Một hash giúp bảo mật công nghệ blockchain như thế nào?

Một hàm băm tạo ra một dấu vân tay kỹ thuật số không thể phá vỡ, giúp công nghệ blockchain an toàn. Mỗi giao dịch và khối trong chuỗi đều có chữ ký riêng biệt. Nền tảng kỹ thuật số này cung cấp một bản ghi vĩnh viễn mà không ai có thể thay đổi mà không để lại dấu vết.

Blockchain băm hoạt động như một hệ thống bảo mật công nghệ cao. Chữ ký duy nhất của mỗi khối chứa cả băm của chính nó và băm của khối trước đó. Hệ thống liên kết tất cả thông tin lại với nhau theo cách khiến việc giả mạo trở nên rất khó khăn. Các hàm băm sử dụng các thuật toán mạnh mẽ như SHA-256 để chuyển đổi dữ liệu thành đầu ra có độ dài cố định. Các đầu ra này đóng vai trò như ID chống giả mạo giúp bảo vệ tính toàn vẹn và bảo mật của mạng blockchain.

Hãy cùng khám phá cách các hàm băm cung cấp sức mạnh cho công nghệ blockchain. Chúng ta sẽ xem xét vai trò của chúng trong việc ngăn chặn thao túng dữ liệu và lý do tại sao chúng rất quan trọng để giữ an toàn cho các mạng phi tập trung.

Hàm băm trong công nghệ blockchain là gì?

“Băm là cốt lõi của bảo mật blockchain.” — Alan T. Norman, Chuyên gia blockchain và tác giả

Các hàm băm đóng vai trò như huyết mạch của kiến trúc blockchain. Những cơ chế mã hóa này bảo vệ toàn bộ hệ thống. Hãy cùng xem điều gì khiến các thuật toán toán học này trở nên quan trọng đối với bảo mật blockchain.

Định nghĩa và các thuộc tính đơn giản của hàm băm

Hàm băm hoạt động như một thuật toán toán học chuyển đổi dữ liệu có bất kỳ kích thước nào thành một chuỗi có độ dài cố định của các ký tự. Kết quả đầu ra có vẻ ngẫu nhiên và hoạt động như một dấu vân tay kỹ thuật số duy nhất của thông tin ban đầu. Mọi người thường gọi kết quả này là “giá trị băm”, “mã băm” hoặc “digest”.

Các ứng dụng blockchain cần các hàm băm có các đặc tính cụ thể để đảm bảo an toàn về mặt mật mã. Hàm băm phải có tính xác định, có nghĩa là cùng một đầu vào luôn tạo ra một đầu ra băm tương tự. Nó cần có kháng va chạm, khiến việc tìm hai đầu vào khác nhau tạo ra cùng một băm trở nên khó khăn. Một hàm băm tốt thể hiện “hiệu ứng tuyết lở”, nơi chỉ thay đổi một ký tự trong đầu vào tạo ra một băm hoàn toàn khác.

Một chuyên gia mật mã nói thế này: “Một hàm băm tốt đáp ứng hai đặc tính đơn giản: nó phải được tính toán rất nhanh và nó phải giảm thiểu sự trùng lặp của các giá trị đầu ra (va chạm).” Những đặc tính này làm việc cùng nhau để bảo vệ dữ liệu blockchain khỏi việc bị thay đổi.

Quá trình chuyển đổi một chiều

Tính chất một chiều nổi bật như một tính năng bảo mật chính của các hàm băm trong công nghệ blockchain. Bạn có thể dễ dàng tạo một hàm băm từ dữ liệu đầu vào, nhưng bạn không thể làm việc ngược lại để lấy dữ liệu đầu vào gốc từ một hàm băm.

Chất lượng này được gọi bằng thuật ngữ kỹ thuật “kháng tiền ảnh” và mang lại cho blockchain sự bảo mật cơ bản của nó. Hãy tưởng tượng nó giống như việc đánh trứng – bạn không thể cho lòng đỏ vào lại và niêm phong vỏ trứng.

