Tại sao Blockchain lại an toàn? Các cơ chế quan trọng hình thành nên sự bảo mật của Blockchain

Các blockchain được bảo mật thông qua nhiều cơ chế bao gồm các kỹ thuật mã hóa tiên tiến và các mô hình toán học về hành vi và ra quyết định. Công nghệ blockchain là cấu trúc nền tảng của hầu hết các hệ thống tiền điện tử và cũng là thứ ngăn chặn việc các đồng tiền kỹ thuật số này bị trùng lặp hoặc phá hủy.

Việc ứng dụng công nghệ blockchain cũng đang được nghiên cứu trong các điều kiện và lĩnh vực khác, nơi mà tính bất biến và bảo mật dữ liệu được yêu cầu cao, ví dụ việc ghi lại và theo dõi quyên góp từ thiện, cơ sở dữ liệu y tế và quản lý chuỗi cung ứng.

Tuy nhiên, bảo mật blockchain không phải là một chủ đề đơn giản. Do đó, điều quan trọng là phải hiểu các khái niệm và cơ chế cơ bản mang lại sự bảo vệ mạnh mẽ cho các hệ thống sáng tạo này.

Các khái niệm về sự bất biến và đồng thuận

Mặc dù nhiều tính năng đóng vai trò bảo mật liên quan đến blockchain, hai trong số những tính năng quan trọng nhất là các khái niệm về sự đồng thuận và bất biến. Đồng thuận đề cập đến khả năng của các node trong mạng blockchain phân tán để đồng ý, công nhận về trạng thái thực của mạng lưới và về tính hợp lệ của các giao dịch. Thông thường, quá trình đạt được sự đồng thuận phụ thuộc vào thuật toán đồng thuận.

Mặt khác, tính bất biến đề cập đến khả năng của blockchain để ngăn chặn sự thay đổi của các giao dịch đã được xác nhận. Mặc dù các giao dịch này thường là các giao dịch chuyển tiền điện tử, nhưng chúng cũng có thể là hồ sơ các dạng dữ liệu số phi tiền tệ khác.

Đồng thuận và bất biến cung cấp khuôn khổ cho bảo mật dữ liệu trong các mạng blockchain. Các thuật toán đồng thuận đảm bảo rằng các quy tắc của hệ thống đang được tuân theo và tất cả các bên liên quan đều đồng ý về trạng thái hiện tại của mạng, trong khi tính không thay đổi đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và hồ sơ giao dịch sau khi mỗi khối dữ liệu mới được xác nhận là hợp lệ.

Vai trò của mật mã trong bảo mật blockchain

Blockchain phụ thuộc rất nhiều vào mật mã để đạt được bảo mật dữ liệu của họ. Trong trường hợp này, các hàm băm mật mã có vai trò nền tảng. Băm là một quá trình trong đó thuật toán (hàm băm – hash function) nhận đầu vào dữ liệu có kích thước bất kỳ và trả về đầu ra (chuỗi băm – hash) có chứa kích thước (hoặc độ dài cố định) có thể dự đoán được.

Bất kể kích thước đầu vào như thế nào, đầu ra sẽ luôn luôn có cùng độ dài. Nhưng nếu đầu vào thay đổi, đầu ra sẽ hoàn toàn khác. Tuy nhiên, nếu đầu vào không thay đổi, chuỗi băm đầu ra kết quả sẽ luôn giống nhau – bất kể bạn chạy hàm băm bao nhiêu lần.

Trong blockchain, các giá trị đầu ra này, được gọi là chuỗi băm (hash), được sử dụng làm định danh duy nhất cho các khối (block) dữ liệu. Chuỗi băm của mỗi khối được tạo liên quan đến chuỗi băm của khối trước đó và đó là thứ tạo ra một chuỗi các khối được liên kết. Chuỗi băm khối phụ thuộc vào dữ liệu chứa trong khối đó, có nghĩa là mọi sự thay đổi được thực hiện đối với dữ liệu sẽ dẫn đến sự thay đổi đối với chuỗi băm khối.

Do đó, chuỗi băm của mỗi khối được tạo dựa trên cả dữ liệu chứa trong khối đó và chuỗi băm của khối trước đó. Các mã định danh băm này đóng vai trò chính trong việc đảm bảo tính bảo mật và tính bất biến của blockchain.

Băm cũng được tận dụng trong các thuật toán đồng thuận được sử dụng để xác nhận các giao dịch. Ví dụ, trên blockchain Bitcoin, thuật toán Proof of Work (PoW) sử dụng hàm băm có tên SHA-256. Đúng như tên gọi, SHA-256 nhận dữ liệu đầu vào và trả về hàm băm dài 256 bit hoặc 64 ký tự.

Ngoài việc cung cấp sự bảo vệ cho các hồ sơ giao dịch trên sổ cái, mật mã cũng đóng một vai trò trong việc đảm bảo tính bảo mật của các ví được sử dụng để lưu trữ các đơn vị tiền điện tử. Các khóa công khai và khóa bảo mật được ghép tương ứng cho phép người dùng nhận và gửi thanh toán được tạo thông qua việc sử dụng mật mã khóa bất đối xứng hoặc khóa công khai. Khóa bảo mật được sử dụng để tạo chữ ký số cho các giao dịch, giúp xác thực quyền sở hữu đối với các đồng tiền đang được gửi.

