Mật mã cơ bản: thay thế, hoán vị, băm, đối xứng

Giới thiệu

Bài này học mã cổ điển, hàm băm và mã đối xứng. Bạn dùng nó để giữ mật khẩu và file an toàn.

Kiến thức cần nhớ

Thuật ngữ và mắt xích yếu

• Bản rõ là tin gốc, bản mã là tin đã khóa.
• Khóa là bí mật điều khiển cách khóa và mở.
• Hệ mạnh như khâu yếu nhất: mật khẩu yếu là gãy.
• Ví dụ đời thường: ổ khóa tốt nhưng để chìa dưới thảm thì vô dụng.

Mã thay thế và hoán vị

• Thay thế: đổi từng chữ theo bảng, ví dụ Caesar dịch 3 nấc.
• Hoán vị: giữ nguyên chữ, chỉ xáo vị trí.
• Thay thế giữ nguyên tần suất nên dễ bẻ bằng đếm chữ.
• Ví dụ đời thường: chữ e nhiều nhất nên ký tự lạ nào nhiều nhất likely là e.

# Caesar dịch 3
def caesar(s):
    return "".join(chr((ord(c)-97+3)%26+97) for c in s)  # dịch mỗi chữ đi 3
print(caesar("abc"))  # -> def

Hàm băm MD5 và SHA

• Định nghĩa: nhét dữ liệu dài tùy ý, ra mã ngắn cố định.
• Cùng đầu vào cho cùng đầu ra, khác 1 bit là khác hẳn.
• Không đảo ngược được để lấy lại gốc.
• Ví dụ đời thường: như lấy dấu vân tay, không dựng lại người từ vân tay.
• MD5 đã gãy va chạm, chỉ kiểm lỗi thường; SHA-256 dùng cho việc nghiêm túc.

Mã đối xứng

• Định nghĩa: một khóa chung vừa khóa vừa mở.
• Ví dụ đời thường: một chìa vừa khóa vừa mở vali.
• Ưu điểm: nhanh, hợp mã lượng lớn như video.
• Nhược điểm: khó chia sẻ khóa an toàn cho nhiều người.

Ba bước xác định yêu cầu bảo mật

1. Xác định các thực thể: ai gửi, ai nhận, ai có thể tấn công.
2. Đặt mục tiêu bảo mật: bí mật (chỉ người được phép đọc), toàn vẹn (không bị sửa lén), xác thực (đúng người gửi), chống chối bỏ.
3. Đánh giá độ nhạy của dữ liệu: dữ liệu càng nhạy, khóa càng dài và kiểm soát càng chặt.

Ví dụ

• Input: abc Caesar dịch 3. Output: def.
• Giải thích: mỗi chữ tiến 3 nấc trong bảng chữ cái.
• Input: 2 file khác nhau cho cùng MD5. Output: báo va chạm, chuyển sang SHA.
• Giải thích: MD5 không còn an toàn cho toàn vẹn nghiêm túc.

💻 Bài tập

Ngôn ngữ: Python 3. Bài 3 dùng thư viện cryptography. Nộp vào day-062/.

Bài 1: Mật mã cổ điển

caesar("abc", 3)                       -> "def"
caesar("Xyz!", 3)                      -> "Abc!"
vigenere("ATTACKATDAWN", "LEMON")      -> "LXFOPVEFRNHR"
rail_fence("WEAREDISCOVERED", 3)       -> "WECRERDSOEEAIVD"

Bài 2: Bẻ khóa bằng tần suất

1. break_caesar(ciphertext): thử 26 khóa, chọn khóa có phân bố chữ gần tiếng Anh nhất (chi bình phương).
2. Mã hóa 1 đoạn văn tiếng Anh 500 chữ bằng Caesar khóa ngẫu nhiên. Bẻ lại đúng khóa.
3. Viết 3 câu: vì sao thay thế đơn giữ tần suất nên dễ bẻ, và Vigenère khó hơn ở điểm nào.

Bài 3: Băm và mã hóa đối xứng (nâng cao)

1. Dùng hashlib.sha256. Đổi 1 bit đầu vào, đếm số bit khác nhau của 2 mã băm (hiệu ứng thác, kỳ vọng khoảng 128/256).
2. Lưu mật khẩu đúng cách: hashlib.scrypt hoặc pbkdf2_hmac với salt ngẫu nhiên 16 byte. Viết hash_password và verify_password. Giải thích vì sao không lưu sha256(password).
3. Mã hóa file bằng AES-GCM (cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead.AESGCM). Sửa 1 byte bản mã, chứng minh giải mã báo lỗi xác thực.

✅ Tiêu chí hoàn thành

• Test mẫu pass, giải mã đúng lại bản rõ.
• break_caesar tìm đúng khóa trên đoạn 500 chữ.
• Bài 3 cho thấy hiệu ứng thác và phát hiện bản mã bị sửa.
• Không có mật khẩu hay khóa thật nào trong repo.

❓ Câu hỏi ôn tập

• Bản rõ, bản mã và khóa là gì?
• Vì sao mã thay thế dễ bẻ bằng tần suất?
• MD5 và SHA khác nhau thế nào?
• Bài toán chia sẻ khóa của mã đối xứng là gì?

🌕 Bạn đã hoàn thành ngày 62. Làm hết bài tập phía trên rồi sang ngày tiếp theo.