Hàm băm cũng thể hiện "kháng lại tiền hình thứ hai". Bạn không thể tìm một đầu vào khác tạo ra cùng một hàm băm ngay cả khi bạn biết cả một đầu vào và hàm băm của nó. Những kẻ xấu không thể thay thế dữ liệu thật bằng thông tin giả trong khi vẫn giữ nguyên giá trị hàm băm.

Chuyển đổi một chiều giúp blockchain có trách nhiệm. Dữ liệu được băm và thêm vào chuỗi sẽ không thay đổi – đó là lý do tại sao blockchain không thể thay đổi.

Độ dài đầu ra cố định bất kể kích thước đầu vào

Các hàm băm luôn tạo ra kết quả có độ dài giống nhau bất kể kích thước của đầu vào. Chỉ cần lấy một ví dụ, SHA-256, mà Bitcoin và các loại tiền điện tử khác sử dụng, luôn tạo ra một giá trị băm 256 bit (thường được hiển thị dưới dạng 64 ký tự thập lục phân). Điều này xảy ra dù bạn nhập một từ hay cả một cuốn sách.

Chiều dài cố định này giúp công nghệ blockchain theo nhiều cách:

• Cấu trúc dữ liệu giữ nguyên tính nhất quán trong suốt blockchain.
• Lưu trữ và xử lý dữ liệu giao dịch trở nên hiệu quả.
• Quá trình xác minh hoạt động giống nhau trên toàn mạng.
• Nhu cầu tính toán trở nên có thể dự đoán được.

Hàm băm nén các khối dữ liệu giao dịch lớn thành các giá trị có kích thước cố định mà mạng blockchain có thể dễ dàng lưu trữ, gửi và kiểm tra. Việc ánh xạ có độ dài cố định giúp các blockchain xử lý các giao dịch có kích thước khác nhau trong khi vẫn duy trì hiệu suất ổn định.

Hàm băm cung cấp cho công nghệ blockchain một cách thông minh để tạo ra dấu vân tay kỹ thuật số có thể xác minh. Những dấu vân tay này đảm bảo dữ liệu không bị thay đổi thông qua toán học thay vì tin vào một quyền lực trung ương.

Cơ chế cốt lõi của việc băm blockchain

Việc sử dụng hàm băm mã hóa tinh vi nằm ở cốt lõi của kiến trúc bảo mật blockchain. Hệ thống này đóng vai trò là nền tảng công nghệ của các hệ thống sổ cái phân tán. Tính bất biến và không cần sự tin cậy nổi tiếng của blockchain xây dựng trên nền tảng hàm băm này.

Tạo dấu vân tay kỹ thuật số duy nhất

Băm blockchain chuyển đổi dữ liệu có kích thước bất kỳ thành chuỗi ký tự có độ dài cố định, hoạt động như dấu vân tay kỹ thuật số duy nhất. Những dấu vân tay này hoạt động như con dấu chống giả mạo để bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu blockchain. Dữ liệu đi qua hàm băm sẽ tạo ra đầu ra duy nhất để xác định tập dữ liệu cụ thể đó.

Biểu diễn mã hóa của mỗi khối giúp nó trở nên dễ dàng nhận diện thông qua hàm băm của nó. Một thay đổi nhỏ trong bất kỳ giao dịch nào sẽ tạo ra một hàm băm khác biệt rõ rệt – các chuyên gia gọi đây là hiệu ứng tuyết lở. Vì vậy, bất kỳ ai cố gắng thay đổi dữ liệu đều không thể giấu vết của mình vì hệ thống sẽ phát hiện sự thay đổi ngay lập tức.

Các dấu vân tay kỹ thuật số này cho phép các mạng blockchain:

• Chứng minh dữ liệu là thật mà không hiển thị nội dung gốc
• Phát hiện ngay cả những thay đổi không được phép dù là nhỏ nhất.
• Giữ các giao dịch theo thứ tự thời gian
• Hiển thị bằng chứng rằng dữ liệu vẫn nguyên vẹn.

