Hashes là gì? Công nghệ thúc đẩy sự an toàn trong thế giới blockchain

Chức năng Hàm băm là một quá trình toán học tạo ra một đầu ra có kích thước cố định từ dữ liệu đầu vào có kích thước biến đổi. Quá trình này được thực hiện thông qua các công thức toán học cụ thể được gọi là hàm băm, được triển khai thông qua các thuật toán tính toán.

Mặc dù có những hàm băm không tích hợp các yếu tố mật mã, nhưng những gì được gọi là hàm băm mật mã là công nghệ cốt lõi của tiền điện tử. Nhờ vào những hàm này, các mạng blockchain và các hệ thống phân tán khác đạt được mức độ bảo mật và tính toàn vẹn đáng kể trong dữ liệu của chúng.

Các đặc điểm cơ bản của các hàm băm

Tất cả các chức năng Hàm băm, cả thông thường lẫn mã hóa, đều chia sẻ một thuộc tính thiết yếu: tính xác định. Điều này có nghĩa là khi dữ liệu đầu vào không thay đổi, thuật toán hàm băm sẽ luôn tạo ra cùng một kết quả (còn được gọi là digest hoặc hàm băm).

Các hàm băm được sử dụng trong tiền điện tử được thiết kế như các hàm một chiều, điều này có nghĩa là gần như không thể đảo ngược chúng mà không đầu tư một lượng thời gian và tài nguyên tính toán khổng lồ. Về mặt thực tiễn, rất dễ dàng để tạo ra một đầu ra từ một đầu vào, nhưng cực kỳ khó khăn để thực hiện quá trình ngược lại (suy luận đầu vào từ một đầu ra). Theo quy tắc chung, càng phức tạp để có được đầu vào gốc từ hàm băm, thì thuật toán càng được coi là an toàn.

Hoạt động của một hàm băm

Các hàm băm khác nhau tạo ra kết quả có kích thước khác nhau, nhưng kích thước đầu ra cho mỗi thuật toán cụ thể luôn là hằng số. Ví dụ, thuật toán SHA-256 chỉ có thể tạo ra kết quả 256 bit, trong khi SHA-1 luôn tạo ra một giá trị băm 160 bit.

Để minh họa khái niệm này, hãy phân tích điều gì xảy ra khi xử lý các từ "Palabra" và "palabra" thông qua thuật toán SHA-256 (, thuật toán mà Bitcoin sử dụng ):

| Nhập | Đầu ra SHA-256 (256 bits) | |---------|----------------------------| | Từ | f39c96107d7bb9e4870c5a4859d95d9329d3cbac1f9a8d3bd4d9b9d62f526e8c | | từ | 8460a8a5855f48887cc55e1f95a20c34835915d43a04fdcf25723643896d9527 |

Quan sát cách một thay đổi tối thiểu (chữ cái đầu tiên) tạo ra một giá trị Hàm băm hoàn toàn khác. Tuy nhiên, khi sử dụng SHA-256, các đầu ra sẽ luôn có kích thước cố định là 256 bit (hoặc 64 ký tự thập phân )bất kể kích thước của đầu vào. Hơn nữa, không quan trọng chúng ta xử lý hai từ này qua thuật toán bao nhiêu lần; các đầu ra sẽ vẫn không thay đổi.

Nếu chúng ta sử dụng thuật toán SHA-1 với cùng đầu vào, chúng ta sẽ nhận được các kết quả sau:

| Nhập | Đầu ra SHA-1 (160 bits) | |---------|-------------------------| | Từ | 2a3d74e31e7b9dc5596ef0dfdbec3367dee5ece8 | | từ | 9661166b561e30e68bb7c4be3b1799e749d925be |

Thật thú vị khi nhấn mạnh rằng SHA có nghĩa là Thuật toán Hàm băm Bảo mật (Thuật toán Hàm băm Bảo mật). Tên gọi này bao gồm một tập hợp các hàm băm mật mã, bao gồm các thuật toán SHA-0 và SHA-1, cũng như các gia đình SHA-2 và SHA-3. SHA-256 là một phần của gia đình SHA-2, cùng với SHA-512 và các biến thể khác. Hiện nay, chỉ có các gia đình SHA-2 và SHA-3 được coi là an toàn về mặt mật mã.

Tầm quan trọng của các hàm băm trong công nghệ số

Các hàm băm thông thường có nhiều ứng dụng, bao gồm tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu, phân tích tệp lớn và quản lý dữ liệu hiệu quả. Trong khi đó, các hàm băm mật mã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bảo mật máy tính, như xác thực tin nhắn và xác minh tính toàn vẹn của dữ liệu. Trong bối cảnh Bitcoin, những hàm này là một phần thiết yếu trong quy trình khai thác và đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra địa chỉ và khóa.

Tiềm năng thực sự của Hàm băm được thể hiện khi làm việc với khối lượng thông tin lớn. Ví dụ, có thể xử lý một tệp lớn hoặc tập dữ liệu thông qua một hàm băm và sử dụng kết quả để nhanh chóng kiểm tra tính toàn vẹn và độ chính xác của dữ liệu gốc. Điều này có thể thực hiện được nhờ vào tính chất xác định của các hàm băm: cùng một đầu vào luôn tạo ra một đầu ra được nén và đơn giản hóa (Hàm băm). Phương pháp này loại bỏ nhu cầu lưu trữ và "ghi nhớ" khối lượng lớn dữ liệu.

