MẬT MÃ TRONG CHIỀU DÀI LỊCH SỬ

Những ghi chép xác đáng và sớm nhất về việc sử dụng mật mã như một phương tiện tối ưu hóa bảo mật trong truyền tin được ghi bởi Herodotus trong cuốn “Lịch sử”, khi ông ghi chép về những diễn biến trong chiến tranh Hy Lạp và Ba Tư.

Herodotus viết về một người Hy Lạp bị trục xuất tên Demaratus, và đang sinh sống tại Susa, Ba Tư vào năm 480 TCN. Nhận thấy những mối nguy khi Xerxes, vua của Ba Tư đang rục rịch chuẩn bị một lực lượng đông đảo chưa từng có, với âm mưu chẳng gì khác ngoài dập tắt nền “dân chủ” đáng ghét của Hy Lạp như người cha của Xerxes từng tham vọng. Dù đã bị trục xuất nhưng với lòng yêu nước, Demaratus vẫn nhanh chóng viết một mật thư, chính xác là một miếng gỗ khắc tin nhắn cảnh báo, được phủ một lớp sáp bên ngoài để ngụy trang. Bức mật thư đến thành bang Sparta, Gorgo, vợ của vua Leonidas đủ thông minh để gạt lớp sáp ngụy trang và đọc được tin nhắn. Bức mật thư này đem đến cho thành bang Sparta cùng với Athens sự chuẩn bị gấp rút và làm giảm đi tính bất ngờ trong chiến dịch chinh phạt quy mô lớn của Đế chế Ba Tư. Kết quả, nhờ sự chuẩn bị trước về chiến thuật, người Hy Lạp lại một lần nữa cản bước chân xâm lược của Ba Tư.

Cách truyền tin của Demaratus phần nào vẫn đơn thuần mang tính che dấu thông tin một cách thô sơ, chứ chưa mang dáng dấp của mã hóa thông tin, có thể gọi là “kỹ thuật giấu thư”. Kỹ thuật này xuất hiện muôn hình muôn vẽ trên khắp thế giới, ví dụ ở Trung Quốc, người ta cuốn bức thư viết trên vãi lụa, nhét vào một quả cầu bằng sáp và người đưa thư sẽ nuốt quả cầu. “Kỹ thuật giấu thư” xoay quanh việc tránh để bị phát hiện trong quá trình truyền tin. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn chưa chạm tới mức thực sự “che đậy” được thông tin, xét trong trường hợp người truyền tin bị phát hiện và bức thư với lời lẽ rõ ràng nằm trong tay kẻ địch.

Người ta bắt đầu nâng cấp dần các phương pháp che đậy, ngụy trang thông tin. Có thể kể đến như dùng mực vô hình. Ngay từ thế kỷ 1 sau CN, Pliny the Elder đã giải thích cách thức chế tạo “mực” vô hình làm từ cây thithymallus như thế nào. Mặc dù vẫn còn trong suốt sau khi mực khô đi, song chỉ cần hơ nóng làm cháy mực là nó sẽ đổi sang màu nâu. Rất nhiều chất lỏng hữu cơ khác cũng có tác dụng tương tự vì chúng giàu carbon và vì vậy dễ cháy.

Những phương pháp mã hóa dòng tin thực sự, xuất hiện sớm nhất có thể kể đến dụng cụ giải mã “scytale” (gậy mật mã) của người Sparta. Dụng cụ này gồm hai phần, một khúc gỗ hình khối đa diện và một sợi dây da. Người truyền tin sẽ quấn sợi dây da quanh khúc gỗ, ghi vào đó nội dung tin nhắn theo chiều ngang. Người nhận tin sẽ phải cần khúc gỗ đa diện có kích thước và hình dạng y hệt, để quấn sợi dây da quanh nó và đọc được tin nhắn. Đối với kẻ không có được khúc gỗ tương tự thì các kí tự trên sợi dây da gần như vô nghĩa. (Hình 1.)