Liên kết các khối thông qua các hàm băm của khối trước

Thiết kế tuyệt vời của blockchain thể hiện qua cách các khối được kết nối thông qua các con trỏ hash. Mỗi khối mang theo hash duy nhất của chính nó và hash của khối trước đó trong tiêu đề của nó. Các nhà mật mã gọi đây là một "chuỗi các khối" – tính năng then chốt làm cho blockchain trở nên đặc biệt.

Các khối mới phải trỏ đến hàm băm của khối trước đó để hợp lệ. Điều này tạo ra một liên kết theo trình tự thời gian và mật mã giữa các khối. Bất kỳ thay đổi nào đối với một khối cũ sẽ tạo ra một hàm băm mới, phá vỡ kết nối với tất cả các khối sau đó.

Bất kỳ ai cố gắng can thiệp vào dữ liệu blockchain sẽ cần tính lại hàm băm của từng khối sau khi thay đổi. Nhiệm vụ này trở nên bất khả thi trên các mạng lưới 10 năm tuổi. Tính năng này tạo ra bản chất không thể thay đổi nổi tiếng của blockchain.

Các hàm băm của khối trước đó neo toàn bộ lịch sử giao dịch một cách mã hóa. Các chuyên gia bảo mật giải thích đơn giản: “Thay đổi chỉ một bit trong tiêu đề khối sẽ khiến hàm băm của tiêu đề khối thay đổi, làm cho khối đã sửa đổi trở nên không hợp lệ.”

Đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu trên toàn mạng

Hàm băm giúp duy trì tính nhất quán của dữ liệu trên các mạng blockchain phân tán. Băm khối cung cấp một cách gọn nhẹ để kiểm tra các giao dịch được nhóm lại mà không cần xử lý từng giao dịch riêng lẻ.

Mạng lưới đạt được sự đồng thuận về trạng thái sổ cái hiện tại thông qua sự đồng thuận dựa trên hàm băm, ngay cả khi các nút phân tán trên toàn cầu. Các nút kiểm tra các hàm băm khối một cách độc lập để đảm bảo bản sao blockchain của họ khớp với của những người khác.

Cây Merkle sử dụng hashing theo lớp để tổ chức nhiều giao dịch một cách hiệu quả. Các nút có thể xác minh các giao dịch cụ thể trong một khối mà không cần tải xuống toàn bộ blockchain – một tính năng quan trọng cho sự phát triển.

Dấu vân tay duy nhất, liên kết khối và xác minh trên toàn mạng hoạt động cùng nhau thông qua hashing. Những tính năng này giúp công nghệ blockchain chống lại sự kiểm duyệt, sự can thiệp và các thay đổi trái phép.

Các hàm băm ngăn chặn việc sửa đổi dữ liệu như thế nào

Tính chất chống giả mạo của công nghệ blockchain đến từ cách các hàm băm phản ứng với ngay cả những thay đổi nhỏ nhất của dữ liệu. Nhiều lớp bảo vệ mật mã khiến các bản ghi blockchain gần như không thể thay đổi mà không bị phát hiện.

Hiệu ứng tuyết lở trong hàm băm mã hóa

Các hàm băm mật mã có một tính năng bảo mật quan trọng gọi là hiệu ứng tuyết lở. Điều này xảy ra khi dữ liệu đầu vào nhỏ thay đổi—như thay đổi chỉ một bit—tạo ra những thay đổi lớn, ngẫu nhiên trong đầu ra của hàm băm. Một thay đổi đơn lẻ của bit thường dịch chuyển khoảng một nửa các bit đầu ra đến các vị trí khác nhau.

Cách mà các đầu vào tương tự tạo ra các đầu ra hoàn toàn khác biệt xây dựng một lá chắn bảo mật mạnh mẽ. Hãy cùng xem một ví dụ thực tế: nếu ai đó cố gắng thay đổi dữ liệu giao dịch trong blockchain chỉ một chút, họ sẽ nhận được một hash hoàn toàn khác biệt so với bản gốc. Một chuyên gia mật mã nói rằng: "Sự ngẫu nhiên mạnh mẽ thực tế dẫn đến việc thể hiện các yêu cầu bảo mật cơ bản bao gồm kháng va chạm, kháng hình ảnh ban đầu và kháng hình ảnh thứ hai."

