Băm trong Blockchain hoạt động như thế nào?

Hàm băm mật mã, một thuật ngữ thường được nghe trong bối cảnh bitcoin và tiền điện tử, là nền tảng của công nghệ blockchain. Hàm toán học này nhận đầu vào hoặc "thông báo" và chuyển đổi nó thành một chuỗi ký tự có kích thước cố định, được gọi là "băm".

Băm, quá trình áp dụng hàm băm cho đầu vào, là một yếu tố quan trọng không chỉ trong giao thức bitcoin mà còn trong phạm vi bảo mật thông tin rộng hơn. Trong blockchain, quá trình này thường liên quan đến việc chuyển đổi dữ liệu trong một khối thành hàm băm sau đó được lưu trữ trong khối đó.

Cơ chế này rất quan trọng để duy trì tính bảo mật và tính toàn vẹn của blockchain. Bằng cách hiểu vai trò của hàm băm, người ta sẽ hiểu rõ hơn về các khía cạnh nền tảng của công nghệ chuỗi khối và tầm quan trọng của nó trong cả lĩnh vực tiền điện tử và bảo mật thông tin.

Hàm băm trong tiền điện tử là gì?

Về cơ bản, hàm băm là một phép toán chấp nhận đầu vào có kích thước bất kỳ, xử lý nó và tạo ra đầu ra có kích thước cố định, được gọi là hàm băm. Sự chuyển đổi này là nhất quán: bất kể độ dài của đầu vào – có thể là một chữ cái, một từ, một câu hay toàn bộ cuốn sách – hàm băm, thường được gọi là bản tóm tắt, vẫn duy trì độ dài không đổi.

Tính năng này của hàm băm được sử dụng rộng rãi trong bảo mật thông tin, đặc biệt là bảo vệ mật khẩu. Khi bạn đăng ký một tài khoản trên một trang web, mật khẩu của bạn sẽ được chuyển đổi bằng hàm băm, dẫn đến một bản tóm tắt băm sau đó được dịch vụ lưu trữ. Khi đăng nhập, mật khẩu bạn nhập sẽ trải qua cùng một hàm băm và hàm băm thu được sẽ được so sánh với mật khẩu được lưu trữ để xác minh danh tính của bạn.

Phương pháp này tăng cường bảo mật vì ngay cả khi tin tặc có quyền truy cập vào cơ sở dữ liệu bằng các bản tóm tắt băm này thì việc giải mã mật khẩu ban đầu từ hàm băm là vô cùng khó khăn. Điều này là do thiết kế của hàm băm, khiến cho việc đảo ngược quá trình hoặc tìm hai đầu vào khác nhau tạo ra cùng một đầu ra băm là không thể tính toán được (một thuộc tính được gọi là khả năng chống va chạm).

Ngoài ra, các hệ thống hiện đại thường triển khai 'muối', một kỹ thuật trong đó một giá trị duy nhất được thêm vào mật khẩu trước khi băm. Điều này đảm bảo rằng ngay cả những mật khẩu giống hệt nhau cũng dẫn đến các giá trị băm khác nhau, làm phức tạp thêm nỗ lực của tin tặc trong việc sử dụng các bảng được tính toán trước (như bảng cầu vồng) để bẻ khóa mật khẩu. Cơ chế bảo mật mạnh mẽ này là không thể thiếu trong việc bảo vệ dữ liệu người dùng trên nhiều nền tảng trực tuyến khác nhau.

Các chức năng chính của băm

Băm, một khía cạnh cơ bản của công nghệ blockchain, phục vụ một số chức năng quan trọng:

Tăng cường bảo mật : Các hàm băm được thiết kế để hoạt động một chiều, khiến việc quay lại đầu vào ban đầu từ hàm băm của nó trở nên cực kỳ khó khăn. Đặc điểm này rất quan trọng trong blockchain, vì việc thay đổi dữ liệu trong một khối sẽ thay đổi hàm băm của nó. Do đó, mọi sửa đổi đều trở nên rõ ràng, bảo vệ tính toàn vẹn của blockchain. Bản chất băm một chiều này ngăn chặn khả năng giả mạo dữ liệu, duy trì độ tin cậy của chuỗi khối.

