Bạn có chắc chắn muốn xóa bài viết này không ?
Bạn có chắc chắn muốn xóa bình luận này không ?
Mặc dù đã xuất hiện và được đề cập đến từ giữa 2008 nhưng đến giờ Blockchain vẫn còn là một khái niệm xa lạ đối với nhiều người và chưa có nhiều ứng dụng thực tiễn ngoài việc được sử dụng trong giao dịch và thanh toán bằng tiền điện tử.
Với việc phát triển nhanh chóng của thương mại điện tử, trí tuệ nhân tạo, thực tế ảo, Internet vạn vật, blockchain đang nổi lên là một công nghệ có sức mạnh đột phá làm thay đổi cách thức chúng ta trao đổi thông tin qua mạng Internet.
Bài viết xin được trình bày một cách sơ lược về các công nghệ được sử dụng trong Blockchain, cách nó vận hành và những tiềm năng mà nó có thể mang lại.
Một mạng phân bố ngang hàng peer-2-peer (p2p) bao gồm rất nhiều các nốt mạng liên kết trực tiếp với nhau, trong đó mỗi nốt mạng có vai trò và vị trí như nhau. Một ví dụ điển hình là Bittorrent, giao thức chia sẻ file qua Internet, hoặc Napster, ứng dụng chia sẻ nhạc trực tuyến những năm 1990s.
Mạng ngang hàng cho phép hàng triệu người sử dụng có thể kết nối trực tiếp với nhau, hình thành một khối khổng lồ với khả năng tính toán và băng thông của tất cả mạng tham gia gộp lại.
Khác với mạng phân bố ngang hàng, mạng tập trung là mạng trong đó các nốt mạng cùng liên kết đến một đơn vị trung tâm, có toàn quyền quản lý việc lưu trữ và trao đổi thông tin. Điều này có thể được nhìn thấy ở bất cứ một hệ thống giao dịch tài chính, bảo hiểm hay hợp đồng đầu tư nào. Tất cả thông tin sẽ do đơn vị trung tâm nắm giữ và xử lý, tạo ra một chi phí không nhỏ cho việc duy trì, kiểm soát thông tin.
Hình 1. P2P Network vs Centralized Network
Trong mạng P2P, do không tồn tại một đơn vị trung tâm kiểm soát thông tin, độ tin cậy của mạng này phụ thuộc vào độ tin cậy của từng nốt mạng. Do đó đặt ra phải có một giải pháp mã hóa thông tin đảm bảo được tính bền vững của các giao dịch và quản lý dữ liệu ngay cả khi không có được sự trung thực của tất cả các nốt mạng. Blockchain được đề cập đến như một giải pháp như thế.
Hàm Hash là một hàm mã hóa dữ liệu với dung lượng bất kỳ để thu được một kiểu dữ liệu có độ dài nhất định. Dữ liệu sau khi bị mã hóa đảm bảo không thể tạo ngược lại dữ liệu ban đầu. Mỗi dữ liệu đầu vào khác nhau sẽ tạo ra một đoạn mã Hash khác nhau mà không có một quy luật trước. Kết quả Hash của cùng một dữ liệu ban đầu sẽ luôn cho ra cùng một đoạn mã Hash duy nhất. Hash Sha-256 là hàm mã hóa dữ liệu trong đó kết quả hash là một chuỗi số gồm 256 bits.
Với tính chất như vậy, hàm hash được dùng để chứng minh tính nguyên vẹn của dữ liệu ban đầu. Sau khi dữ liệu được hash lại, thì việc thay đổi bất kỳ giá trị nào trong dữ liệu đó sẽ sinh ra một giá trị Hash mới. Việc kiểm tra kết quả của hàm hash hiện tại với giá trị hash ban đầu sẽ kết luận được dữ liệu có bị thay đổi không trong quá trình gửi và nhận thông tin.