Loại mật mã phổ biến và được sử dụng nhiều nhất cho tới ngày nay là mật mã “thay thế”, được thiết lập dựa trên việc thay thế một kí tự, chuỗi kí tự, từ, cụm từ…bằng một hay nhiều kí tự khác. Loại này cũng xuất hiện trong các văn kiện cổ từ khá sớm.

Trong cuốn Kamasutra của nhà thông thái Vatsyayana viết vào thế kỉ thứ 4 sau CN, dạy phụ nữ sáu mươi tư môn nghệ thuật như nấu ăn, may vá, massage, làm nước hoa…..Trong đó môn thứ bốn mươi lăm là “nghệ thuật viết thư bí mật” phục vụ cho người phụ nữ che dấu các mối quan hệ bất chính của mình. Phương pháp mã hóa được giới thiệu khá đơn giản trong cuốn sách, khi chỉ là việc xây dựng một bảng quy ước giữa người truyền tin và người nhận trong việc thay kí tự này bằng kí tự khác.

Mã hóa chỉ chính thức được ghi nhận và đóng góp nhiều trong mục đích quân sự dưới bàn tay của Julius Ceasar. Một bộ quy tắc mã hóa kinh điển được đặt theo tên ông.

Về cơ bản phương pháp mã hóa của Ceasar cũng là “thay thế kí tự”, nhưng nhờ có cuốn Cuộc đời của Caesar LVI do Suetonius viết vào thế kỷ thứ 2 sau CN, chúng ta đã có được một sự mô tả chi tiết về một trong những dạng mật mã thay thế đã từng được Julius Caesar sử dụng.

Ông đã thay thế một cách đơn giản từng chữ cái trong thư bằng một chữ cái cách đó ba vị trí trong bảng chữ cái. Các nhà mật mã học thường tư duy thông qua bảng chữ cái thường (plain alphabet), tức là bảng chữ cái để viết nên bức thư gốc và bảng chữ cái mật mã (cipher alphabet), tức là những chữ cái được thay thế cho những chữ cái thường. Khi bảng chữ cái thường được đặt bên trên bảng chữ cái mật mã, như Hình 2, thì thấy rõ là bảng chữ cái mật mã đã bị dịch đi ba vị trí, và vì vậy dạng thay thế này được gọi là mật mã dịch chuyển Caesar, hay đơn giản là mã Caesar. Với cách dịch này mỗi lần dịch được một bộ mã khác nhau vậy với 26 chữ cái ta có 25 bộ mã khác nhau.

Tưởng như đơn giản nhưng loại mã này nếu không tuân theo quy tắc thứ tự alphabet khi xây dựng bộ mã thay thế thì sẽ có khoảng 26!-1 (bằng hoán vị 26 chữ cái trừ đi một thứ tự chuẩn alphabet) bộ mã khác nhau, nếu không có phương pháp giải mà đơn thuần chỉ là cần mẫn thử từng bộ mã khác nhau, thì có thể khẳng định không bao giờ người ta có thể giải mã xong.

Từ đây, xuất hiện hai khái niệm bất biến khi nhắc tới một bộ mật mã.

1, Thuật toán: là phương pháp mã hóa (ở bộ mã Ceasar là thay thế chữ cái này bằng chữ cái khác).

2, Chìa khóa mã: là cách làm cụ thể của phương pháp mã hóa (ở đây là cách Ceasar thay thế từng chữ cái như thế nào).

Auguste Kerchhoffs phát biểu một cách dứt khoát vào năm 1883 trong cuốn La cryptographie militare (Mật mã quân sự): “Nguyên tắc Kerchhoffs: sự an toàn của một hệ thống mã hóa không phải phụ thuộc vào việc giữ bí mật thuật toán mã hóa. Độ an toàn chỉ phụ thuộc vào việc giữ bí mật chìa khóa mã”.