Phát hiện ngay cả những thay đổi nhỏ trong dữ liệu khối

Mạng blockchain phát hiện ngay lập tức các cố gắng can thiệp thông qua quá trình này. Mỗi khối chứa hash của dữ liệu của nó, và bất kỳ sự thay đổi nào – dù nhỏ đến đâu – đều tạo ra một giá trị hash hoàn toàn khác. Việc phát hiện nhanh chóng này làm cho blockchain trở thành một phương pháp đáng tin cậy để bảo vệ dữ liệu.

Quá trình phát hiện sự can thiệp hoạt động vì:

• Hash của một khối lưu trữ trạng thái đầy đủ của nó khi được tạo ra.
• Các nút mạng kiểm tra các hash khối để xác minh các bản sao blockchain của chúng.
• Các giá trị hash đã tính toán và lưu trữ khác nhau chỉ ra khả năng bị can thiệp.
• Hệ thống tự động từ chối các khối có hash sai.

Đúng, đây là sự thật rằng việc phát hiện này hoạt động vượt ra ngoài các giao dịch đơn lẻ. Hash của mỗi khối hoạt động như một bản tóm tắt mã hóa kiểm tra tính hợp pháp của tất cả dữ liệu của nó, điều này ngay lập tức chỉ ra những thay đổi trái phép trên toàn mạng.

Độ khó tính toán khi thay đổi các khối liên kết

Tính năng bảo mật lớn nhất của việc băm blockchain có thể là thử thách tính toán lớn trong việc thay đổi các khối liên kết. Mỗi khối chứa băm của khối trước đó, vì vậy việc thay đổi dữ liệu có nghĩa là tính lại băm của nó và băm của tất cả các khối tiếp theo.

Cấu trúc liên kết này tạo ra yêu cầu mà các chuyên gia bảo mật gọi là “phản ứng dây chuyền”. Để có thể can thiệp vào dữ liệu blockchain một cách thành công, một kẻ tấn công cần phải:

1. Thay đổi dữ liệu khối mục tiêu
2. Lấy một hàm băm mới cho khối đó
3. Cập nhật giá trị "Previous Hash" của khối tiếp theo
4. Lấy các hàm băm mới cho tất cả các khối sau
5. Làm tất cả những điều này nhanh hơn khi các khối mới gia nhập chuỗi.

Trên các mạng blockchain 10 năm tuổi với hàng nghìn nút, nhiệm vụ này trở nên gần như không thể. Chuỗi thực sự dài ra trước khi một kẻ tấn công có thể tính toán lại một vài khối, và mạng sẽ loại bỏ phiên bản thay đổi như là giả mạo.

Tóm lại, sự kết hợp của hiệu ứng tuyết lở, khả năng phát hiện nhanh và nhu cầu tính toán khổng lồ tạo ra một hệ thống bảo mật đáng tin cậy khiến công nghệ blockchain rất khó bị can thiệp.

Các thuật toán băm phổ biến trong các blockchain lớn

Các mạng blockchain khác nhau sử dụng các thuật toán băm khác nhau. Mỗi mạng chọn thuật toán của mình dựa trên hiệu suất và mức độ bảo mật mà nó cần. Những lựa chọn này ảnh hưởng đến mức độ an toàn và hiệu quả của mỗi nền tảng.

SHA-256 trong Bitcoin

Bitcoin sử dụng SHA-256 (Secure Hashing Algorithm-256) làm chức năng mã hóa chính. Thuật toán này, được phát triển bởi NSA, tạo ra đầu ra cố định 256 bit để bảo mật nhiều phần của mạng Bitcoin. SHA-256 điều chỉnh địa chỉ công khai và làm cho việc xác minh giao dịch trở nên dễ dàng hơn thông qua chữ ký số. Những chữ ký này bảo vệ dữ liệu mà không hiển thị nội dung.