Trong mã hóa dữ liệu, cây Hash hay cây Merkle là một mô hình dạng cây trong đó các điểm ngọn là giá trị hash của một khối dữ liệu, các điểm khác ngọn là giá trị hash gộp của các điểm thấp hơn nó. Rễ của cây Merkle là giá trị hash của tất cả các giá trị trung gian của nó.
Hình 2. Mô hình cây Merkle với R là rễ, Tx là khối dữ liệu ban đầu
Cây Hash cho phép kiểm tra tính nguyên vẹn của một tập hợp dữ liệu lớn mà không nhất thiết phải kiểm tra tất các các khối dữ liệu ban đầu. Giả sử khối dữ liệu T1 bị thay đổi, giá trị Hash R1 của nó cũng bị thay đổi theo, giá trị Hash R12 là mã hóa hash của R1 và R2 cũng sẽ lần lượt bị thay đổi, kết quả là R bị thay đổi.
Mã hóa đối xứng sử dụng một khóa duy nhất cho việc mã hóa và giải mã dữ liệu:
Mã hóa bất đối xứng hay còn gọi là mã hóa công khai – bí mật, bao gồm một cặp khóa trong đó một khóa sẽ dùng để mã hóa và phải dùng khóa còn lại mới có thể giải mã; Cả hai khóa đều có thể dùng để mã hóa nhưng cần đến khóa còn lại để giải mã.
Hình 4. Mã hóa bất đối xứng với khóa công khai (xanh) và khóa bí mật (đen)
Giả sử Bob cần gửi một thông điệp cho Alice và trước đó, Bob và Alice đã trao đổi với nhau khóa công khai mình. Bob sẽ mã hóa thông điệp của mình sử dụng khóa công khai của Alice và gửi cho Alice, Alice nhận được thông điệp đã bị mã hóa đấy sẽ sử dụng khóa bí mật của mình để giải mã và đọc nội dung bên trong. Để gửi lại thông điệp cho Bob, Alice cũng làm tương tự, mã hóa bằng khóa công khai của Bob, và Bob sẽ sử dụng khóa bí mật của mình để giải mã. Tuy nhiên một nhân vật trung gian có thể thay đổi nội dung và mã hóa dữ liệu sử dụng một trong hai khóa công khai của hai người.
Để chắc chắn rằng thông điệp mà Alice nhận được là thuộc về Bob và không phải do một nhân vật trung g mạo danh Bob gửi đến, thì sau khi mã hóa thông điệp của mình bằng khóa công khai của Alice, Bob sẽ Hash toàn bộ thông điệp đã được mã hóa đấy thành một chuỗi ký tự, sau đó sử dụng khóa bí mật của mình để mã hóa thêm lần nữa chuỗi ký tự đấy, kết quả là một chuỗi số được gọi là chữ ký điện tử của Bob; Bob sẽ đính kèm chữ ký điện tử này trong thông điệp đã được mã hóa bằng khóa công khai của Alice và gửi đi.
Alice sau khi nhận được thông điệp đã được mã hóa và chữ ký điện tử của Bob kèm theo, sẽ giải mã thông điệp bằng khóa bí mật của mình, đồng thời Alice giải mã chữ ký điện tử của Bob với khóa công khai của Bob để thu được chuỗi kỹ tự đã Hash. Sau đó Alice chỉ việc thực hiện lại việc Hash thông điệp đã được giải mã và so sánh nó với giá trị Hash từ chữ ký điện tử của Bob để chắc chắn kết quả thu được là trùng khớp. Do chỉ có Bob mới giữ khóa bí mật, nên có thể công nhận là chỉ Bob mới tạo ra chữ ký điện tử này, và rõ ràng thông điệp trên là do Bob gửi đến.
Việc sử dụng mã Hash để liên kết đến dữ liệu gốc có thể được mở rộng thêm. Trong một môi trường nhạy cảm với những thay đổi có thể xảy ra, mục tiêu khi lưu trữ một khối lượng lớn thông tin là làm sao có thể dễ dàng và ngay lập tức phát hiện những thay đổi có thể xảy ra.
