Mật mã trong chiều dài lịch sử

Tác giả: Ngô Mạnh Đức

Nhóm Nghiên Cứu Lịch Sử

PHẦN I: MÃ CEASAR – LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ QUÁ TRÌNH GIẢI MÃ.

Mật mã học là một lĩnh vực liên quan tới các kỹ thuật ngôn ngữ và toán học để đảm bảo an toàn thông tin, được con người nghiên cứu từ rất lâu đời. Trên thực tế mật mã xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta một cách thường xuyên, điển hình nhất chắc phải kể đến trò chơi ô chữ mà ai cũng từng thử chơi ít nhất một lần trên các tờ báo hay như mã Morse được dùng như trò chơi liên lạc trong các nhóm hướng đạo sinh.

Trước đây, mật mã được quan tâm chủ yếu trong lĩnh vực quân sự, chính trị khi nhu cầu giữ kín thông tin liên lạc không rơi vào tay kẻ địch là tối quan trọng trong mọi trận chiến. Trong thế kỉ 21, cùng với sự bùng nổ thông tin là nhu cầu ngày một cao của việc bảo mật thông tin. Vấn đề bảo mật được xem là cấp thiết với mọi ngành: tài chính ngân hàng, thương mại điện tử, dữ liệu cá nhân, tổ chức…chứ không chỉ riêng ngành quân sự. Các hình thức mã hóa càng ngày càng hóc búa hơn, đặt ra cho những người đam mê công việc giải mã chồng bài toán không bao giờ giải hết.

Mật mã học cũng là trận chiến trường kì qua nhiều thế kỉ của các nhà tạo mã và các bậc thầy giải mã. Bài viết này sẽ lướt qua những dấu tích đáng chú ý của “mật mã” trong suốt chiều dài lịch sử thông qua từng trận chiến “mật mã” giữa các thiên tài đam mê nghệ thuật che dấu thông tin.

I, Những hình thức mã hóa đầu tiên. Ceasar-một trong những người đầu tiên sử dụng mật mã quân sự.

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 (khoảng 484 TCN – 425 TCN) viết về một người Hy Lạp bị trục xuất tên Demaratus, 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 vẻ trên khắp thế giới, ví dụ ở Trung Quốc, người ta cuốn bức thư viết trên vải 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 I 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 cũng rất 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.

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 IV 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 (100 TCN – 44 TCN). Từ đó ra đời 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 II 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) 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 (chẳng hạn như hình dưới), 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 trong thời gian thực.

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 (1835 – 1903) 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.

II, Người Ba Tư, kinh Koran và những nhà giải mã tiên phong.

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 (801 – 873) 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… chođến 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.

PHẦN II: MÃ VIGENÈRE – PHIÊN BẢN NÂNG CẤP HOÀN HẢO CỦA MÃ CEASAR.

Blaise de Vigenère (1523-1596). Cha đẻ của “Mật mã thần thánh”.

1, Phòng Đen. Máy điện tín. Mọi người đều cần bảo mật thông tin. Mật mã Vigenere.

Như đã nói ở phần đầu tiên, điều thu hút lực lượng ngày một đông đảo những người tạo ra mật mã và những người giải mã tham gia vào cuộc chiến mật mã, ngoài đam mê bất tận với công việc tạo câu đố và giải đố, còn đến từ nhu cầu ngày một cao của con người trong việc bảo toàn mọi thông tin từ cá nhân cho đến tập thể. Chính điều này đã thúc ép con người ta sáng tạo ra các loại mật mã mới ngay khi dạng mật mã cũ không còn đảm bảo tính an toàn.

Vì vậy, trước khi nói về sự ra đời của mật mã Vigenere vào thế kỉ XVI, ta hãy đến với tình hình châu Âu và nước Anh trong thế kỉ XVIII-XIX, khoảng thời gian mà loại mật mã này bị phá.