Tạo điều kiện xác minh dữ liệu : Băm là công cụ xác minh tính xác thực của dữ liệu blockchain. Bằng cách so sánh hàm băm của khối với hàm băm được tham chiếu trong khối tiếp theo, có thể xác nhận tính toàn vẹn của dữ liệu. Trong các mạng như Bitcoin, mỗi khối bao gồm hàm băm của khối trước đó, tạo ra một chuỗi phụ thuộc lẫn nhau. Bất kỳ nỗ lực nào nhằm thay đổi dữ liệu trước đó sẽ làm gián đoạn chuỗi này, làm mất hiệu lực các giá trị băm tiếp theo và cảnh báo mạng về khả năng giả mạo.

Hoạt động như con trỏ khối : Băm cũng có chức năng như con trỏ trong chuỗi khối. Bằng cách lưu trữ hàm băm của khối trong khối sau, một liên kết tuần tự được thiết lập. Phương thức liên kết này tạo thành cấu trúc của blockchain, trong đó mỗi khối được kết nối với nhau thông qua hàm băm duy nhất của nó, đảm bảo chuỗi dữ liệu theo trình tự thời gian và không bị gián đoạn.

Hỗ trợ các cơ chế đồng thuận : Trong các mạng blockchain sử dụng cơ chế đồng thuận bằng chứng công việc (PoW), như Bitcoin, băm là then chốt. Người khai thác phải giải các câu đố phức tạp liên quan đến hàm băm để xác thực và thêm các khối mới vào chuỗi khối. Độ khó của những câu đố này có thể điều chỉnh được, điều chỉnh tốc độ tạo khối mới và duy trì sự ổn định của mạng. Quá trình này đảm bảo một phương pháp phi tập trung và dân chủ để xác thực các giao dịch và duy trì chuỗi khối.

Nhìn chung, băm không chỉ là một tính năng bảo mật; nó là một công cụ đa diện giúp củng cố chức năng, tính toàn vẹn và độ tin cậy của mạng blockchain. Bằng cách cho phép lưu trữ dữ liệu an toàn, có thể kiểm chứng và liên kết với nhau, việc băm là không thể thiếu trong hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy của các hệ thống blockchain.

Băm thường hoạt động như thế nào?

Quá trình băm là không thể thiếu đối với tính bảo mật và toàn vẹn dữ liệu, bao gồm một số bước chính:

Xử lý dữ liệu đầu vào thông qua thuật toán băm : Quá trình băm bắt đầu bằng dữ liệu đầu vào, có thể là bất kỳ thứ gì từ chuỗi văn bản đến tệp hoặc một chuỗi giao dịch trong chuỗi khối. Đầu vào này trải qua quá trình xử lý bằng thuật toán băm, áp dụng nhiều phép toán và logic khác nhau. Các hoạt động này có thể bao gồm các phép biến đổi toán học, các phép toán bitwise và các hàm logic, chuyển đổi đầu vào thành hàm băm.

Tạo một hàm băm duy nhất dưới dạng dấu vân tay kỹ thuật số : Kết quả của quá trình này là một hàm băm, giống như dấu vân tay kỹ thuật số của đầu vào ban đầu. Hàm băm này, thường là một chuỗi ký tự thập lục phân, có độ dài cố định và thay đổi tùy theo thuật toán đã chọn. Điểm mấu chốt của việc băm nằm ở bản chất hàm một chiều của nó, khiến cho việc thiết kế ngược dữ liệu đầu vào ban đầu từ hàm băm trở nên cực kỳ khó khăn. Đặc điểm này rất quan trọng trong các tình huống như blockchain, trong đó việc thay đổi dữ liệu trong một khối sẽ thay đổi hàm băm của nó, từ đó cảnh báo khả năng thao túng dữ liệu.