Bitcoin sử dụng một phương pháp độc đáo bằng cách sử dụng SHA-256 hai lần để cải thiện bảo mật. Phương pháp băm kép này giúp ngừng các vấn đề như tấn công mở rộng độ dài.

SHA-256 là yếu tố quan trọng trong việc khai thác Proof of Work, nơi các thợ mỏ tính toán các băm của khối. Mỗi khối có một băm SHA-256 chỉ vào khối trước đó. Chuỗi các băm này giữ cho blockchain an toàn.

Ethash trong Ethereum

Hệ thống Proof of Work đầu tiên của Ethereum sử dụng Ethash, một thuật toán Dagger-Hashimoto đã được sửa đổi. Khác với SHA-256, Ethash được xây dựng để chống lại việc đào bằng ASIC. Thiết kế này cho phép nhiều người đào bằng máy tính thông thường.

Đây là cách Ethash hoạt động:

• Tạo seed từ các tiêu đề khối
• Tạo một bộ nhớ đệm giả ngẫu nhiên 16 MB
• Sử dụng bộ nhớ đệm để xây dựng tập dữ liệu 4+ GB (DAG)
• Chọn các giá trị ngẫu nhiên từ DAG trong quá trình khai thác
• Kiểm tra kết quả thông qua bộ nhớ đệm

Thiết kế tiêu tốn nhiều bộ nhớ này giúp Ethereum duy trì thời gian khối khoảng 12 giây. Nó cũng ngăn chặn phần cứng khai thác trở nên quá tập trung.

Blake2b trong Zcash

Zcash đã chọn thuật toán băm Blake2b vì nó hoạt động tốt hơn các thuật toán khác. Blake2b nhanh hơn SHA-256 và SHA-512 nhưng vẫn an toàn như nhau.

Zcash sử dụng Blake2b trong hệ thống proof-of-work Equihash của mình. Thuật toán này hoạt động rất tốt trên các hệ thống 64-bit. Nó chạy nhanh hơn MD5, SHA-1, SHA-2 và SHA-3 trong khi vẫn an toàn hơn.

So sánh sự đánh đổi giữa bảo mật và hiệu suất

Các thuật toán này cân bằng bảo mật và hiệu suất theo cách khác nhau. SHA-256 đáng tin cậy và đã được thử nghiệm rộng rãi nhưng cần nhiều sức mạnh tính toán. Ethash tập trung vào việc giữ khai thác phi tập trung nhưng sử dụng nhiều bộ nhớ hơn.

Blake2b có thể là lựa chọn cân bằng nhất. Nó vừa nhanh vừa an toàn. Các thử nghiệm cho thấy các thuật toán mới hơn như Blake3 hoạt động tốt hơn các thuật toán cũ về tốc độ và thời gian phản hồi.

Lựa chọn thuật toán hình thành cách mỗi blockchain xử lý bảo mật. Nó ảnh hưởng đến những thứ như khả năng chống lại thiết bị khai thác, các mối đe dọa từ máy tính lượng tử và tốc độ xử lý giao dịch.

Thách thức bảo mật trong thế giới thực và giải pháp hash

Các mạng blockchain phụ thuộc vào các hàm băm mạnh mẽ để đảm bảo an ninh, nhưng các lỗ hổng cơ bản vẫn đặt ra thách thức đối với mô hình bảo mật của chúng. Công nghệ này cần phát triển liên tục các biện pháp đối phó dựa trên hàm băm để duy trì sự an toàn.

Ngăn chặn tấn công 51%

Cuộc tấn công 51% xảy ra khi một thực thể kiểm soát hơn một nửa sức mạnh băm của mạng. Kẻ tấn công có thể chặn các giao dịch mới, ngừng thanh toán giữa người dùng và đảo ngược các giao dịch đã hoàn thành. Bitcoin Gold đã học được điều này theo cách khó khăn. Mạng đã mất khoảng 18 triệu đô la](https://hacken.io/discover/51-percent-attack/) vào năm 2018 và đối mặt với một cuộc tấn công khác vào năm 2020.