Từ đầu những năm 1700, các văn phòng chuyên kiểm duyệt nội dung bưu chính và giải mã các thư từ, tin nhắn được mã hóa từ nước ngoài phục vụ cho mục đích tình báo, an ninh quốc gia của các nước Châu Âu ra đời ngày một nhiều. Các văn phòng nơi các lực lượng này kể cả công khai lẫn bí mật đều được được biết với cái tên “Black room”, hay “Cabinet Noir”. Họ là trạm trung gian giữa người gửi thư và người nhận thư ngoài bưu điện hay các sứ quán. Ở Anh quyền lực này được hợp pháp trong “Đạo luật Bưu điện năm 1837”, từ điển “Bách khoa toàn thư Anh Quốc” cho rằng hình thức “Phòng Đen” này ở nước Anh đã bị dẹp bỏ vào năm 1911. Tuy nhiên, thực tế trong Thế chiến thứ nhất, các chính phủ đều có hoạt động kiểm duyệt bưu chính để tránh cả những bức thư có nội dung không thuận lợi liên quan đến nội tình cuộc chiến của những người lính đến tay gia đình.

Tiên phong trong xây dựng một lực lượng giải mã chuyên nghiệp, gồm toàn những người chẳng làm gì khác ngoài ăn và giải mã, phải kể đến nước Áo. Tổ chức này được người Áo đặt cho cái tên: Geheime Kabinets-Kanzlei đặt ở Viên. Tất nhiên nó hoạt động bí mật.

Mọi bức thư ngay từ khi nằm ở trên bàn các sứ quán tại Viên, sẽ chuyển ngay tới văn phòng này. Đội ngũ làm việc ở đây chia làm nhiều bộ phận. Từ các chuyên gia giải mã, các phiên dịch viên, chuyên gia ngôn ngữ cho tới những người chỉ chuyên làm công việc dán lại keo cho bức thư sao cho trông thật tươm tất, đều vận hành một cách trơn tru sao cho chỉ sau ba giờ, toàn bộ thư trong ngày nếu đủ điều kiện sẽ lại tiếp tục được gửi đi sau khi thu thập, kiểm duyệt hết thông tin. Đảm bảo không làm gián đoạn hoạt động bưu chính.

Nếu chỉ giúp bản thân các Hoàng đế Áo nắm trong tay các thông tin tình báo thì Geheime Kabinets-Kanzlei đã chẳng nổi tiếng khắp Châu Âu. Đội này còn thu thập nhiều thông tin tình báo giá trị và bán lại cho các nước Châu Âu khác. Vào năm 1774, một cuộc mua bán đã được thực hiện với Abbot Georgel, bí thư của Sứ quán Pháp, trong đó, ông ta có được trọn gói thông tin hai tuần liền với giá 1.000 đồng tiền vàng. Sau đó ông ta đã gửi thẳng những lá thư trong đó có chứa những kế hoạch bí mật của nhiều quốc gia cho Louis XV ở Paris.

Vậy là tới đầu thế kỉ XVIII, lực lượng giải mã đã ngày một đông đảo, nguồn nhân lực dồi dào này thách thức mọi nhà tạo mã. Điều này làm thúc ép việc các nhà mã hóa phức tạp hóa các bộ mật mã, chỉ mã Ceasar là không đủ. Nhưng không chỉ riêng các nhà mã hóa, người dân, những người không tham gia cuộc chiến mật mã này cũng ngày một có nhu cầu mã hóa các thông tin của bản thân hơn.

