AES Là Gì? Đặc Điểm Và Nguyên Lý Hoạt Động Của AES

Khi nhắc đến bảo mật thông tin số, AES luôn là cái tên đã không còn quá lạ lẫm khi được ứng dụng rộng rãi bởi các tập đoàn công nghệ lớn trên toàn cầu. Tiêu chuẩn AES đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ dữ liệu khỏi các mối đe dọa mạng. Trong bài viết này, hãy cùng MONA Host khám phá chi tiết về khái niệm AES là gì cũng như cách mà thuật toán này hoạt động để bảo mật dữ liệu của chúng ta.

AES là gì?

AES (viết tắt của Advanced Encryption Standard) là một thuật toán mã hóa đối xứng phổ biến để bảo vệ dữ liệu trong các hệ thống máy tính và mạng. Được Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) công bố vào năm 2001, AES ra đời đã thay thế chuẩn mã hóa DES (Data Encryption Standard) trước đây.

Thuật toán AES sử dụng cùng một khóa cho cả việc mã hóa và giải mã dữ liệu, đây là đặc trưng của mã hóa đối xứng. AES làm việc trên các khối dữ liệu có kích thước 128 bit và có thể sử dụng các khóa với độ dài khác nhau (128, 192 hoặc 256 bit) để tăng cường mức độ bảo mật.

AES hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong việc bảo mật, truyền dữ liệu an toàn qua internet, mà còn là bảo vệ dữ liệu trong các thiết bị lưu trữ như USB và ổ cứng di động, đến các phần mềm mã hóa và trò chơi điện tử. Đây cũng chính là lý do mà thuật toán mã hoá AES được coi là một trong những thuật toán mã hóa đối xứng mạnh mẽ nhất và là tiêu chuẩn mã hóa được công nhận rộng rãi trên toàn thế giới.

AES hoạt động như thế nào?

AES bao gồm ba loại mật mã khối là AES-128, AES-192 và AES-256, tương ứng với các chiều dài khóa là 128 bit, 192 bit và 256 bit. Mỗi loại khóa có số vòng lặp khác nhau tương ứng với 10 vòng cho khóa 128 bit, 12 vòng cho khóa 192 bit và 14 vòng cho khóa 256 bit. Trong mỗi vòng lặp, ba bước thay thế, biến đổi và hòa trộn khối văn bản gốc sẽ được thực hiện để chuyển đổi nó thành văn bản mã hóa.

Chính phủ phân loại thông tin thành ba cấp độ: bảo mật, bí mật và tối mật. Các khóa có độ dài 128, 192 và 256 bit đều được sử dụng cho thông tin bảo mật và bí mật. Riêng đối với thông tin tối mật, để đảm bảo hệ thống dữ liệu an toàn tuyệt đối, chỉ có các khóa 192 hoặc 256 bit mới được áp dụng. Mã hóa sẽ sử dụng một khóa bí mật để mã hóa và giải mã dữ liệu, đòi hỏi cả người gửi lẫn người nhận đều phải biết và sử dụng khóa này.

Một số tiêu chí cần có ở AES là gì?

Khi nói về AES, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) yêu cầu sử dụng phương pháp mã hóa khối với các độ dài khóa 128, 192, và 256 bit để mã hóa và giải mã dữ liệu. Đồng thời, AES cần phải tuân theo các tiêu chí sau:

• Bảo mật: Đây là tính năng quan trọng nhất, giúp AES vượt trội so với các phương pháp khác. AES phải có khả năng chống lại các cuộc tấn công mạnh và có quy mô lớn.
• Chi phí: Thuật toán AES được phát hành rộng rãi trên toàn cầu và không có phí bản quyền.
• Hiệu suất: Ba yếu tố quan trọng của AES là tính linh hoạt, phù hợp và đơn giản, nhằm đáp ứng tốt nhu cầu của các tổ chức, doanh nghiệp.

Một số ứng dụng phổ biến của AES

AES không chỉ được sử dụng trong các hệ thống máy tính mà còn được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các ứng dụng khác nhau, từ bảo mật thông tin cá nhân đến giao dịch ngân hàng trực tuyến. Một số ứng phổ biến của thuật toán AES bao gồm:

• Bảo mật không dây: AES được sử dụng để bảo vệ mạng Wifi, giúp giữ an toàn cho dữ liệu và ngăn chặn các truy cập không mong muốn.
• Mã hóa cơ sở dữ liệu: AES được áp dụng để mã hóa các thông tin nhạy cảm trong cơ sở dữ liệu, bảo vệ dữ liệu cá nhân, tài chính và các thông tin bí mật khác khỏi việc bị truy cập trái phép.
• Truyền thông an toàn: AES là thành phần quan trọng trong các giao thức liên lạc qua internet, email, tin nhắn tức thời và cuộc gọi thoại/video, đảm bảo rằng thông tin được bảo mật trong suốt quá trình truyền tải.
• Lưu trữ dữ liệu: AES được sử dụng để mã hóa dữ liệu nhạy cảm trên các thiết bị lưu trữ như ổ cứng, USB, giúp bảo vệ thông tin khỏi việc bị truy cập trái phép nếu thiết bị bị mất hoặc đánh cắp.
• Mạng riêng ảo (VPN): AES được sử dụng trong các giao thức VPN, bảo mật kết nối giữa người dùng và máy chủ từ xa, đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải qua VPN luôn được giữ kín và không thể bị giải mã bởi kẻ xấu.
• Lưu trữ mật khẩu an toàn: AES giúp mã hóa mật khẩu, thay vì lưu trữ dưới dạng văn bản gốc, mật khẩu được lưu dưới dạng mã hóa, tăng cường bảo mật và bảo vệ thông tin xác thực của người dùng.
• Mã hóa tệp và đĩa: AES được sử dụng để bảo vệ các tệp và thư mục trên máy tính, thiết bị lưu trữ bên ngoài và bộ lưu trữ đám mây, ngăn chặn truy cập trái phép và đảm bảo an toàn cho dữ liệu nhạy cảm trong quá trình lưu trữ và truyền tải.

Ưu và nhược điểm của thuật toán AES là gì?

Thuật toán mã hóa AES đã được chứng minh về mức độ hiệu quả và cũng là chuẩn mã hoá duy nhất được NASA chấp nhận. Tuy nhiên, AES cũng có các ưu, nhược điểm riêng. Do đó, ngoài việc hiểu AES là gì, doanh nghiệp cũng nên nắm rõ các đặc điểm của thuật toán này để tối ưu khi sử dụng.

Ưu điểm

Trong bối cảnh các mối đe dọa an ninh mạng gia tăng mạnh mẽ, AES nổi bật với khả năng bảo vệ thông tin nhờ vào các thuật toán mã hóa mạnh mẽ và linh hoạt. Không chỉ đơn thuần là một phương pháp mã hóa, mà AES còn mang đến cho người dùng những trải nghiệm vượt trội như:

• Bảo mật tối ưu: AES là thuật toán mã hóa đối xứng mạnh mẽ, cung cấp khả năng bảo mật cao trong việc mã hóa và giải mã dữ liệu.
• Tốc độ cao: Thuật toán này hoạt động với tốc độ mã hóa và giải mã nhanh chóng, rất thích hợp cho các ứng dụng cần xử lý dữ liệu nhanh như truyền thông qua mạng.
• Tính linh hoạt: AES hỗ trợ các khóa có độ dài khác nhau (128, 192, hoặc 256 bit), giúp tăng cường bảo mật. Hơn nữa, nó có thể được triển khai trên cả phần cứng và phần mềm.
• Chuẩn quốc tế: AES là tiêu chuẩn mã hóa được công nhận rộng rãi trên toàn thế giới.

Nhược điểm

Tất nhiên, không có gì là hoàn hảo – mặc dù được xem là một trong những thuật toán mã hóa an toàn nhất hiện nay, AES vẫn tồn tại một số điểm hạn chế nhất định phải kể đến như:

• Phụ thuộc vào độ dài khóa: Độ an toàn của AES phụ thuộc rất lớn vào độ dài khóa sử dụng. Khóa càng dài thì càng khó bị bẻ khóa. Tuy nhiên, nếu khóa quá ngắn hoặc dễ đoán, AES có thể bị tấn công thành công.
• Không chống lại mọi loại tấn công: AES chủ yếu bảo vệ dữ liệu trước các cuộc tấn công mật mã học. Tuy nhiên, nó không thể ngăn chặn những cuộc tấn công khác như tấn công vật lý, tấn công xã hội hoặc những lỗ hổng bảo mật trong hệ thống.
• Chi phí cao: Việc triển khai AES có thể yêu cầu đầu tư đáng kể vào phần cứng và phần mềm, đặc biệt là trong các hệ thống quy mô lớn và phức tạp.

Điểm khác biệt giữa RSA và AES là gì?

AES là một giải pháp bảo mật phổ biến được sử dụng để bảo vệ dữ liệu khi ở trạng thái nghỉ, tức là dữ liệu lưu trữ trên các thiết bị. AES thường được áp dụng cho các nhiệm vụ như mã hóa ổ đĩa, bảo mật lưu trữ và mã hóa cơ sở dữ liệu. Ngược lại, RSA chủ yếu được dùng để thiết lập kết nối an toàn giữa các trang web và trong nhiều lĩnh vực khác.

Ngoài ra, cách chúng sử khoá cũng là một điểm khác biệt lớn giữa hai phương pháp này. Trong khi, AES sử dụng khóa riêng tư (private key) thì RSA lại sử dụng khóa công khai (public key). Thêm nữa, hiệu suất hoạt động của RSA cũng có phần chậm hơn so với AES. Do đó, để đảm bảo mức độ an ninh đạt hiệu quả cao, đặc biệt là khi truyền dữ liệu từ xa, việc kết hợp cả hai mã hóa RSA và AES sẽ là lựa chọn tốt nhất cho các tổ chức, doanh nghiệp.