Các blockchain nhỏ không xử lý tốt các cuộc tấn công này, đặc biệt khi bạn có phân phối sức mạnh băm hạn chế. Đây là cách để ngăn chặn chúng:

• Thay đổi thuật toán đồng thuận: Việc chuyển từ Proof of Work sang Proof of Stake làm tăng đáng kể chi phí tấn công.
• Xác nhận bị trì hoãn: Thời gian xác minh giao dịch lâu hơn buộc kẻ tấn công phải duy trì quyền kiểm soát trong thời gian dài hơn.
• Phản công: Nạn nhân có thể thuê sức mạnh băm để khai thác trên chuỗi gốc và ngăn chặn kẻ tấn công

Bảo vệ chống chi tiêu gấp đôi

Chi tiêu gấp đôi là một thách thức bảo mật cơ bản khi người dùng cố gắng chi tiêu cùng một loại tiền điện tử nhiều lần. Các hàm băm kết hợp với cơ chế đồng thuận giúp ngăn chặn vấn đề này.

Mạng lưới Bitcoin có độ trễ 10 phút trong việc tạo khối sử dụng bằng chứng công việc dựa trên hash. Điều này tạo ra một rào cản thời gian khiến việc chi tiêu gấp đôi trở nên khó thực hiện. Mặc dù vậy, kẻ tấn công sử dụng các phương pháp tinh vi như các cuộc tấn công race và tấn công Finney để thao túng các quá trình xác nhận.

Mối đe dọa từ máy tính lượng tử đối với các hàm băm hiện tại

Máy tính lượng tử có thể đại diện cho mối đe dọa lớn nhất đối với bảo mật blockchain. Thuật toán Shor chạy trên máy tính lượng tử mạnh mẽ có thể phá vỡ mã hóa đường cong elip trong chữ ký số. Điều này có thể làm lộ khóa riêng tư.

Thuật toán Grover làm tăng tốc quá trình giải quyết các hàm băm như SHA-256 gấp bốn lần. Các nhà khoa học tin rằng máy tính lượng tử có thể bẻ khóa RSA trong khoảng 8 giờ. Chữ ký Bitcoin có thể trở nên dễ bị tổn thương trong vòng 30 phút.

Các nhà nghiên cứu đang tạo ra các giải pháp chống lại lượng tử để giải quyết những mối đe dọa mới này:

• Mật mã dựa trên lưới sử dụng nhiễu toán học
• Mật mã dựa trên mã với mã sửa lỗi
• Phương pháp mã hóa dựa trên hash chống lại các thuật toán lượng tử

Kết luận

Hàm băm là yếu tố sống còn của bảo mật blockchain. Các cơ chế mã hóa tinh vi này cung cấp một lá chắn không thể phá vỡ. Các đặc tính chuyển đổi một chiều và hiệu ứng tuyết lở khiến các mạng blockchain kháng cự lại các nỗ lực can thiệp.

Các nền tảng khác nhau chọn thuật toán hash dựa trên nhu cầu của họ để duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu thông qua sự chắc chắn toán học. SHA-256 của Bitcoin, Ethash của Ethereum và Blake2b của Zcash thể hiện các cách tiếp cận độc đáo cân bằng giữa bảo mật và yêu cầu hiệu suất.

Máy tính lượng tử và các cuộc tấn công 51% tạo ra những thách thức liên tục đối với bảo mật blockchain. Tiến bộ của các cơ chế bảo vệ dựa trên hàm băm vẫn rất quan trọng để duy trì lời hứa của blockchain về việc ghi chép không thể thay đổi và phi tập trung.

Những khái niệm cơ bản này giúp chúng ta hiểu tại sao các hàm băm là yếu tố quan trọng của công nghệ blockchain. Các ứng dụng blockchain hiện nay mở rộng sang nhiều ngành công nghiệp hơn, và khung bảo mật mạnh mẽ của chúng chắc chắn sẽ hình thành thế giới kỹ thuật số của chúng ta.