Lưu trữ hàm băm dưới dạng chữ ký số : Sau khi được tạo, hàm băm được lưu trữ cùng với dữ liệu trong một khối, hoạt động như một chữ ký số xác minh tính toàn vẹn của dữ liệu. Khi cần truy xuất dữ liệu, việc tính toán lại hàm băm và khớp nó với hàm băm được lưu trữ sẽ xác nhận rằng không có sự giả mạo.

Ngoài các bước này, thuật toán băm đóng vai trò then chốt trong các ứng dụng bảo mật khác:

Hệ thống xác thực mật khẩu: Trong các hệ thống như vậy, mật khẩu của người dùng được băm và sau đó được so sánh với hàm băm được lưu trữ của mật khẩu chính xác. Sự trùng khớp sẽ cấp quyền truy cập, đảm bảo rằng ngay cả khi cơ sở dữ liệu mật khẩu bị xâm phạm, mật khẩu thực tế vẫn được ẩn do sự phức tạp của việc đảo ngược hàm băm.

Về bản chất, băm đóng vai trò là công cụ cơ bản để đảm bảo tính bảo mật và toàn vẹn dữ liệu trên nhiều ứng dụng khác nhau, từ giao dịch blockchain đến bảo vệ mật khẩu. Bản chất một chiều và sự phức tạp của các hoạt động liên quan khiến nó trở thành một phương pháp mạnh mẽ để bảo vệ thông tin kỹ thuật số.

Các phương pháp băm phổ biến phổ biến trong các hệ thống blockchain

Công nghệ chuỗi khối sử dụng nhiều thuật toán băm khác nhau, mỗi thuật toán có đặc điểm riêng biệt để đảm bảo tính bảo mật và toàn vẹn dữ liệu. Một số thuật toán băm đáng chú ý nhất được sử dụng trong blockchain là:

SHA-256 (Thuật toán băm an toàn 256-bit) : Được phát triển bởi Cơ quan An ninh Quốc gia (NSA) vào năm 2001, SHA-256 là thuật toán băm nổi bật trong lĩnh vực blockchain. Nó tạo ra một chuỗi 64 ký tự, tạo thành hàm băm 256 bit. Các tính năng bảo mật mạnh mẽ của nó đã khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều loại tiền điện tử, bao gồm cả Bitcoin.

Scrypt : Scrypt là một hàm phái sinh khóa được thiết kế để sử dụng nhiều bộ nhớ hơn các thuật toán khác. Yêu cầu bộ nhớ tăng lên này giúp nó có khả năng chống lại các cuộc tấn công bằng phần cứng chuyên dụng tốt hơn. Scrypt được sử dụng trong nhiều loại tiền điện tử khác nhau, bao gồm Litecoin, tăng cường tính bảo mật của chúng trước các mối đe dọa dựa trên phần cứng.

Ethash : Được thiết kế riêng cho chuỗi khối Ethereum, Ethash là một thuật toán băm cứng trên bộ nhớ. Nó được thiết kế để chống lại các công cụ khai thác ASIC (Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng), là phần cứng chuyên dụng cao được thiết kế để khai thác tiền điện tử hiệu quả. Thiết kế của Ethash nhằm mục đích dân chủ hóa quy trình khai thác, giúp nhiều người tham gia có thể tiếp cận nó hơn.

Equihash : Equihash là một thuật toán băm giới hạn bộ nhớ khác được biết đến với khả năng chống khai thác ASIC. Nó được sử dụng bởi một số loại tiền điện tử, chẳng hạn như Zcash , để thúc đẩy bối cảnh khai thác công bằng hơn, nơi phần cứng chuyên dụng mang lại ít lợi thế hơn.

Về bản chất, mặc dù các thuật toán này khác nhau về cách tiếp cận và các thuộc tính cụ thể, nhưng chúng đều có chung một mục đích: chuyển đổi đầu vào thành hàm băm có kích thước cố định. Hàm băm này hoạt động như một dấu vân tay kỹ thuật số duy nhất của đầu vào, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính bảo mật và tính xác thực của các giao dịch và dữ liệu blockchain.

