AES là gì? Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu và các chế độ hoạt động của AES

AES là gì

Trong thời đại số hóa, bảo mật dữ liệu là yếu tố sống còn đối với mọi tổ chức. Trước sự gia tăng không ngừng của các mối đe dọa an ninh mạng, AES (Advanced Encryption Standard) đã trở thành một trong những thuật toán mã hóa đối xứng hàng đầu, được tin cậy trên toàn cầu. Vậy thuật toán AES là gì, hoạt động như thế nào và vì sao nó lại giữ vai trò then chốt trong việc bảo vệ dữ liệu? Cùng TopOnTech tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

>>> Xem thêm các bài viết:

AES là gì?

AES (Advanced Encryption Standard) là một thuật toán mã hóa đối xứng khối được Cục Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) công bố vào năm 2001. 

AES được phát triển để thay thế cho Thuật toán Mã hóa Dữ liệu (DES) đã lỗi thời, trở thành tiêu chuẩn mã hóa được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới hiện nay. AES hoạt động dựa trên nguyên lý thiết kế mạng thế hoán vị (substitution-permutation network), cho phép mã hóa các khối dữ liệu 128 bit bằng khóa có độ dài 128, 192 hoặc 256.

>>> Xem thêm:

AES là một thuật toán mã hóa đối xứng
AES là thuật toán mã hóa đối xứng hoạt động trên nguyên lý thiết kế mạng thế hoán vị (Nguồn: Internet)

Ứng dụng của thuật toán đối xứng AES?

Với tính bảo mật cao và hiệu suất tối ưu, AES được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như:

  • Thiết bị cá nhân: AES được sử dụng để bảo vệ thông tin nhạy cảm trên máy tính cá nhân, điện thoại thông minh và các thiết bị lưu trữ. Các giao thức như SSL/TLS (bảo mật duyệt web), VPN (mạng riêng ảo) và WPA2/WPA3 (bảo mật Wi-Fi) đều sử dụng AES để mã hóa dữ liệu truyền tải.
  • Ngành tài chính: Các giao dịch ngân hàng trực tuyến, thanh toán điện tử và các hệ thống tài chính khác đều dựa vào thuật toán đối xứng AES để đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của thông tin, hạn chế việc sao chép hoặc truy cập trái phép vào các phần mềm.
  • Lưu trữ đám mây: Các nhà cung cấp dịch vụ lưu trữ đám mây lớn như Google Drive, Dropbox và OneDrive đều sử dụng AES để mã hóa dữ liệu người dùng, nâng cao tính bảo mật khi lưu trữ và truyền tải.
  • Chính phủ và quốc phòng: Nhờ khả năng bảo mật vượt trội, AES được sử dụng trong nhiều hệ thống bảo mật cấp cao của các cơ quan chính phủ và tổ chức quân sự.

>>> Xem thêm:

Ứng dụng của thuật toán AES
AES được sử dụng để bảo vệ thông tin trên các thiết bị cá nhân (Nguồn: Internet)

AES hoạt động như thế nào?

Thuật toán AES hoạt động thông qua hai quá trình chính: mã hóa (encryption) biến đổi bản rõ thành bản mã và giải mã (decryption) khôi phục bản rõ từ bản mã. Cả hai quá trình này đều sử dụng một khóa bí mật chung.

Tạo vòng khóa

Quá trình mã hóa và giải mã trong AES đòi hỏi việc tạo ra một tập hợp các khóa con (round keys) từ khóa chính. Số lượng các vòng (rounds) và số lượng khóa con phụ thuộc vào độ dài của khóa chính:

  • Khóa 128 bit: 10 vòng
  • Khóa 192 bit: 12 vòng
  • Khóa 256 bit: 14 vòng

Mỗi vòng mã hóa sử dụng một khóa con riêng biệt, được tạo ra thông qua một thuật toán phức tạp từ khóa chính.

Trong mỗi vòng mã hóa (trừ vòng cuối cùng), dữ liệu sẽ trải qua 4 bước biến đổi chính:

Bước 1: SubBytes (Trộn từng Bytes)

Bước này thực hiện một phép thế phi tuyến tính trên từng byte riêng lẻ của khối dữ liệu. Mỗi byte được ánh xạ tới một byte khác thông qua một bảng tra cứu cố định gọi là bảng S-box. Mục đích của SubBytes là cung cấp tính khuếch tán (diffusion) và làm cho mối quan hệ giữa bản rõ và bản mã trở nên phức tạp hơn, từ đó có thể chống lại các cuộc tấn công dựa trên thống kê.

Bước 2: ShiftRows (Dịch chuyển hàng)

Bước ShiftRows thực hiện một phép dịch vòng theo từng hàng của ma trận trạng thái. Hàng đầu tiên không dịch, hàng thứ hai dịch 1 byte sang trái, hàng thứ ba dịch 2 byte sang trái, và hàng thứ tư dịch 3 byte sang trái. Mục đích của ShiftRows là phân tán các byte trên các cột khác nhau, làm tăng tính khuếch tán của thuật toán.

Bước 3: MixColumns (Trộn cột)

Bước MixColumns thực hiện một phép biến đổi tuyến tính trên từng cột của ma trận trạng thái. Mỗi cột được nhân với một ma trận cố định trong trường hữu hạn Galois GF(2^8). Bước này đảm bảo rằng mỗi byte đầu ra của một cột phụ thuộc vào tất cả các byte đầu vào của cột đó, từ đó tăng cường tính khuếch tán. Vòng cuối cùng của quá trình mã hóa không thực hiện bước MixColumns.