Mặc dù các chi tiết cụ thể nằm ngoài phạm vi của bài viết này, bản chất của mật mã bất đối xứng ngăn không cho bất kỳ ai trừ người giữ khóa bảo mật truy cập tiền được lưu trữ trong ví tiền điện tử, do đó giữ cho các khoản tiền đó an toàn cho đến khi chủ sở hữu quyết định chi tiêu chúng (miễn là khóa bảo mật không bị chia sẻ hoặc xâm phạm).

Hệ thống kinh tế học xây dựng trên nền tảng blockchain: Kinh tế học crypto (Cryptoeconomics)

Ngoài mật mã, một khái niệm tương đối mới được gọi là kinh tế học crypto cũng đóng một vai trò trong việc duy trì tính bảo mật của các mạng blockchain. Nó liên quan đến một lĩnh vực nghiên cứu được gọi là lý thuyết trò chơi, trong đó toán học mô hình hóa việc ra quyết định của các tác nhân hợp lý trong các tình huống với các quy tắc và phần thưởng được xác định trước. Trong khi lý thuyết trò chơi truyền thống có thể được áp dụng rộng rãi cho một loạt các trường hợp, kinh tế học crypto mô hình cụ thể và mô tả hành vi của các node trên các hệ thống blockchain phân tán.

Nói tóm lại, kinh tế học crypto là nghiên cứu về tính kinh tế trong các giao thức blockchain và kết quả có thể xảy ra, mà thiết kế của chúng có thể xuất hiện dựa trên hành vi của người tham gia. Bảo mật thông qua kinh tế học crypto dựa trên khái niệm rằng các hệ thống blockchain cung cấp các khuyến khích lớn hơn cho các node hành động trung thực hơn là áp dụng các hành vi độc hại hoặc bị lỗi. Một lần nữa, thuật toán đồng thuận Proof of Work được sử dụng trong khai thác Bitcoin cung cấp một ví dụ điển hình về cấu trúc khuyến khích này.

Khi Satoshi Nakamoto tạo ra khuôn khổ cho khai thác Bitcoin, nó được thiết kế có chủ ý là một quá trình tốn kém và tốn nhiều tài nguyên. Do sự phức tạp và nhu cầu tính toán của nó, khai thác PoW liên quan đến một khoản đầu tư đáng kể về tiền bạc và thời gian – bất kể node khai thác ở đâu và của ai. Do đó, cấu trúc như vậy làm giảm các hoạt động độc hại và khuyến khích đáng kể cho hoạt động khai thác trung thực. Các node không trung thực hoặc không hiệu quả sẽ nhanh chóng bị trục xuất khỏi mạng blockchain, trong khi các công cụ khai thác trung thực và hiệu quả có khả năng nhận được phần thưởng khối đáng kể.

Tương tự, sự cân bằng rủi ro và phần thưởng này cũng cấp cho sự bảo vệ chống lại các cuộc tấn công tiềm tàng có thể làm suy yếu sự đồng thuận bằng cách đặt tỷ lệ băm đa số của mạng blockchain vào tay một nhóm hoặc một thực thể. Các cuộc tấn công như vậy, được gọi là các cuộc tấn công 51% – hoặc tấn công quá bán, có thể cực kỳ tai hại nếu được thực hiện thành công. Do tính cạnh tranh của việc khai thác Proof of Work và độ lớn của mạng Bitcoin, khả năng một “tay chơi” độc hại giành quyền kiểm soát phần lớn các node là vô cùng nhỏ.

Hơn nữa, chi phí cho sức mạnh tính toán cần thiết để đạt được 51% quyền kiểm soát của một mạng blockchain lớn là khổng lồ. Đầu tư lớn cho phần thưởng tiềm năng tương đối nhỏ – Thực tế này góp phần tạo nên một đặc tính của blockchain được gọi là Byzantine Fault Tolerance (BFT), về cơ bản là khả năng hệ thống phân tán tiếp tục hoạt động bình thường ngay cả khi một số node bị xâm phạm hoặc hành động độc hại.

Miễn là chi phí thiết lập phần lớn các node độc hại vẫn quá cao so với kết quả thu về và những cơ chế khuyến khích cho các hoạt động trung thực, hệ thống sẽ có thể phát triển mạnh mà không bị gián đoạn đáng kể. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là các mạng blockchain nhỏ chắc chắn dễ bị tấn công đa số vì tổng tỷ lệ băm dành cho các hệ thống đó thấp hơn đáng kể so với Bitcoin.

Lời kết

Thông qua việc sử dụng kết hợp lý thuyết trò chơi và mật mã, blockchain có thể đạt được mức độ bảo mật cao như các hệ thống phân tán. Tuy nhiên, như với gần như tất cả các hệ thống, điều quan trọng là hai lĩnh vực kiến thức này được áp dụng đúng cách. Một sự cân bằng cẩn thận giữa phân cấp và bảo mật là rất quan trọng để xây dựng một mạng lưới tiền điện tử đáng tin cậy và hiệu quả.

Khi việc sử dụng blockchain tiếp tục phát triển, hệ thống bảo mật của chúng cũng sẽ thay đổi để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng khác nhau. Các blockchain riêng tư (private blockchain) hiện đang được phát triển cho các doanh nghiệp kinh doanh, ví dụ, phụ thuộc nhiều vào bảo mật thông qua kiểm soát truy cập hơn là các cơ chế lý thuyết trò chơi (hay tiền điện tử) không thể thiếu đối với sự an toàn của hầu hết các blockchain công khai (public blockchain).