Đó là khi máy điện báo ra đời năm 1753, người ta nghĩ ra cách nối hai địa điểm cần liên lạc bằng hai bảng mạch cùng 26 sợi dây đại diện cho 26 chữ cái trong bảng alphabet. Mỗi khi một tin nhắn từ người truyền tin được soạn, một xung điện sẽ gửi tới đầu dây bên kia qua đường dây đại diện cho chữ cái. Phương pháp này gặp vấn đề về khoảng cách, ở quá xa thì thời gian truyền xung sẽ lâu hơn, các xung điện này không đủ ổn định để truyền tới đầu bên kia một cách rõ ràng. Các kỹ sư cần phải có một hệ thống đủ nhạy để bắt các tín hiệu điện. Ở Anh, Ngài Charles Wheatstone và William Fothergill Cooke đã chế tạo các máy dò từ các kim từ tính, chúng bị đổi hướng mỗi khi có sự hiện diện của dòng điện. Đến năm 1839, hệ thống của Wheatstone và Cooke đã được sử dụng để gửi thư giữa các ga xe lửa ở West Drayton và Paddington, cách nhau 29 km. Cuối cùng hệ thống này tương đối hoàn thiện nhờ một người Mỹ tên Samuel Morse, ông này thiết kệ hệ thống đủ để truyền các xung điện đại diện cho các dấu “_“ và “.” khi phải truyền ở khoáng cách xa. Các dấu “_” và “.” sau này được dùng làm kí hiệu miêu tả cho các chữ cái mà ta vẫn gọi là mã Morse. Đường truyền điện báo của ông kéo từ Washington đến Baltimore, dài 60km. Đến khoảng những năm 1850 thì hệ thống này phổ biến khắp Châu Âu trở thành phương tiện liên lạc phổ biến. Mọi người gửi các tin nhắn cho nhau bằng việc đưa nội dung cho các “điện báo viên”, họ chuyển sang mã Morse và gửi đi, các điện báo viên ở đầu bên kia sẽ làm ngược lại.

Khi những người làm kinh tế, các doanh nhân, ông chủ sử dụng hình thức điện báo này để liên lạc, giao dịch thì lại nảy sinh ra một trở ngại. Mã Morse đơn thuần chỉ là một dạng khác của bảng chữ cái mà thôi. Vấn đề an toàn nổi lên hàng đầu bởi vì không ai lại muốn gửi đi một bức thư mà lại phải đưa cho một nhân viên đánh mã Morse đọc nó để chuyển đi cả. Những nhân viên điện báo phải đọc tất cả thư từ và vì vậy sẽ có rủi ro nếu như một công ty nào đó mua chuộc được họ để tiếp cận những thông tin của đối phương.

Vậy là họ quyết định mã hóa các thông tin quan trọng trước khi gửi đi, và đây là lúc phong trào sử dụng mật mã ngày một lên cao. Mật mã giờ không chỉ dành cho các nhà quân sự, các chính trị gia hay đơn thuần là trò chơi trên các tờ báo nữa.

Loại mật mã hóc búa được tin tưởng gọi với cái tên “Mật mã không thể hóa giải” được sử dụng phổ biến trong thời gian này là mật mã Vigenere.

Blaise Vigenère, nhà ngoại giao người Pháp, sinh năm 1523, người sáng tạo ra mã Vigenere đã nghĩ ra một phát kiến khá là đơn giản nhưng hiệu quả để nâng cấp mã Ceasar. Mã Ceasar bị giải bởi phương pháp phân tích tần suất, nguyên nhân là do chỉ sử dụng một bảng chữ cái bị dịch đi làm “chìa khóa”, vậy ta chỉ cần tạo ra thêm nhiều ổ khóa với các “chìa khóa” khác nhau để vô hiệu phương pháp phân tích tần suất. Thế là, Vigenere cho xây dựng một bộ mã hóa là tổng hợp của tất cả 26 bảng chữ cái khóa mã được xây dựng theo kiểu Ceasar với các bước dịch khác nhau (đọc lại phần I). Mỗi chữ cái trong văn bản gốc sẽ được mã hóa bằng một bảng chữ cái Ceasar khác nhau. Đi kèm với mật mã sẽ là một từ khóa được quy ước. Chẳng hạn từ “LEMON” thì khi mã hóa văn bản gốc, chữ đầu tiên của văn bản gốc sẽ được mã hóa theo bảng chữ cái Ceasar bắt đầu bằng chữ L, chữ thứ hai sẽ được mã hóa theo bảng Ceasar bắt đầu bằng chữ E, cứ như vậy xoay vòng cho các chữ cái tiếp theo của văn bản gốc. (Hình 3 là bảng mã hóa Vigenere.)