Thực vậy, ngay cả khi kẻ thù nắm được bức mật thư của Ceasar gửi cho cấp dưới của mình. Họ có thể ngờ ngợ nhận ra rằng bức thư khó hiểu này được tạo lập bằng việc thay thế các chữ cái trong bức thư gốc bằng các chữ cái khác. Nhưng rõ ràng việc nhanh chóng biết được ngay cụ thể các chữ cái này được thay thế như thế nào là không thể. Ngoài ra, để tránh việc để bản “quy ước thay thế” rơi vào tay người khác, và dễ dàng trong việc thay thế bảng mã, Ceasar còn áp dụng phương pháp dùng “từ khóa” để định nghĩa bảng mã thay thế. Chẳng hạn, nếu từ khóa quy ước giữa hai bên là JULIUS, thì bảng mã thay thế sẽ bắt đầu bằng S, T, U, V, W….thay thế cho A,B,C,D….

Trong suốt gần một thiên niên kỉ, mã thay thế Ceasar được xem như một phương pháp bảo vệ thông tin bất khả phá. Phải đến những năm 700-800 sau CN, những người Hồi giáo vĩ đại mới tìm ra được phương pháp phá giải loại mật mã “sơ cấp” này.

Ba Tư những năm 750-800, là quê hương của nhà Toán học lỗi lạc Al-Khwarizmi, cha đẻ của môn Đại số thời nay, từ algorithm (thuật toán) xuất phát từ tên của ông.

Ngoài lĩnh vực Toán học, đất nước Ba Tư còn chứng kiến sự phát triển vượt bậc trong các lĩnh vực thống kê học và ngôn ngữ học. Người Ba Tư cũng đã áp dụng mã hóa trong các lĩnh vực tài chính, quản lý chứ không chỉ riêng quân sự trong thời gian này. Đây chính là tiền đề cho họ trở thành những người đầu tiên nghĩ ra phương pháp hóa giải mã Ceasar sau suốt cả ngàn năm.

Khởi đầu cho nghệ thuật giải mã ở Ba Tư phải kể tới một nhân vật rất nổi tiếng trong thế giới Hồi Giáo, đó là nhà tiên tri Muhammad. Vào khoảng năm 610 sau CN, trong một lần đang chìm đắm trong suy tư, ông đã được tổng lãnh thiên thần Gabriel viếng thăm và tuyên bố Muhammad được phong là nhà tiên tri của Chúa. Đây là sự kiện đầu tiên trong hàng loạt những mặc khải tiếp diễn sau này cho đến khi Muhammad qua đời vào khoảng 20 năm sau đó. Những mặc khải này được nhiều người ghi chép lại trong suốt cuộc đời của Nhà tiên tri, song rất rời rạc, và được để lại cho Abū Bakr, vị vua Hồi giáo (caliph) đầu tiên, người đã tập hợp chúng lại thành một văn bản. Công việc này tiếp tục được thực hiện bởi Umar, vị vua thứ hai, và cô con gái Hafsa của ông ta và cuối cùng được Uthmān, vị vua thứ ba, hoàn tất. Mỗi một mặc khải này đều đã trở thành một chương trong 114 chương của Kinh Koran.

Suốt cả thế kỉ sau, các vị vua Hồi giáo tiếp tục làm nhiệm vụ ghi chép, gìn giữ những lời giáo huấn quý báu của nhà tiên tri, để làm kim chỉ nam cho sự cai trị của người Hồi khắp nữa thế giới.

Nếu người Trung Quốc xem kiến thức là quý báu, chỉ trân truyền chứ không chia sẻ rộng rãi. Còn phong trào Phục Hưng ở châu Âu tới mãi thế kỉ XV mới diễn ra. Thì ngay trong thời kì này, người Ba Tư đã có tinh thần học tập, chia sẻ kiến thức đáng khen, tri thức dành cho bất cứ người Hồi giáo nào chỉ cần người đó muốn tìm hiểu. Phong trào học tập, nghiên cứu lan rộng khắp nơi.

Một trong những phong trào đáng chú ý nhất, là phong trào nghiên cứu, xác thực các ghi chép về những lời dạy của Muhammad, xem những lời dạy ấy có chính xác là những điều ông đã nói hay không, cũng như việt thiết lập niên đại cho các mặc khải.