Điểm khác biệt giữa DES và AES là gì?

DES (Data Encryption Standard) là một tiêu chuẩn mã hóa lâu đời được chính phủ Hoa Kỳ phát triển hơn 40 năm trước để bảo vệ an toàn cho các hệ thống chính phủ cũng như hỗ trợ liên kết các hệ thống nhanh chóng hơn. Mặc dù DES đã đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ an ninh quốc gia qua nhiều thập kỷ nhưng khóa 56 bit của nó đã bị phá vỡ vào năm 1999.  Do đó, chuẩn mã hoá AES (Advanced Encryption Standard) được phát triển vào năm 2000 như một giải pháp thay thế, với các khóa dài hơn (128 bit, 192 bit, 256 bit) và hiệu suất mã hóa nhanh hơn nhiều so với DES. Mặc dù hiện nay, DES đã ít thông dụng hơn trước nhưng nó vẫn được sử dụng cho một số trường hợp đặc biệt một số trường hợp đặc biệt.

Các câu hỏi thường gặp về thuật toán AES

Thuật toán AES liệu có an toàn không?

Khi được triển khai đúng cách, AES có thể cung cấp một mức độ bảo mật rất cao. Tuy nhiên, cần nhớ rằng bất kỳ hệ thống nào cũng có thể bị xâm nhập nếu hacker có trong tay key mã hóa. Vì vậy, việc bảo vệ các key mã hóa AES là cực kỳ quan trọng. Hơn nữa, các tổ chức cũng nên chú trọng đến việc đào tạo nhân viên, giúp họ nâng cao nhận thức về bảo mật thông tin để giảm nguy cơ bị tấn công từ kẻ xấu.

Đâu là các cuộc tấn công vào mã hóa AES?

Dù mã hóa AES được biết đến như một thuật toán rất mạnh, nhưng nó vẫn không thể hoàn toàn miễn dịch trước các cuộc tấn công. Nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra các phương pháp tấn công, chẳng hạn như:

• Vào năm 2009, công cụ phân tích mật mã cryptanalysis đã cố gắng tấn công và bẻ khóa hệ thống AES.
• Cũng trong năm 2009, AES-128 trở thành mục tiêu của một cuộc tấn công, nhưng mối đe dọa này không gây ra thiệt hại nghiêm trọng.
• Tấn công kênh phụ (side-channel attack) là mối lo ngại lớn nhất đối với mã hóa AES. Những cuộc tấn công này có thể sử dụng thông tin từ thời gian thực thi, rò rỉ điện từ, hay thậm chí là âm thanh để xác định khóa mã hóa AES.

Làm thế nào để ngăn chặn các cuộc tấn công mã hóa AES?

Dù mã hóa AES rất hiệu quả, việc sử dụng các biện pháp bảo mật bổ sung vẫn rất quan trọng để bảo vệ dữ liệu của bạn. Dưới đây là những cách giúp giảm thiểu rủi ro bị tấn công:

• Tạo mật khẩu mạnh: Khi sử dụng mã hóa AES, hãy chọn mật khẩu dài và phức tạp cho các khóa mã hóa để khó bị xâm nhập hơn.
• Cập nhật phần mềm: Đảm bảo rằng phần mềm của bạn, đặc biệt là các ứng dụng bảo mật và công cụ mã hóa luôn được cập nhật. Các bản cập nhật thường bao gồm các bản vá sửa lỗi cho các lỗ hổng có thể bị khai thác trong triển khai AES.
• Thông tin mã hóa riêng tư: Đừng bao giờ chia sẻ khóa mã hóa của bạn và tránh lưu trữ khóa trên cùng một thiết bị bạn đang mã hóa. Hãy cân nhắc sử dụng trình quản lý mật khẩu với tính năng bảo mật cao.
• Sử dụng xác thực đa yếu tố: Áp dụng xác thực đa yếu tố (MFA) mỗi khi có thể để làm tăng mức độ bảo mật, khiến việc truy cập dữ liệu mã hóa trở nên khó khăn hơn ngay cả khi mật khẩu của bạn bị lộ.

Việc hiểu rõ AES là gì và những ứng dụng nổi bật mà thuật toán này mang lại là điều cực kỳ cần thiết trong việc bảo mật thông tin. AES không chỉ đơn thuần là một phương pháp mã hóa mà còn là một phần thiết yếu trong chiến lược bảo vệ dữ liệu toàn diện. Với tính năng bảo mật vượt trội và khả năng ứng dụng rộng rãi, AES đã trở thành một trong những tiêu chuẩn đánh giá mức độ an toàn của bất kỳ công cụ nào trong ngành bảo mật.