Một ví dụ: – Bản gốc: ATTACKATDAWN

– Từ khóa: LEMONLEMONLE

– Mã hóa: LXFOPVEFRNHR

Với việc một chữ cái thực sự được mã hóa bởi nhiều chữ cái khác nhau (thậm chí bao gồm cả chính nó), dù cùng một “thuật toán” thay thế như mã Ceasar nhưng với quá nhiều “chìa khóa”, phương pháp phân tích tần suất trở nên vô dụng. Tất nhiên, không ai có ý định làm khó đối tác nhận tin bằng việc sử dụng cả 26 chìa khóa trong bản mã hóa cả.

Phương pháp này rất mạnh, tuy nhiên điểm yếu của nó là phức tạp và rất mất thời gian cho cả người gửi lẫn người nhận. Ra đời vào thế kỉ XVI nhưng tận mãi tới thế kỉ XIX, mật mã này mới có cách giải tổng quát được cho là của thiên tài lập dị người Anh, Charles Babbage.

2, Và ”Mật mã vô địch” bị giải mã.

Charles Babbage (1791-1871), nhà toán học, nhà triết học, nhà phát minh và kỹ sư cơ khí người Anh. Ông được coi là cha đẻ của công nghệ máy tính và là người phát minh ra máy tính cơ học đầu tiên.

Ông sớm có danh tiếng trong xã hội London với tư cách là một nhà phân tích mật mã, luôn sẵn sàng đương đầu mọi bức thư mã hóa và những người lạ đều có thể đến gặp ông với đủ mọi loại vấn đề rắc rối. Chẳng hạn, Babbage đã giúp đỡ một người viết tiểu sử đang tuyệt vọng tìm cách giải mã những ghi chú tốc ký của John Flamsteed, nhà thiên văn học Hoàng gia đầu tiên của Anh. Ông cũng đã giúp một nhà sử học giải được mật mã của Henrietta Maria, vợ của Charles I. Vào năm 1854, ông đã cộng tác với một luật sư và sử dụng phân tích mật mã để phát hiện ramột bằng chứng quan trọng trong một vụ án.

Babbage có lẽ giải được mật mã vào năm 1854, song không công bố. Cách giải được tìm thấy trong các ghi chép của ông vào thế kỉ XX. Có người cho rằng, thực ra ông được quân đội Hoàng gia Anh yêu cầu giữ bí mật, bởi vì cùng lúc ông tìm ra cách giải, người Anh đang trong một cuộc chiến với Nga. Việc tìm ra cách giải loại mật mã tưởng chừng như vô địch này là bước đi trước cho quân đội Anh.

Mật mã Vigenere được giải khi Babbage nhận ra một đặc điểm mấu chốt của loại mã này.

Từ khóa: K I N G K I N G K I N G K I N G K I N G K I N G

Văn bản thường: t h e s u n a n d t h e m a n i n t h e m o o n

Văn bản mật mã:D P R Y E V N T N B U K W I A O X B U K W W B T

Chú ý nào, từ “the” trong đoạn văn bản được mã hóa với khóa “KING” trên kia xuất hiện ba lần. Trong đó có hai lần (lần 2 và 3) được mã hóa cùng một kiểu là “BUK”, điều này diễn ra khi chữ cái “t” trong chữ the thứ hai và ba đều rơi vào chu kỳ bắt đầu cũng vòng lặp khóa mã “KING” (một chu kỳ với biên độ lặp là 4). Rõ ràng, theo logic toán học, cộng với quan sát trực quan ta có thể thấy khoảng cách giữa hai chữ cái “t” trong từ “the” khi xuất hiện lần 2 và 3 là 8, chính bằng bội số của chu kỳ lặp được quy định bởi từ khóa “KING”. Tất nhiên, không loại trừ trường hợp hai từ khác nhau nhưng vô tình lại mã hóa như nhau. Tuy nhiên, trường hợp này khá ít. Vì vậy để chắc chắn tìm được chu kỳ lặp, tức là số chữ cái của mã khóa, hay nói chính xác hơn là số bảng chữ cái Ceasar được sử dụng để mã hóa, ta sẽ tiếp tục tìm các trường hợp lặp lại, tìm các khoảng cách giữa chúng. Sau cùng, ước số chung của các khoảng cách này chính là số chữ cái trong từ khóa, hay chính là số bảng chữ cái Ceasar được sử dụng.