Trong băm, khả năng chống va chạm là đặc điểm chính

Trong băm, xung đột đề cập đến sự xuất hiện trong đó hai đầu vào riêng biệt tạo ra cùng một đầu ra băm. Về mặt lý thuyết, điều này có thể thực hiện được vì tập hợp tất cả các đầu ra băm có thể có là hữu hạn, trong khi tập hợp các đầu vào tiềm năng là vô hạn. Tuy nhiên, khả năng xảy ra xung đột trong thực tế là đặc biệt thấp, khiến các thuật toán băm có khả năng chống lại những trường hợp như vậy, mặc dù không hoàn toàn miễn nhiễm.

Lấy ví dụ về SHA-256, được sử dụng trong chuỗi khối của Bitcoin, nó tạo ra các hàm băm có độ dài 256 bit. Điều này có nghĩa là có thể có 2^256 tổ hợp băm duy nhất, một con số quá lớn đến mức khó có thể hiểu được. Để dễ hình dung, 2^256 gần tương đương với số lượng nguyên tử trong vũ trụ quan sát được.

Về mặt lý thuyết, khi số lượng đầu vào vượt quá tổng số giá trị băm duy nhất có thể có, ít nhất hai đầu vào sẽ mang lại cùng một giá trị băm, dẫn đến xung đột. Nhưng trên thực tế, số lượng lớn các tổ hợp duy nhất trong SHA-256 khiến cho xác suất thực tế xảy ra một vụ va chạm như vậy là không đáng kể.

Số lượng đầu ra tiềm năng khổng lồ này bảo vệ việc băm không bị khai thác. Quy mô tuyệt đối của những con số này đảm bảo xác suất va chạm cực kỳ thấp, góp phần đảm bảo tính bảo mật và độ tin cậy của việc băm trong công nghệ blockchain. Bất chấp khả năng về mặt lý thuyết, những rủi ro thực tế của những lần xuất hiện như vậy trong các thuật toán băm được thiết kế tốt như SHA-256 là cực kỳ nhỏ, củng cố tính hiệu quả của chúng trong việc đảm bảo các giao dịch kỹ thuật số và tính toàn vẹn dữ liệu trong hệ thống blockchain.

Hàm băm được thiết kế không thể đảo ngược

Đảo ngược hàm băm để xác định đầu vào ban đầu của nó là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn, gần như không thể thực hiện được với công nghệ hiện tại. Về cơ bản, hàm băm được thiết kế để trở thành các quy trình một chiều. Với một đầu ra, hầu như không thể suy ra đầu vào ban đầu đã tạo ra nó.

Phương pháp chính để cố gắng đảo ngược này được gọi là vũ lực, bao gồm việc thử một cách có hệ thống mọi chuỗi có thể cho đến khi tìm được chuỗi đúng. Tuy nhiên, tính thực tế của phương pháp này rất đáng nghi ngờ. Sức mạnh tính toán cần thiết để thực hiện một thao tác như vậy vượt quá khả năng của ngay cả những siêu máy tính tiên tiến nhất.

Ví dụ, hãy xem xét IBM Summit, một trong những siêu máy tính mạnh nhất thế giới, có khả năng thực hiện hàng nghìn tỷ phép tính mỗi giây. Ngay cả với sức mạnh xử lý to lớn này, Summit sẽ cần một khoảng thời gian cắt cổ, có thể kéo dài hàng năm và một lượng năng lượng đáng kinh ngạc để thiết kế ngược thành công một hàm băm duy nhất. Kịch bản này nêu bật tính phi thực tế và gần như không thể đảo ngược các giá trị băm, đặc biệt là những giá trị phức tạp như SHA-256 được sử dụng trong công nghệ chuỗi khối.

Khó khăn cố hữu này củng cố khía cạnh bảo mật của việc băm trong các ứng dụng mật mã. Nó đảm bảo rằng dữ liệu nhạy cảm, sau khi được băm, vẫn an toàn trước những nỗ lực giải mã phức tạp nhất, biến hàm băm trở thành nền tảng của các giao thức an ninh mạng hiện đại và tính toàn vẹn của blockchain.