Bước 4: AddRoundKey (Thêm vòng khóa)

AddRoundKey là bước cuối cùng trong mỗi vòng mã hóa. Nó thực hiện phép toán XOR (Exclusive OR) bitwise giữa trạng thái hiện tại của khối dữ liệu và khóa con của vòng hiện tại. Bước này mang tính chất phi tuyến tính và là nơi khóa được đưa vào quá trình biến đổi dữ liệu.

>>> Xem thêm:

Giải mã

Quá trình giải mã của AES về cơ bản là đảo ngược các bước của quá trình mã hóa, nhưng với các phép biến đổi ngược lại và thứ tự ngược lại của các khóa con.

Bước 1: AddRoundKey (Thêm khóa vòng)

Tương tự như bước mã hóa, bước này thực hiện XOR với khóa con của vòng tương ứng. Tuy nhiên, trong quá trình giải mã, các khóa con được sử dụng theo thứ tự ngược lại so với quá trình mã hóa.

Bước 2: Inverse MixColumns (Trộn cột ngược)

Bước này là phép biến đổi ngược lại của MixColumns, sử dụng ma trận nghịch đảo để khôi phục lại các cột ban đầu. Vòng giải mã đầu tiên (tương ứng với vòng mã hóa cuối cùng) sẽ không thực hiện bước Inverse MixColumns.

Bước 3: Inverse ShiftRows (Dịch hàng ngược)

Bước này là phép biến đổi ngược lại của ShiftRows, dịch chuyển các hàng theo hướng ngược lại với số lượng byte dịch chuyển tương ứng.

Bước 4: Inverse SubBytes (Trộn Bytes ngược)

Bước này là phép biến đổi ngược lại của SubBytes, sử dụng bảng S-box nghịch đảo để khôi phục lại các byte ban đầu.

>>> Xem thêm:

Cách hoạt động của AES
Hoạt động của AES bao gồm quá trình mã hóa và giải mã (Nguồn: Internet)

Ưu điểm và hạn chế của thuật toán AES?

Ưu điểm

  • Tính bảo mật cao: AES được thiết kế để chống lại các cuộc tấn công mã hóa phổ biến như tấn công vét cạn (brute-force), tấn công dựa trên thống kê và tấn công phân tích chênh lệch. Cho đến nay, chưa có cuộc tấn công nào thành công phá vỡ hoàn toàn AES.
  • Hiệu suất tốt: AES được tối ưu hóa để hoạt động hiệu quả trên nhiều nền tảng phần cứng và phần mềm, từ các thiết bị nhúng nhỏ gọn đến các máy chủ hiệu suất cao.
  • Linh hoạt: AES hỗ trợ các độ dài khóa khác nhau (128, 192, 256 bit), cho phép người dùng lựa chọn mức độ bảo mật phù hợp với yêu cầu.
  • Tiêu chuẩn quốc tế: Việc được NIST công nhận là tiêu chuẩn quốc gia đã giúp AES trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng bảo mật trên toàn cầu.

>>> Xem thêm:

Ưu nhược điểm của AES
Thuật toán AES có nhiều ưu điểm trong bảo mật thông tin (Nguồn: Internet)

Nhược điểm

  • Độ phức tạp: So với một số thuật toán mã hóa đơn giản hơn, AES có cấu trúc phức tạp hơn, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu để triển khai và hiểu rõ hoạt động bên trong.
  • Quản lý khóa: Giống như tất cả các thuật toán mã hóa đối xứng, AES đòi hỏi việc quản lý và trao đổi khóa an toàn. Nếu khóa bị lộ, tính bảo mật của dữ liệu sẽ bị xâm phạm.
  • Nguy cơ lỗ hổng triển khai: Mặc dù bản thân thuật toán AES rất mạnh, nhưng các lỗ hổng có thể phát sinh trong quá trình triển khai hoặc trong các hệ thống sử dụng AES, dẫn đến rủi ro bảo mật.
  • Chi phí: Việc triển khai AES đòi hỏi mức chi phí đầu tư vào phần cứng và phần mềm khá lớn để đảm bảo bảo vệ dữ liệu ở mức tối đa. Các hệ thống bảo vệ dữ liệu càng lớn và phức tạp thì đòi hỏi mức chi phí càng cao.

AES là một trong những thuật toán mã hóa mạnh mẽ và đáng tin cậy nhất hiện nay, đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ dữ liệu trong kỷ nguyên số. Bài viết trên đây đã cung cấp những thông tin cơ bản giúp bạn hiểu về AES và nắm bắt được cách thức thông tin được bảo vệ, từ đó, những người dùng mạng có thể an tâm hơn khi tương tác trong thế giới kỹ thuật số.

TopOnTech là đơn vị tiên phong trong lĩnh vực chuyển đổi số toàn diện, cung cấp các giải pháp thiết kế website, phát triển ứng dụng, và xây dựng hệ thống quản trị tối ưu cho doanh nghiệp.

TopOnTech nổi bật với các gói dịch vụ linh hoạt, cá nhân hóa theo từng nhu cầu cụ thể, giúp doanh nghiệp dễ dàng tiếp cận công nghệ, tối ưu vận hành và nâng cao trải nghiệm khách hàng. Với định hướng “Công nghệ vì con người”, TopOnTech không chỉ mang lại hiệu quả kỹ thuật mà còn tạo kết nối cảm xúc giữa thương hiệu và người dùng.

Khách hàng quan tâm đến các giải pháp số của TopOnTech có thể tìm hiểu thêm tại trang Tin tức.

ĐẶT LỊCH TƯ VẤN VÀ NHẬN GÓI AUDIT WEBSITE MIỄN PHÍ NGAY HÔM NAY tại: https://topon.tech/en/contact/

Thông tin liên hệ TopOnTech:

  • Địa chỉ: 31 Hoàng Diệu, Phường 12, Quận 4, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
  • Hotline: 0906 712 137
  • Email: long.bui@toponseek.com