Tới đây, mọi việc dễ dàng hơn rất nhiều. Ví dụ với mã khóa “KING”, bốn chữ cái, ta có thể kết luận ngay các chữ cái thứ (1,5,9,13,…..) ở trong cùng một bảng chữ cái Ceasar, các chữ cái thứ (2,6,10,14,….) ở trong cùng một bảng chữ cái Ceasar,v.v… có bốn bảng chữ cái như vậy. Khi gom được từng bảng chữ cái Ceasar rồi, ta lại quy về sử dụng phương pháp phân tích tần suất để giải mã Ceasar với từng bảng.

Với các kiến thức rất cơ bản về toán học thôi, Babbage đã dễ dàng hóa giải loại mã được gọi là le chiffre indéchiffrable (mật mã không thể phá nổi).

3, Zodiac, sát nhân mật mã. Liệu một mật mã có thực sự là một “mật mã” hay không.

Kì này sẽ kể về một sát nhân sử dụng mật mã để thách thức lực lượng cảnh sát cũng như toàn bộ những kẻ thích giải mã trên toàn nước Mỹ từ năm 1969 cho tới tận ngày nay.

“Sát nhân Zodiac” được cho là người đã gây ra ít nhất 5 vụ giết người ở khu vực Bắc California (Mỹ) trong 2 năm 1968 và 1969. Sau các cuộc điều tra liên tục nhưng không đạt được kết quả nào của cảnh sát, đến tháng 8/1969, các tờ báo địa phương gồm San Francisco Examiner, San Francisco Chronicle và Vallejo Times-Herald đồng loạt nhận được những bức thư viết tay có nội dung giống hệt nhau gửi trong những chiếc phong bì không có địa chỉ người gửi.

Ngoài ra, những bức thư gửi đến các báo đều kết thúc bằng một biểu tượng hình tròn cùng một hình chữ thập chia hình tròn thành 4 phần. Mỗi bức thư lại bao gồm 1/3 đoạn mật mã mà nếu ghép lại sẽ thành đoạn mật mã đầy đủ mà theo “sát nhân Zodiac” sẽ hé lộ danh tính thực sự của hắn.

Trong khi sở cảnh sát Bay Area dưới sự hỗ trợ của FBI tích cực làm việc để truy lùng tên sát nhân, tờ San Francisco Examiner lại nhận được một bức thư khác bắt đầu bằng nội dung: “Gửi Ban biên tập: Zodiac đây” kèm theo bản mô tả chi tiết một vụ giết người nữa và lời phàn nàn về việc cảnh sát không thể giải mã bản mật mã trước đó hay truy bắt được hắn.

Vài ngày sau đó, cặp vợ chồng Donald Harden và Bettye đã giải mã được bản mật mã đầu tiên với nội dung: “Tao rất thích giết người bởi việc này rất hấp dẫn. Nó còn hấp dẫn hơn cả việc đi săn trong rừng bởi con người là loài thú nguy hiểm nhất”. Mấu chốt của bức mật mã này là mã thay thế Ceasar, và ông Hardin đã tìm được khóa khi tìm được một nhóm kí tự thay thế cho từ “kill”.

Dù vậy, “sát nhân Zodiac” vẫn không chùn tay, hắn tiếp tục sát hại nạn nhân thứ 4, ông Paul Stine, một tài xế taxi, và gửi đến tờ San Francisco Chronicle một bức thư thừa nhận tội ác của mình cùng một mảnh vải từ chiếc áo sơ mi đẫm máu của Stine. Cuối thư, “sát nhân Zodiac” đe dọa sẽ “bắn thủng lốp một chiếc xe bus chở học sinh và bắt cóc lũ trẻ”.

Liên tiếp sau đó, “sát nhân Zodiac” gửi nhiều bức thư đến các tờ báo khác nhau ở Bay Area thừa nhận hàng loạt vụ giết người khác kèm các bản mật mã bí ẩn. Tên này cũng công khai chế giễu cảnh sát địa phương vì không thể tìm ra hắn. Đến năm 1974, không biết vì lý do gì, hắn ngừng mọi liên lạc.

