Mã hóa bất đối xứng so với mã hóa đối xứng

Vì mã hóa đối xứng có tốc độ tính toán nhanh, phương pháp này rất xuất sắc trong việc bảo vệ lượng dữ liệu lớn — mã hóa các tệp trên ổ đĩa cứng, lưu lượng qua đường truyền VPN(cửa sổ mới) hoặc nội dung của cơ sở dữ liệu. Các thuật toán đối xứng phổ biến bao gồm AES và ChaCha20.

Điểm yếu cơ bản: Làm thế nào để chia sẻ khóa ngay từ đầu? Nếu gửi qua một kênh không an toàn, kẻ tấn công chặn được khóa có thể giải mã mọi thứ. Đây là vấn đề phân phối khóa và là điều mà mã hóa bất đối xứng giải quyết.

Điều này giải quyết hoàn toàn vấn đề phân phối khóa. Hai người lạ chưa từng liên lạc với nhau trước đây có thể thiết lập một kênh an toàn — một người công bố khóa công khai của họ, người kia mã hóa một thư bằng khóa đó và chỉ người giữ khóa mới có thể đọc thư trả lời. Đây là nền tảng của mã hóa đầu cuối, HTTPS và chữ ký số.

Sự đánh đổi: Mã hóa bất đối xứng chậm hơn khoảng 1.000 lần so với mã hóa đối xứng do các phép toán phức tạp liên quan. Chỉ mã hóa một tệp lớn hoặc một luồng dữ liệu phát trực tuyến liên tục bằng mật mã bất đối xứng sẽ không thực tế.

Các thuật toán bất đối xứng phổ biến bao gồm:

• RSA (Rivest–Shamir–Adleman)
• Mật mã đường cong elliptic (ECC), chẳng hạn như ECDH để trao đổi khóa và Ed25519 cho chữ ký số
• ML-KEM, một thuật toán bất đối xứng hậu lượng tử mới hơn được NIST tiêu chuẩn hóa vào năm 2024, được thiết kế để chống lại các cuộc tấn công từ máy tính lượng tử

Trên thực tế, mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng hầu như không bao giờ được sử dụng riêng lẻ. Các hệ thống bảo mật nhất kết hợp chúng: mã hóa bất đối xứng để trao đổi khóa một cách an toàn, sau đó dùng mã hóa đối xứng để bảo vệ dữ liệu thực tế. Điều này mang lại sự bảo mật của mật mã bất đối xứng và tốc độ của mật mã đối xứng.

Mã hóa ẩn nội dung của thư, nhưng không chứng minh được ai đã gửi thư. Để làm được điều đó, cần phải xác thực: một cách để xác minh rằng thư thực sự đến từ người gửi được tuyên bố và không bị can thiệp trong quá trình vận chuyển.

Mã hóa bất đối xứng giúp điều này khả thi thông qua chữ ký số. Thay vì mã hóa bằng khóa công khai, người gửi ký dữ liệu bằng khóa riêng tư của họ. Bất kỳ ai nắm giữ khóa công khai tương ứng đều có thể xác minh chữ ký, xác nhận cả danh tính của người gửi và nội dung không bị thay đổi.

Đối với bản thân dữ liệu, hầu hết các giao thức hiện đại đều sử dụng mã hóa được xác thực — các mật mã đồng thời mã hóa và xác minh tính toàn vẹn trong một thao tác. Các ví dụ phổ biến là AES-GCM and ChaCha20-Poly1305, cả hai đều được sử dụng trên các dịch vụ của Proton. Nếu chỉ một bit duy nhất của văn bản mã hóa bị thay đổi trong quá trình vận chuyển, việc giải mã sẽ thất bại và dữ liệu bị can thiệp sẽ bị từ chối.

Mã hóa đối xứng và mã hóa bất đối xứng đối mặt với các mối đe dọa rất khác nhau từ máy tính lượng tử — và việc hiểu rõ sự khác biệt này rất quan trọng đối với cách ngành đang chuẩn bị.

Mã hóa bất đối xứng truyền thống dựa trên các bài toán toán học khó: phân tích các số lớn thành thừa số (RSA) hoặc giải các bài toán logarit rời rạc (ECDH). Máy tính lượng tử, sử dụng thuật toán của Shor, đặc biệt giỏi giải quyết loại bài toán này, phá vỡ mật mã bất đối xứng truyền thống một cách hiệu quả trên quy mô lớn.

Mã hóa đối xứng có khả năng chống chịu tốt hơn nhiều. Phương pháp này dựa trên tấn công vét cạn (thử mọi khóa có thể) mà máy tính lượng tử có thể tăng tốc, nhưng không đủ để làm cho các khóa có kích thước tốt lỗi thời. Khóa đối xứng 256 bit vẫn an toàn trước các cuộc tấn công lượng tử đã biết; không cần tăng kích thước khóa trên thực tế.

Đây là lý do tại sao các thuật toán hậu lượng tử như ML-KEM được thiết kế để thay thế thuật toán bất đối xứng — thay thế cho những nơi sử dụng RSA và ECDH ngày nay, trong khi mã hóa đối xứng hầu như không thay đổi.