Phương pháp được áp dụng ở đây là thống kê tần suất xuất hiện của các từ tương đối mới, mặc khải nào có tần suất xuất hiện nhiều các từ mới thì có thể xem như ra đời sau. Để xác định tính xác thực của mặc khải, các học giả Hồi giáo tiếp tục đối chiếu chéo các bản ghi chép khác nhau xem tần suất các từ được sử dụng có như nhau không, cấu trúc câu có hoàn toàn tương tự nhau hay không. Từ đó đưa ra nhận định về tính xác thực của mặc khải.

Điều này vô tình mở ra “phương pháp phân tích tần suất”, dùng để giải các bộ mã thay thế bằng một bảng kí tự khác nói chung và mã Ceasar nói riêng.

Phương pháp cụ thể được trình bày trong cuốn “Khảo cứu về giải mã các thư tín mật mã” của học giả Al-Kindi như sau:

“Một cách để giải một bức thư được mã hóa, nếu chúng ta biết ngôn ngữ của nó, là tìm một văn bản thường khác, cùng loại ngôn ngữ dài đủ một trang hoặc tương đương, rồi đếm số lần xuất hiện của từng chữ cái. Chúng ta gọi chữ cái xuất hiện nhiều nhất là “thứ nhất”, chữ cái xuất hiện nhiều tiếp theo là “thứ hai”, sau đó là “thứ ba”, v.v… cho đến khi chúng ta đếm đến hết các chữ cái khác trong văn bản thường này. Sau đó, nhìn vào văn bản mật mã mà chúng ta muốn giải mã và cũng tiến hành phân loại các ký hiệu trong đó. Chúng ta tìm ký hiệu xuất hiện nhiều nhất và đổi nó thành chữ cái “thứ nhất” ở văn bản thường, ký hiệu xuất hiện nhiều tiếp theo đổi thành chữ cái “thứ hai”, v.v… cho đến khi chúng ta thay hết các chữ cái trong bản mật mã mà chúng ta muốn giải mã.”

Để dễ hiểu hơn, ta lấy ví dụ bảng chữ cái tiếng Anh. Trong tiếng Anh, chữ “e” là chữ cái thông dụng nhất sau đó tiếp theo là các chữ “t” và “a”,…. Sau đó, kiểm tra văn bản mật mã cần giải mã và tìm tần suất của mỗi chữ cái trong đó. Nếu chữ cái thông dụng nhất trong văn bản mật mã, chẳng hạn là J, thì gần như chắc chắn là nó đã thay thế cho chữ cái e. Và nếu chữ cái thông dụng thứ hai trong văn bản mật mã là P, thì nó có thể thay thế cho t, và cứ tiếp tục như vậy. Tất nhiên, tuần tự giải mã có thể ngắn gọn hơn nhờ kinh nghiệm và sự khôn khéo của người giải trong phân tích ngữ pháp, kết cấu từ.

Như vậy, bằng phương pháp này, các học giả Hồi giáo đã tìm được “chìa khóa” với các “thuật toán” thay đổi chữ cái mà Ceasar đã sử dụng từ cả ngàn năm trước.

III, Nữ hoàng Scotland và âm mưu tạo phản được “mã hóa”. Mật mã – con dao hai lưỡi.

Để chứng minh tính “kinh điển” của mật mã Ceasar, ta cùng đến với nước Anh năm 1587. Phương pháp mã hóa Ceasar được tin tưởng sử dụng cho một vụ làm phản.

Mary I, nữ hoàng của Scotland, sau nỗ lực giành lại ngai vàng bất thành, bà chạy trốn xuống phía nam tìm kiếm sự giúp đỡ từ người cô họ, nữ vương Elizabeth I của Anh. Mary trước đó đã tuyên bố chủ quyền đối với ngai vàng của Elizabeth và nhận được sự ủng hộ từ những người Công giáo ở Anh, bao gồm cả những người tham gia vào một cuộc nổi loạn được biến đến với cái tên Cuộc nổi dậy phương Bắc. Nhận thấy Mary là một mối đe dọa, Elizabeth giam lỏng bà ở nhiều tòa lâu đài và thành ấp khác nhau tại Anh quốc.