Đoạn mật mã nổi tiếng nhất sát thủ Zodiac gửi tới tờ San Francisco Chronicle vào ngày 8/11/1969 mà cơ quan chức năng vẫn tin rằng đây là điểm mấu chốt giúp phá án. Một đoạn mã gồm 340 kí tự, ngắn hơn 3 thông điệp đầu tiên, nhưng lại không dùng phương pháp mã hóa giống những thông điệp trước, được đính kèm trong một e-mail. Dan Olson, chuyên gia giải mã của FBI cho biết đoạn thông điệp (được đặt tên là Z340) này nằm trong top 10 thông điệp mã hóa hóc búa nhất mà cơ quan này chưa thể giải mã. Mỗi năm ông cũng nhận được 20-30 phương án giải mã từ những người giải mã nghiệp dư, nhưng chưa có lời giải nào tạo ra bước đột phá.

Năm 2009, Ryan Garlick, nhà khoa học máy tính ở Đại học Bắc Texas (Mỹ) và các sinh viên của ông thử giải những đoạn thông điệp bằng thuật toán phát sinh. Kỹ thuật này tạo ra các cặp ngẫu nhiên các chữ cái tiếng Anh với những biểu tượng trong thông điệp, rồi suy ra nghĩa có thể. Phương pháp này tìm ra thông tin trong những thông điệp đầu tiên của Zodiac, nhưng không có tiến bộ đáng kể trong việc bẻ khóa Z340.

Corey Starliper với đam mê giải mật thư bắt tay giải mã Z340 lấy cảm hứng từ bộ phim Zodiac dựa trên 2 cuốn sách của Robert Graysmith xuất bản năm 2007. “Lần đầu tiên tôi trông thấy đoạn mã đó là khoảng vài năm trước. Lúc đó bản năng mách bảo chắc chắn tôi sẽ hóa giải được nó. Bất cứ loại mật mã nào do con người tạo ra cũng sẽ bị hóa giải bởi chính con người. Đầu tiên tôi xem phim, và bất chợt có hứng thú. Lúc đọc cuốn sách, tôi thấy mình “thèm muốn” được làm nhiều hơn thế khi câu chuyện kết thúc. Tôi trở nên bị ám ảnh bởi từng trang sách viết về vụ án, tới mức tôi lục lọi toàn bộ dữ kiện và gợi ý trong các tập xuất bản của Graysmith và quên mất việc ăn uống… “.

Starlipher tin rằng con số 340 ký tự rất đáng chú ý vì nó liên quan tới Virgin Islands, tuy nhiên thực chất nó chỉ là mã của một vùng đất vô danh thuộc Virgin Islands và chẳng hề có chút giá trị nào.

“Tôi nghĩ không đời nào một kẻ sát nhân tinh quái như Zodiac lại tự đem cái tên Virgin Islands mà gắn với con số 340 một cách lộ liễu đến thế. Đây chính là một cái chốt đáng sợ của toàn bộ bức mật thư. Nếu tinh ý thì sẽ thấy 3+4+0=7, và 7+0=7… 707 là mã vùng Vallejo, Napa, và Solano. Chính thế tôi đoán mình nên thử vận dụng hệ thống mã Caesar hai con số 3 và 4”.

Hệ thống Caesar là một dạng mật mã sử dụng phương thức đơn giản là thay thế mỗi kí tự trong đoạn mã bằng kí tự cách nó 3 con chữ trong bảng chữ cái alphabet. Tuy vậy, không dễ gì để hiểu thông điệp Zodiac muốn nhắn gửi qua đoạn 340 kí tự bí ẩn. Trong thư gửi tới tòa soạn, tên này dùng rất nhiều lần các kí hiệu >, +, và một vài chỗ là biểu tượng ²%.

