Mật mã học là một ngành có lịch sử lâu dài và đầy màu sắc. Trong hàng ngàn năm, vua chúa cũng như các tướng lĩnh đều dựa vào mạng lưới thông tin liên lạc hiệu quả để cai trị đất nước và chỉ huy quân đội của mình. Đồng thời, tất cả họ đều ý thức được các hậu quả của việc để lọt thông tin vào tay đối phương, để lộ những bí mật qúy giá cho các nước thù địch cũng như hậu quả của sự phản bội cung cấp thông tin sống còn cho lực lượng đối kháng. Chính nỗi lo sợ bị kẻ thù xem trộm đã thúc đẩy sử ra đời và phát triển của mật mã. Các phương pháp mã hóa cổ điển thường được biết đến như mã hóa thay thế (ROT13, Caesar..) và mã hóa hoán vị (cách mã hóa dùng gậy của người Hy Lạp ).
Cho đến đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra các thiết bị cơ khí để thực hiện mã hóa, chẳng hạn như máy Enigma của người Đức sử dụng trong thế chiến thứ 2 bên cạnh các máy TypeX của Anh hay SIGABA của Hoa Kỳ. Ở đây tôi không giải thích cách hoạt động của các thiết bị này bởi chúng ta sẽ không gặp những thứ này trong thực tế. Thay vào đó tôi sẽ kể cho bạn nghe một câu chuyện diễn ra trong chiến tranh thế giới thứ 2.
Quay trở về những ngày đầu tháng 6 năm 1942, khi đó hải quân Nhật do đô đốc Yamamoto lãnh đạo đang gấp rút chuẩn bị cho một cuộc tấn công bất ngờ vào căn cứ Midway của Hoa Kỳ. Cùng lúc đó, tại Trân Châu Cảng, đơn vị mật mã của đô đốc Nimitz – người chỉ huy hạm đội Thái Bình Dương – đã thu được lượng lớn dữ liệu truyền tin được mã hóa bởi JN-25 của quân đội Nhật. Rochefort và các cộng sự ở đây không khó để hiểu rằng: kẻ thù đang chuẩn bị một cuộc tấn công. Họ biết rằng người Nhật sẽ tấn công vào mục tiêu “AF” từ tháng 6. Tuy nhiên họ không biết AF là gì? Trân Châu Cảng? Úc? Midway? New Guinea? Rochefort tin rằng AF là Midway, nhưng làm sao để đảm bảo? Để xác định chính xác vị trí của AF Rochefort yêu cầu chỉ huy căn cứ Midway gửi một tin nhắn qua sóng radio về Trân Châu Cảng nói rằng nước uống đang cạn kiệt ở Midway vì nhà máy nước hỏng – và tin nhắn này được mã hóa bằng phương pháp mà ông cho rằng người Nhật đã biết cách giải mã. Ngay sau đó, một bức mật mã của người Nhật được mã hóa bằng JN-25 đã nói rằng “AF gặp phải những vấn đề về nước ngọt”. Vì vậy, AF được khẳng định là Midway. Những gì xảy ra tiếp sau đó, đã trở thành lịch sử.
Mã hóa cổ điển
Mục đích của mật mã không phải che dấu sự tồn tại của thư tín mà là che giấu nội dung của nó. Quá trình này được gọi là mã hóa. Để làm cho một bức thư không thể hiểu được, người ta mã hóa nó theo một thủ tục cụ thể đã được thỏa thuận trước giữa người gửi và người nhận. Lợi thế của việc mã hóa là nếu kẻ thù có bắt được bức thư cũng không thể đọc được. Không biết thủ tục mã hóa, đối phương sẽ khó khăn, nếu không muốn nói là không thể, khôi phục trở lại bức thư gốc từ bức thư bị mã hóa. Bản thân mật mã có thể được chia làm 2 nhánh: Mật mã hoán vị và mật mã thay thế. Chúng ta sẽ xem xét ngay sau đây.