Năm 1586, quá mệt mỏi và lo sợ trước cái chết sau tháng ngày tù túng. Mary bắt đầu liên hệ với một nhóm tín đồ Công giáo đang ủ mưu giải cứu bà cũng như ám sát nữ hoàng Anh, kẻ cầm đầu là một thanh niên 24 tuổi tên Babington . Tất nhiên, Mary trong thời gian này không được gửi thư, bà phải nhờ một kẻ trung gian trên Gifford lén đem các lá thư nhét vào thùng bia đem vào lâu đài nơi mình bị giam giữ.

Babington đủ khôn ngoan để hiểu phải mã hóa các lá thư mang âm mưu phản nghịch. Anh này dùng phương pháp thay thế một bảng mã giống như mã Ceasar, có điều thay vì dùng chữ thay thế chữ, Babington dùng các kí hiệu để thay thế chữ cái, cùng không quên thêm vào đó các kí hiệu vô nghĩa để mong làm “nhiễu” người giải mã nếu chẳng may bị tóm.

Tên đưa thư Gifford hóa ra là kẻ hai mang. Toàn bộ lá thư đến với tay của Francis Walsingham, Thượng thư nữ hoàng, người có nhiệm vụ chặn đứng các âm mưu làm phản trước khi lại được niêm phong và tới tay Mary.

Chuyên viên giải mã tên Phelippes của Walsingham với số lượng thư vừa đủ, nhanh chóng giải quyết loại mật mã của Babington. Lá thư có nội dung chấp nhận tham gia vào kế hoạch mưu phản của Mary cuối cùng cũng đến tay Walsingham, và ông này nhận thấy đây là thời cơ để hành động. Không cho bắt giữ ngay Mary, Walsingham yêu cầu Phelippes sử dụng mật mã làm giả một bức thư yêu cầu Babington khai đầy đủ tên của các chiến hữu như một bản cam kết tham gia chiến dịch mưu phản.

Babington quá tự tin rằng mật mã của mình chỉ có anh và Mary biết đã vội vàng tin vào bức thư nhái này. Cuối cùng, điều gì đến cũng đến. Walsingham triệt phá âm mưu tày trời khi mà nó còn chưa kịp chuẩn bị diễn ra. Babington và đồng bọn bị bắt và xử trảm khi đang trên đường tháo chạy. Nữ hoàng Mary dù một mực phủ nhận không tham gia vào âm mưu, nhưng trước bằng chứng là những bức thư đã được giải mã, bà vẫn phải đón nhận cái chết. Vụ xử tử bà là một trong những vụ hành quyết nổi tiếng nhất lịch sử.

Câu chuyện trên, là minh chứng việc sử dụng một mật mã không đủ độ bảo mật còn nguy hiểm hơn việc trao đổi thông tin thông thường. Giả dụ, Mary và Babington bàn về âm mưu tạo phản ở quán rượu thì chắc không dám tiết lộ rõ ràng mọi thông tin như thế. Tin tưởng vào mật mã, Babington chẳng nghi ngờ gì mà tin hoàn toàn vào một tin nhắn giả vì nghĩ rằng ngoài Mary và anh chẳng ai biết về thứ mật mã này cả.

Quá tự tin vào mật mã của mình, người truyền tin và người nhận tin đều phải trả giá đắt khi có kẻ phá giải và thậm chí lợi dụng mật mã làm đòn “hồi mã thương”.

Kết thúc phần này, tỉ số giữa phe tạo mã và giải mã đang tạm thời là 1-1, nhiệm vụ bây giờ dồn vào phe những người xây dựng mật mã. Tìm một dạng mã hóa không thể phá giải tiếp theo là nhiệm vụ sống còn của họ trong trận chiến mật mã này.

Nguồn: Tóm lược chủ yếu trong:

The Ceasar Cipher – Chris Savarese, Brian Hart (1999).