmetric Key

Để hiểu rõ hơn về vai trò của symmetric key trong thị trường crypto, việc so sánh với asymmetric key (mã hóa không đối xứng) là rất quan trọng.

Trong asymmetric key, có hai khóa riêng biệt: khóa công khai (public key) và khóa riêng (private key). Khóa công khai được sử dụng để mã hóa dữ liệu, trong khi chỉ khóa riêng mới có thể giải mã. Asymmetric key thường được sử dụng trong các giao dịch crypto vì nó không yêu cầu người dùng phải chia sẻ khóa bảo mật với người khác.

Tuy nhiên, do asymmetric key chậm hơn đáng kể so với symmetric key, nó thường được kết hợp với symmetric key trong các ứng dụng crypto để đạt hiệu quả cao nhất. Ví dụ: asymmetric key có thể được sử dụng để truyền khóa symmetric một cách an toàn.

• Symmetric Key: Thích hợp khi cần mã hóa dữ liệu lớn và yêu cầu tốc độ, nhưng gặp khó khăn trong việc trao đổi khóa an toàn.
• Asymmetric Key: Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu trao đổi khóa an toàn mà không cần chia sẻ khóa riêng, nhưng không hiệu quả khi mã hóa khối lượng dữ liệu lớn do tốc độ chậm.

Trong tương lai, symmetric key dự kiến vẫn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong thị trường crypto. Với sự phát triển của các công nghệ như zk-SNARKs trong các hệ thống bằng chứng Zero-Knowledge Proof, symmetric key có thể được tích hợp vào các giao thức bảo mật tiên tiến hơn, giúp tăng cường tính ẩn danh và bảo mật cho người dùng.

Ngoài ra, với sự gia tăng của các ứng dụng phi tập trung (dApps) và các mạng blockchain thế hệ mới, việc kết hợp symmetric và asymmetric key sẽ càng trở nên phổ biến hơn.

Đọc thêm: Mã hóa bất đối xứng là gì? Ứng dụng Asymmetric Encription trong Crypto.