Một chuỗi, hay một danh sách liên kết, được tạo ra khi mỗi đơn vị dữ liệu đồng thời lưu trữ một giá trị Hash của đơn vị dữ liệu trước đó. Chỉ cần có một thay đổi trong dữ liệu trước đó, thì giá trị hash sẽ bị thay đổi và mối liên kết đó sẽ bị phá vỡ. Một cấu trúc như vậy phù hợp cho việc lưu trữ và liên kết các khối dữ liệu không xuất hiện đồng thời mà xảy ra lần lượt từng thời điểm.
Hình 5. Chuỗi liên kết dữ liệu
Trên hình 5, mã Hash R3 có thể dùng để truy xuất ngược lại toàn bộ dữ liệu trong chuỗi đến giá trị đầu tiên. R3 được gọi là đỉnh của chuỗi.
Kết hợp với mô hình cây Merkle, một chuỗi các giao dịch có thể được liên kết lại với nhau theo trình tự thời gian diễn ra. Ở hình 2, có thể coi các khối dữ liệu Tx là các giao dịch diễn ra đồng thời tại một thời điểm và tạo thành một cây Merkle.
Hình 5-1. Cây Merkle liên kết với nhau bằng mã Hash của cây trước đó
Hình 6. Cấu trúc một khối dữ liệu
Hình 6 mô phỏng một khối dữ liệu bao gồm phần thân là một cây Merkle chứa liên kết đến các giao dịch diễn ra trong cùng một thời điểm và phần đỉnh chứa rễ của cây merkle cùng với hàm thời gian.
Các khối tiếp kế tiếp theo trình tự thời gian khi được tạo ra sẽ gắn kèm với liên kết hash của khối trước đó. Toàn bộ cấu trúc hình thành nên một chuỗi khối hay còn gọi là blockchain.
Hình 7. Mô phỏng một liên kết blockchain
Khi mã hóa dữ liệu về một chuỗi ký tự hash, công đoạn này tiêu tốn một lượng thời gian tính toán của PC. Do đó hàm Hash có thể được một máy tính sử dụng để bắt một máy tính khác tính toán kết quả hash sao cho thỏa mãn một đề bài đặt ra.
Giả sử Bob quản lý một server hòm thư điện tử; Để tránh việc một địa chỉ gửi thư rác SPAM vào hòm thư của mọi người, Server của Bob áp đặt mọi hòm thư khi gửi email phải tìm ra một giá trị hash bất kỳ thỏa mãn điều kiện sau:
Cho một số Nonce bất kỳ kết hợp với nội dung của email và tính toán mã Hash.
Yêu cầu tìm ra số Nonce sao cho kết quả mã hóa Hash được một chuỗi ký tự có ít nhất 3 số 0 ở đầu
Bảng dưới mô tả quả trình tính toán của ví dụ trên:
Hàm Hash đảm bảo rằng không có một giải thuật hay phương pháp nào khác để đi đến kết quả như yêu cầu nhanh hơn ngoại trừ việc phải tính toán toàn bộ các trường hợp có thể. Tùy độ khó của đề bài mà công đoạn này đòi hỏi khoảng thời gian khác nhau.
Ở ví dụ trên, Server của Bob bắt buộc mọi tài khoản khi gửi email phải tính toán được mã Hash thỏa mãn đề bài và tìm được Nonce tương ứng với địa chỉ email nhận. Tiến trình này có thể mất vài chục giây, như vậy ý định SPAM thư cho một loạt tài khoản sẽ tiêu tốn một lượng lớn thời gian khiến cho công việc đấy không còn nhiều giá trị thực hiện.
Blockchain ứng dụng một cách thức tương tự khi xây dựng các khối mới để gắn vào toàn bộ chuỗi.