Để giải mã, Starlipher thử tách riêng các kí tự và thay thế chúng bằng các con chữ tương ứng. Sau khi toàn bộ các kí tự được chuyển thành các con chữ trong bảng chữ cái alphabet, Starlipher bắt đầu áp dụng hệ thống mã Caesar đảo ngược. Anh phát hiện hai chữ cái đầu tiên là K và I. “Tôi đã nhanh chóng tìm ra từ đầu tiên trong bức thư. Đó là chữ KILL (giết). Và tôi tiếp tục giải mã các kí tự còn lại”. Stralipher mất 9 giờ để cho ra kết quả là một bản dịch như sau:

“Làm ơn hãy giúp tôi. Tự sát. Căn phòng gas. Ngày trôi qua. Tự vấn. Mỗi lúc thức tỉnh là khi tôi vẫn còn sống. Danh dự đã mất. Tôi không thể tiếp tục sống thế này. Giết người. Tôi đã giết quá nhiều người. Không thể chịu đựng bản thân nữa. Tôi rất tức giận. Tôi có thể làm gì tôi thích. Thế giới này chỉ có mình tôi. Cả cuộc đời đầy rẫy những dối trá. Tôi không thể dừng mình lại được nữa. Tới lúc mật thư này được giải, tôi sẽ giết chết 11 sinh mạng. Làm ơn giúp tôi ngừng việc tàn sát này lại. Làm ơn. Tên của tôi là Leigh Allen.”

Starlipher cho rằng cụm từ Leigh Allen xuất hiện trong mật thư ám chỉ Arthur Leigh Allen – nghi can số 1 cho một chuỗi các vụ án mạng bí ẩn, nhưng hắn chưa bao giờ bị buộc tội. Hắn bị tình nghi là sát thủ Zodiac sau khi một nạn nhân còn sống sót tố cáo vào năm 1991, tuy nhiên dấu vân tay tại hiện trường vụ án lại không trùng khớp. Các chuyên gia giám định bản thảo xác nhận chữ viết tay của tên sát nhân và Allen không hoàn toàn trùng khớp.

Cuối cùng, xét nghiệm ADN từ vết nước bọt trên bì thư lại chỉ đích danh cái tên Allen. Tuy nhiên, tên này đã chết vào ngày 26/8/1992 vì suy thận, khiến cho quá trình điều tra rơi vào bế tắc. Do thiếu bằng chứng nên Cục Điều tra San Francisco buộc phải đóng hồ sơ vụ án vào năm 2004 và vẫn trong trạng thái “chờ” xác nhận danh tính thực sự của sát thủ bí ẩn Zodiac.

Khi Starlipher gửi lời giải tới chính quyền hạt Napa, họ hứa sẽ mở lại vụ án và tiếp tục nghiên cứu, nhưng cuối cùng cũng không có phản hồi nào tích cực được gửi lại. Tuy nhiên, Stralipher hy vọng cách giải mã của anh sẽ được sử dụng với các đoạn mã khác chưa bị “bẻ khóa” mà tên sát thủ Zodiac gửi tới nhằm thách thức Cảnh sát Mỹ.

Đến nay, danh tính thật của Zodiac vẫn là điều bí ẩn. Nhiều nhà giải mã đâm đầu vào giải các bức mật mã với mong muốn vén được phần nào bức màn bí ẩn của vụ án. Tất nhiên cũng có nhiều lời giải được đưa ra nhưng hầu hết đều giống bài toán tìm nghiệm (x,y) của phương trình x+y=2 vậy, quá nhiều đáp án và không thống nhất. Rất nhiều người nghi ngờ về tính tồn tại của bài toán mật mã này, người ta cho rằng chỉ một mật mã được giải là thật, những phần còn lại chỉ là trò bỡn cợt của Zodiac dành cho cảnh sát.

Câu chuyện này xét đến khía cạnh tồn tại của một mật mã. Rõ ràng một mật mã không thể giải được nếu nó vốn không phải là mật mã.

Nguồn: Tóm lược chủ yếu trong:

The Code Book – Simon Singh (1999).

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

Wikipedia: Gậy mật mã, Chiến tranh Ba Tư – Hy Lạp, Mã Ceasar,……