Mã Hóa Hoán Vị
Ở mật mã hoán vị, các chữ cái trong thư được sắp xếp lại một cách đơn giản, tạo nên một phép đảo chữ một cách hiệu quả. Với những lá thư ngắn thì phương pháp này không mấy an toàn, vì với một số ít chữ cái thì chỉ có một số giới hạn cách sắp xếp. Chẳng hạn với 3 chữ cái thì chỉ có 6 cách sắp xếp khác nhau, ví dụ: hoa, hao, oha, oah, aho, aoh. Tuy nhiên khi số lượng chữ cái tăng dần lên thì số lượng cách sắp xếp cũng tăng lên cực nhanh. Đối với câu: TAN CONG LUC BINH MINH, nó bao gồm 18 chữ cái vì vậy có 18! cách sắp xếp khác nhau. Một sự hoán vị ngẫu nhiên các chữ cái dường như mang lại mức độ an toàn cao hơn, vì khi bắt được, đối phương cũng khó giải mã nổi, thậm chí ngay cả một câu ngắn. Song nó cũng có một điểm yếu. Hoán vị tạo ra một phép đảo chữ khó một cách đáng kinh ngạc, và nếu các chữ cái nhảy lộn xộn ngẫu nhiên không có lý do hay theo một chu kì nào cả thì việc giải mã nó là hoàn toàn không thể thực hiện được đối với kẻ thủ lẫn người nhận. Để việc hoán vị có hiệu quả, việc sắp xếp các chữ cái cần phải làm theo một hệ thống không phức tạp lắm, được thống nhất giữa người gửi và người nhận nhưng giữ bí mật với kẻ thù. Chẳng hạn, phương pháo hoán vị “hàng rào”, bằng cách viết các chữ cái luân phiên giữa hàng trên và hàng dưới, sau đó câu được tạo bởi các chữ cái hàng dưới được ghép vào sau câu tạo bởi các chữ cái ở hàng trên tạo thành bức thư mã hóa hoàn chỉnh. Ví dụ:
Thư gốc: TAN CONG VAO LUC BINH MINH
Mã hóa: T N O G A L C I H I H
A C N V O U B N M N
Thư được mã hóa: TNOGALCIHIHACNVOUBNMN
Người nhận có thể khôi phục lại bức thư bằng cách làm ngược lại quá trình trên một cách đơn giản.Có rất nhiều dạng hoán vị có hệ thống, trong đó có cả hoán vị kiểu “hàng rào” 3 dòng, 4 dòng thay vì kiểu “hàng rào” 2 dòng như ví dụ trên. Một dạng hoán vị khác đã từng là một công cụ mã hóa sơ khai nhất của quân đội, đó là khúc gỗ bí mật (scytale) của người Hy Lạp có từ thế kỷ 5 TCN. Scytale là một khúc gỗ có hình dạng và kích thước xác định được cuốn quanh bởi môt dải da như hình vẽ.
Người gửi viết thư theo chiều dài của khúc gỗ rồi sau đó bóc dải da ra, lúc này dải dây da chỉ mang trên nó dòng chữ vô nghĩa. Bức thư đã được mã hóa. Người mang thư có thể sử dụng nó như một cái thắt lưng có chữ cái được giấu ở mặt sau. Để khôi phục lại bức thư, người nhận đơn giản quấn dây da đó quanh một cái scytale khác với kích thước giống như của người gửi. Vào năm 404 TCN, Lysander gặp một người đưa thư, bị đánh đập và người bê bết máu, đó là người duy nhất trong số năm người còn sống sót trong cuộc hành trình đầy gian khổ trở về từ Ba Tư. Người đưa thư này, đã đưa thắt lưng của mình cho Lysander, ông đã cuốn nó quanh scytale của mình và biết được rằng Pharnabazus, vua xứ Ba Tư, đang có kế hoạch tấn công ông. Nhờ có scytale, Lysander đã kịp chuẩn bị và đầy lùi cuộc tấn công đó.