Khi giao dịch mới xuất hiện, một khối mới sẽ được xây dựng dựa trên giá trị hash của khối trước đó, rễ của cây Merkle liên kết đến các giao dịch mới và thời điểm ở hiện tại. Một khối mới chỉ được chấp nhận vào chuỗi khi mà kết quả mã Hash của nó thỏa mãn một lượng đủ lớn các bits 0 ở đầu. (Trong Bitcoin số lượng này là 32-72 số 0 đầu tiên trong số 256 kí tự của Sha-256)
Tiến trình tìm mã hash này được gọi là proof-of-work[][1] và được các máy tính tham gia quá trình thực hiện gọi nôm na là “đào”/”cày” hash.
Trong mạng phân bố ngang hàng P2P, mỗi nốt mạng được coi là một máy tính hay một tài khoản cá nhân được thể hiện bằng một khóa công khai (public key) và giữ bí mật khóa cá nhân (private key). Mỗi nốt mạng không chia sẻ một chuỗi khối dữ liệu chung, mà mỗi nốt sở hữu một bản sao của toàn bộ chuỗi khối do toàn bộ mạng tạo ra.
Khi một nốt mới tham gia vào mạng, nó sẽ phải đồng bộ dữ liệu về chuỗi khối với toàn bộ mạng bằng việc gửi và nhận từng khối từ các nốt mạng khác liên kết với nó.
Hình 10. Mạng Phân bố Blockchain
Khi một khối mới được tạo ra từ một nốt trong mạng, nó sẽ truyền đi thông tin của khối mới cho tất cả các nốt mạng xung quanh. Khối mới phải thỏa mãn tiến trình proof-of-work do hệ thông quy định. Nhiệm vụ của các nốt xung quanh là kiểm chứng lại kết quả mã hóa Hash của khối mới và sau đó gắn khối mới vào bản sao chuỗi khối của mình nếu như kết quả hash thỏa mãn. Khi khối mới được các nốt mạng xung quanh chấp thuận, nốt đã tạo ra khối mới sẽ nhận được một khoản phí (thường là hoa hồng của giao dịch trong khối đó); Ngược lại khi khối mới bị phát hiện có xung đột với chuỗi khối của các nốt mạng còn lại, nốt đã tạo ra khối mới sẽ bị phạt một khoản phí tương ứng và khối mới sẽ bị loại bỏ.
Việc có một khoản thù lao và phí phạt như vậy khiến các nốt cùng phải chạy đua với nhau trong việc xây dựng khối mới và quản lý việc các khối do các nốt khác tạo ra phải phù hợp và không có xung đột với chuỗi hiện tại.
Do mỗi nốt mạng sở hữu một bản sao của chuỗi khối (hay còn gọi là cuốn sổ cái) về giao dịch của toàn bộ mạng, và cùng tham gia vào việc tạo thêm khối mới từ các giao dịch xảy ra, nên tại một thời điểm có thể xuất hiện cùng lúc hai khối mới cùng thỏa mãn độ khó của proof-of-work. Mạng blockchain sẽ chia thành hai phần với một số nốt mạng phát triển tiếp theo một nhánh trong khi một số nốt khác phát triển theo thánh còn lại.
Hình 11. Blockchain với hai nhánh song song cùng tồn tại
Hình trên mô tả một blockchain với hai nhánh song song cùng tồn tại. Sẽ có một số nốt phát triển theo hướng 0 đến 3-A và đi tiếp, trong khi số khác đi theo của 3-B. Tại đây, giao dịch trong các khối 3-A và 3-B sẽ chưa được công nhận, do cả hai đều được coi là đỉnh của blockchain. Các nốt phát triển theo 3-A và 3-B tiếp tục tạo ra khối mới và nối vào với đỉnh của mình.
Đến thời điểm tiếp theo, khi mà nhánh 3-A tạo được khối mới gắn tiếp vào trước và thông báo đến được hơn 51% nốt mạng, thì tất cả sẽ cùng chuyển sang đi theo nhánh 3-A để đi tiếp. 3-B sẽ trở thành nhánh cụt, và giao dịch nằm trong 3-B sẽ được các nốt mạng tính toán lại Hash để xây dựng khối mới.
