Hiểu về các hàm băm trong tiền điện tử

Giới thiệu: Tại sao hàm băm lại quan trọng

Các hàm băm là nền tảng công nghệ mà hầu như tất cả các hệ thống blockchain đều dựa vào. Công nghệ này, mặc dù có vẻ phức tạp, đóng vai trò quyết định trong việc bảo mật và tính toàn vẹn của dữ liệu phân tán. Đối với bất kỳ ai muốn hiểu cách thức hoạt động của các loại tiền điện tử như Bitcoin, việc nắm vững các khái niệm liên quan đến hàm băm là điều không thể thiếu.

Hàm băm là gì?

Một hàm băm đề cập đến một quy trình máy tính chuyển đổi dữ liệu đầu vào có kích thước bất kỳ thành một đầu ra có kích thước cố định. Cơ chế này dựa trên các công thức toán học tinh vi, được gọi là thuật toán băm. Mặc dù không phải tất cả các hàm băm đều tích hợp các kỹ thuật mật mã một cách hệ thống, chính các hàm băm mật mã lại là nền tảng của các hệ thống blockchain và mạng lưới phi tập trung hiện đại.

Điểm mạnh chính của các chức năng này nằm ở khả năng cung cấp một mức độ cao về tính toàn vẹn dữ liệu và an ninh thông tin. Chúng hoạt động theo nguyên tắc xác định: miễn là đầu vào không thay đổi, thuật toán sẽ tạo ra cùng một dấu vân tay băm không thay đổi. Tính chất này làm cho chúng cực kỳ đáng tin cậy để kiểm tra tính xác thực của dữ liệu.

Các đặc điểm cơ bản của thuật toán băm

Các thuật toán băm của tiền điện tử thường được thiết kế như các hàm được gọi là “một chiều”. Điều này có nghĩa là việc tạo ra một đầu ra từ một đầu vào nhất định là tương đối dễ dàng, nhưng đảo ngược quá trình này - lấy đầu vào gốc từ chỉ đầu ra - lại vô cùng khó khăn và sẽ cần đến nguồn tài nguyên máy tính khổng lồ. Sự bất đối xứng này là một yếu tố chính trong bảo mật của chúng.

Càng khó khăn để tìm lại đầu vào gốc, thuật toán càng được coi là mạnh mẽ. Sự khó khăn theo cấp số nhân này tạo thành một rào cản chống lại những nỗ lực giải mã trái phép.

Cách thức hoạt động thực tế: ví dụ với SHA-256 và SHA-1

Mỗi thuật toán băm tạo ra các đầu ra có kích thước không thay đổi. Thuật toán SHA-256, được sử dụng bởi Bitcoin, liên tục sản xuất các chuỗi dài 256 bit (64 ký tự hex ), trong khi SHA-1 tạo ra các dấu vân tay dài 160 bit.

Để minh họa tính nhất quán này, hãy áp dụng SHA-256 cho các từ “Binance” và “binance”. Cái đầu tiên tạo ra: f1624fcc63b615ac0e95daf9ab78434ec2e8ffe402144dc631b055f711225191, trong khi cái thứ hai sản xuất: 59bba357145ca539dcd1ac957abc1ec58339ddcae7f5e8b5da0c36624784b2. Một sự thay đổi đơn giản về chữ hoa chữ thường dẫn đến một đầu ra hoàn toàn khác.

Tuy nhiên, với thuật toán SHA-1, các đầu vào giống nhau tạo ra: 7f0dc9146570c608ac9d6e0d11f8d409a1ee6ed1 cho “Binance” và e58605c14a76ff98679322cca0eae7b3c4e08936 cho “binance”. Mặc dù độ dài khác nhau giữa SHA-256 và SHA-1, mỗi thuật toán giữ kích thước đầu ra của nó không thay đổi bất kể kích thước đầu vào.

Gia đình SHA : sự tiến hóa và an ninh

Từ viết tắt SHA chỉ “Thuật toán băm bảo mật” - các thuật toán băm an toàn. Gia đình này bao gồm nhiều thế hệ: SHA-0, SHA-1, các biến thể SHA-2 ( bao gồm SHA-256 và SHA-512) và SHA-3. Hiện tại, chỉ có các nhóm SHA-2 và SHA-3 được coi là an toàn cho các ứng dụng mã hóa quan trọng. SHA-0 và SHA-1 có những lỗ hổng rõ ràng.

Ba thuộc tính cơ bản của một hàm băm mật mã

Để một hàm băm được coi là thực sự an toàn về mặt mật mã, nó phải đáp ứng ba tiêu chí thiết yếu.

Khả năng chống va chạm : Một va chạm xảy ra khi hai đầu vào khác nhau tạo ra cùng một hàm băm. Mặc dù về mặt toán học, các va chạm là không thể tránh khỏi ( vì các đầu vào có thể là vô hạn trong khi đầu ra thì không), một hàm chống va chạm sẽ làm cho việc phát hiện một sự tương ứng như vậy trở nên khó khăn đến mức nó sẽ yêu cầu hàng triệu năm tính toán. SHA-256 minh họa cho sự vững chắc này; SHA-0 và SHA-1 đã không đạt tiêu chí này.