Hình 12. Blockchain công nhận nhánh dài hơn
Ở trên là cách thức Blockchain quy ước nhánh nhiều chuỗi khối nhất là nhánh có các giao dịch hợp lệ được chấp nhận. Ngoài ra cũng có trường hợp Blockchain sử dụng nhánh mà có tổng độ khó của thuật toán tìm Hash (proof-of-work) cao nhất làm nhánh hợp lệ [][2].
Ở hình dưới, giả sử tất cả các nhánh có độ khó là 1 (tương ứng 10 ký tự 0 ở đầu), riêng nhánh 4-B có độ khó bằng 2, tổng độ khó từ 0 đến 4-B sẽ cao nhất, và được các nốt chọn làm nhánh hợp lệ và đi tiếp.
Hình 13. Blockchain công nhận nhánh có khối lượng tính toán lớn nhất
Chú ý là các khối 0 đến 2 nằm sâu trong cùng và gần như không còn thay đổi sau khi các khối tiếp theo được gắn tiếp vào, các khối 0 đến 2 sẽ trở thành cố định, các giao dịch trong khối này sẽ được công nhận là chính xác.
Tất cả các nốt mạng khi tham gia vào Blockchain đều phải tuân thủ quy tắc này, bởi nếu không thì không được các nốt khác công nhận khối mới do nốt đó tạo ra, và như vậy giao dịch không được thực hiện cũng như không nhận được phí hoa hồng do quá trình “cày” mã Hash tạo ra.
Để hiểu rõ hơn về mục đích của việc “đào” mã Hash, hãy xét một trường hợp cụ thể khi blockchain bị lợi dụng với mục đích xấu trong thanh toán điện tử - Chi hai lần (double spending problem). Kế hoạch tấn công của một nốt mạng X sẽ như sau:
Do công việc tìm ra giá trị Nonce thỏa mãn một số lượng bit 0 tiêu tốn khá nhiều thời gian và điện năng, cũng như yêu cầu về tốc độ CPU, nên để duy trì và tạo động lực cho các nốt tham gia vào quá trình này một cách tự nguyện, các nốt cần được hưởng một sự bù đắp tương xứng. Để định nghĩa một sự đền bù cho các nốt mạng trong việc kiểm duyệt và xây dựng các khối mới cho chuỗi blockchain, cần xét đến tổng thể mô hình mạng blockchain.
Blockchain là một mạng ngang hàng phi tập trung giữa các nốt với nhau, cho nên hình thức của sự đền bù cũng phải phi tập trung hóa, nghĩa là không do bất cứ một đơn vị nào phát hành hay kiểm soát. Được tất cả các nốt chấp thuận làm căn cứ trao đổi, giao dịch. Đồng thời nó phải mang đầy đủ giá trị có thể quy đổi được về mặt vật chất để đền bù công sức tính toán mà các nốt bỏ ra.
Như vậy thuật ngữ tiền mã hóa (Cryptographic Currencies) xuất hiện và gắn liền với blockchain. Thực tế ứng dụng blockchain đầu tiên được tạo ra với mục đích là cách thức để lưu hành cho một đơn vị tiền tệ mới dưới dạng kỹ thuật số mà không chịu sự kiểm soát của bất kỳ một đơn vị trung tâm nào; Cùng với đó là sử dụng chính đơn vị tiền tệ này để làm phương tiện trả công cho các nốt mạng trong việc xây dựng và kiểm duyệt các khối mới được tạo ra.
Như trên đã đề cập, Bitcoin chính là một hệ thống ngang hàng phi tập trung quản lý quyền sở hữu và lưu thông của đơn vị tiền Bitcoin đồng thời sử dụng chính đơn vị tiền này để trả công cho các nốt mạng thực hiện việc tính toán dữ liệu trong giao dịch Bitcoin.
Blockchain là một mạng ngang hàng của tất cả các nốt, trong đó mỗi nốt lưu trữ một bản sao tất cả giao dịch trong hệ thống. Mỗi giao dịch đều có thể được bất kỳ nốt nào kiểm tra và xác minh. Nếu không có tính chất này, blockchain sẽ không thể đảm bảo sự tin cậy của tất cả các nốt. Tuy nhiên điều này cũng thường được coi là giới hạn đối với những ứng dụng yêu cầu cao về tính riêng tư.
Blockchain đảm bảo dữ liệu lưu trữ không thể bị sửa đổi dựa vào việc giải hàm mã hóa Hash proof-of-work. Mục tiêu của việc giải hàm Hash để tiêu tốn một khoảng thời gian nhất định, làm cho quá trình giả mạo thông tin trở nên quá đắt đỏ. Tuy nhiên phương pháp bảo mật này cũng làm hạn chế khả năng mở rộng của blockchain. Trong Bitcoin mỗi 10 phút mới có một khối mới được tạo ra [4], và mỗi khối lưu được khoảng 20’000 giao dịch (một khối bị giới hạn kích thước 1MB), tương đương chỉ 3~5 giao dịch mỗi giây. So sánh với VISA lượng giao dịch lên đến 24’000 giao dịch một giây [][5].
Việc giải hàm mã hóa Hash yêu cầu máy tính có cấu hình đủ mạnh, cho nên một số nốt khi tham gia vào mạng blockchain sẽ không thể cạnh tranh được với các nốt khác về thời gian xây dựng khối mới. Kết quả là một mạng lưới lớn của các nốt mạng ngang hàng phi tập trung sẽ hội tụ dần về một nhóm nhỏ hơn các nốt mạng tập trung lượng lớn sức mạnh tính toán. Nhóm nhỏ này sẽ có khả năng đưa ra quyết định về hướng đi của các nhánh trong chuỗi liên kết blockchain, gián tiếp trở thành trung tâm chi phối toàn bộ thông tin của mạng.
Blockchain tích hợp cùng lúc nhiều cấu trúc và khái niệm phức tạp đan xen với nhau. Việc cơ cấu hay tái cấu trúc hệ thống Blockchain là vấn đề vô cùng khó khăn do phải có sự đồng thuận của tất cả các nốt mạng. Thực tế chưa có một khái niệm nào rõ ràng cho việc thay đổi hay tái cấu trúc mạng Blockchain sau khi nó đã được đưa vào vận hành. Vấn đề này khiến cho Blockchain kém linh hoạt hơn so với các công nghệ khác đang được áp dụng.
Mặc dù có những hạn chế nhất định nhưng Blockchain hứa hẹn có thể thay đổi cách thức con người lưu trữ và giao dịch thông tin trong thời đại kỹ thuật số.
Không có giới hạn nào về kiểu dữ liệu được lưu trữ trong một chuỗi khối, do đó có thể kể đến một số ứng dụng của blockchain như:
Blockchain là một mạng ngang hàng của các nốt, cùng quản lý và lưu trữ tất cả dữ liệu. Điểm căn bản là không tồn tại môt đơn vị trung tâm để quản lý và điều hành, mà mỗi nốt đều tự cập nhật và xây dựng cho mình một bản sao về toàn bộ thông tin trong mạng, và đồng thuận với nhau về nội dung của các thông tin đó. Cùng với đó, mỗi nốt liên tục tham gia vào việc tạo thêm các khối thông tin mới để liên kết vào chuỗi thông tin đã có và kiểm duyệt các khối thông tin do các nốt khác tạo ra.
[1]: Nakamoto, Satoshi. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system. 2008. https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.
[2]: Wood, Gavin. Ethereum: A secure decentralized generalized transaction ledger. 2014. http://gavwood.com/paper.pdf; Okupski, Krzysztof. Bitcoin developer reference. Working paper. 2014.
[3]: Cihat Imamoglu, A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform, https://github.com/ethereum/wiki/wiki/White-Paper
[4]: Nakamoto, Satoshi. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system. 2008. https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.
[5]: VISA - Security and reliability https://usa.visa.com/run-your-business/small-business-tools/retail.html