Kháng cự với tiền hình : Tính chất này đảm bảo rằng gần như không thể phát hiện được đầu vào gốc chỉ bằng cách quan sát đầu ra băm. Khác với kháng cự với va chạm, nơi kẻ tấn công tìm hai đầu vào bất kỳ tạo ra cùng một băm, ở đây kẻ tấn công xem xét một đầu ra cụ thể và cố gắng tìm lại đầu vào tương ứng. Tính năng này tỏ ra có giá trị cho việc xác thực tin nhắn và lưu trữ an toàn các mật khẩu, vì các dịch vụ web có thể lưu giữ các băm mà không tiết lộ dữ liệu gốc.

Kháng cự với hình ảnh thứ hai: Tính chất trung gian này yêu cầu rằng không thể tìm thấy một đầu vào thứ hai tạo ra cùng một hàm băm với một đầu vào đã biết. Mặc dù mọi thuật toán kháng va chạm đều nhất thiết kháng được hình ảnh thứ hai, điều ngược lại không phải lúc nào cũng đúng.

Ứng dụng đa dạng của hàm băm

Trong tin học nói chung, các hàm băm thông thường hỗ trợ tìm kiếm hiệu quả trong các cơ sở dữ liệu lớn, phân tích tệp khối lượng lớn và quản lý dữ liệu có cấu trúc. Khi tích hợp mật mã, các ứng dụng của chúng tập trung vào an ninh thông tin: xác thực thông điệp, kiểm tra tính toàn vẹn và chữ ký số.

Trong hệ sinh thái Bitcoin, chức năng băm trở nên phổ biến. Nó tham gia vào việc tạo ra địa chỉ và khóa riêng, trong việc xác minh số dư và cấu thành các liên kết giữa đầu vào và đầu ra của giao dịch. Sức mạnh thực sự của nó được thể hiện khi xử lý dữ liệu lớn: một tệp hoặc một tập hợp dữ liệu đi qua một chức năng băm tạo ra một dấu vân tay nhỏ gọn, cho phép xác thực nhanh chóng tính toàn vẹn của nó mà không cần lưu trữ toàn bộ thông tin gốc.

Vai trò quyết định trong giao thức đồng thuận

Việc khai thác Bitcoin dựa vào các hàm băm một cách mạnh mẽ. Các thợ mỏ thực hiện vô số phép toán băm để xây dựng Cây Merkle - các cấu trúc dữ liệu mà trong đó các giao dịch được nén dần qua việc băm liên tiếp. Những cây này cho phép nén hiệu quả các khối trong khi đảm bảo tính toàn vẹn mật mã của chúng.

Về cơ bản, để tạo ra một khối hợp lệ, một thợ mỏ phải tạo ra một hàm băm đầu ra bắt đầu bằng một số lượng nhất định các số không. Số lượng số không này, được gọi là độ khó khai thác, tự động điều chỉnh theo tỷ lệ băm toàn cầu của mạng - sức mạnh tính toán tập thể dành cho việc khai thác. Nếu tỷ lệ băm tăng, độ khó sẽ được tăng cường để duy trì thời gian khối trung bình gần 10 phút. Ngược lại, việc giảm tỷ lệ băm sẽ làm giảm độ khó.

Lưu ý rằng các thợ mỏ không bao giờ cố gắng giải quyết một va chạm; có nhiều hàm băm hợp lệ tồn tại cho mỗi khối ứng cử (, tất cả đều bắt đầu bằng số lượng số không cần thiết ). Các thợ mỏ chỉ cần khám phá một trong số đó. Kiến trúc này ngăn cản sự không trung thực: gian lận trong hệ thống sẽ gây ra tổn thất tài chính khổng lồ, trong khi đóng góp một cách trung thực sẽ tạo ra phần thưởng.

Chuỗi khối và liên kết mã hóa

Blockchain Bitcoin có được sự an toàn nội tại từ mối liên kết mã hóa giữa các khối của nó, được thiết lập bởi các hàm băm. Mỗi khối tham chiếu đến hàm băm của khối trước đó, tạo thành một chuỗi không thể thay đổi. Mọi nỗ lực sửa đổi một khối cũ sẽ yêu cầu tính toán lại tất cả các hàm băm của các khối tiếp theo - một nhiệm vụ tốn kém theo cấp số nhân khi blockchain kéo dài. Càng nhiều sức mạnh tính toán và số lượng thợ đào trong mạng, blockchain càng được củng cố.

Kết luận

Các hàm băm là những trụ cột công nghệ thiết yếu trong máy tính hiện đại, đặc biệt để xử lý các khối lượng dữ liệu lớn. Kết hợp với các nguyên tắc mật mã, các thuật toán băm cung cấp tính linh hoạt đáng kể để đảm bảo an ninh và xác thực dưới nhiều hình thức khác nhau. Vì lý do này, hàm băm mật mã trở nên rất quan trọng trong hầu hết tất cả các mạng tiền điện tử. Việc nắm vững các thuộc tính và cơ chế của nó là điều cần thiết cho bất kỳ ai muốn hiểu sâu về công nghệ blockchain.