Hàm băm đặc biệt có giá trị trong bối cảnh công nghệ blockchain. Chuỗi khối của Bitcoin bao gồm nhiều hoạt động liên quan đến hàm băm, chủ yếu trong quá trình khai thác. Thực tế, hầu như tất cả các giao thức tiền điện tử đều dựa vào các hàm băm để nhóm các giao dịch lại thành các khối và tạo các liên kết mật mã giữa mỗi khối, hình thành nên chuỗi khối.

Các thuộc tính thiết yếu của các hàm băm mật mã

Một hàm băm thực hiện các kỹ thuật mật mã được định nghĩa là hàm băm mật mã. Giải mã một hàm băm mật mã thường yêu cầu nhiều nỗ lực tấn công brute force. Để "đảo ngược" một hàm băm mật mã, cần chọn các đầu vào khác nhau thông qua thử nghiệm và sai sót cho đến khi có được đầu ra mong muốn. Tuy nhiên, có khả năng các đầu vào khác nhau tạo ra cùng một kết quả, tình huống được biết đến như là "va chạm".

Kỹ thuật, để một hàm băm mật mã được coi là an toàn, nó phải đáp ứng ba thuộc tính cơ bản:

1. Kháng cự va chạm

Định nghĩa: Tình huống không thể thực tế để tìm hai đầu vào khác nhau tạo ra cùng một Hàm băm.

Một va chạm xảy ra khi các đầu vào khác nhau tạo ra cùng một Hàm băm. Một hàm băm được coi là kháng va chạm cho đến khi ai đó phát hiện ra va chạm đó. Điều quan trọng cần đề cập là va chạm sẽ luôn tồn tại cho bất kỳ hàm băm nào do số lượng đầu vào vô hạn và số lượng đầu ra có thể có hữu hạn.

Do đó, một hàm băm được coi là chống va chạm khi xác suất phát hiện một va chạm là quá xa vời đến mức cần hàng triệu năm tính toán máy tính. Vì lý do này, mặc dù không có hàm băm nào hoàn toàn không có va chạm, một số hàm băm mạnh đến mức được coi là an toàn về mặt mật mã (như SHA-256).

Trong số các thuật toán SHA khác nhau, các nhóm SHA-0 và SHA-1 không còn được coi là an toàn vì đã phát hiện ra các va chạm. Hiện tại, chỉ có các gia đình SHA-2 và SHA-3 được coi là chống va chạm.

2. Kháng cự trước hình ảnh (o tìm kiếm hình ảnh đầu tiên )

Định nghĩa: Sự không thể thực tế của việc "hoàn nguyên" hàm băm ( để tìm đầu vào dựa trên một đầu ra xác định ).

Thuộc tính này liên quan chặt chẽ đến khái niệm về các hàm một chiều. Một hàm băm được coi là kháng với hình ảnh trước khi có độ xác suất cực kỳ thấp rằng ai đó có thể xác định đầu vào chỉ bằng cách sử dụng đầu ra được tạo ra.

Tính chất này khác với khả năng chống va chạm, vì ở đây kẻ tấn công cố gắng tìm ra chính xác đầu vào nào đã tạo ra một hàm băm cụ thể, không phải bất kỳ cặp đầu vào nào tạo ra cùng một hàm băm.

Kháng cự với hình ảnh trước là điều cơ bản cho sự an toàn của dữ liệu, vì nó cho phép sử dụng hàm băm của một thông điệp để xác minh tính xác thực của nó mà không cần tiết lộ thêm thông tin nào. Trong thực tế, nhiều nhà cung cấp dịch vụ web chỉ lưu trữ các hàm băm được tạo ra từ mật khẩu thay vì lưu trữ chúng dưới dạng văn bản thuần.

3. Kháng cự trước hình ảnh thứ hai

Định nghĩa: Sự không thể thực tế để tìm thấy một đầu vào thứ hai tạo ra cùng một Hàm băm với một đầu vào đã biết.

Thuộc tính này về mặt khái niệm nằm giữa hai thuộc tính trước. Một cuộc tấn công thứ hai về hình ảnh bao gồm việc tìm một đầu vào cụ thể có thể tạo ra một đầu ra giống hệt như đầu ra được tạo ra bởi một đầu vào đã biết trước.

Nói cách khác, loại tấn công này liên quan đến việc phát hiện va chạm, nhưng thay vì tìm hai đầu vào ngẫu nhiên tạo ra cùng một Hàm băm, mục tiêu là tìm một đầu vào thay thế tái tạo lại Hàm băm đã được tạo ra bởi một đầu vào đã biết khác.

Do đó, bất kỳ hàm băm nào chống lại va chạm cũng đều chống lại các cuộc tấn công của hình ảnh trước thứ hai, vì những cuộc tấn công này nhất thiết phải yêu cầu một va chạm. Tuy nhiên, có thể thực hiện một cuộc tấn công của hình ảnh trước thứ nhất đối với một hàm chống lại va chạm, vì điều này liên quan đến việc tìm kiếm một đầu vào cụ thể từ một đầu ra.

Khai thác và hàm băm

Quá trình khai thác Bitcoin gồm nhiều bước sử dụng các hàm băm. Những thao tác này bao gồm việc xác minh số dư, liên kết các đầu vào và đầu ra của giao dịch, và kết hợp tất cả các giao dịch thành một khối để hình thành một cây Merkle. Tuy nhiên, một trong những yếu tố chính đảm bảo an ninh cho chuỗi khối Bitcoin là các thợ mỏ phải thực hiện một số lượng lớn các hoạt động hàm băm để tìm ra giải pháp đúng cho khối tiếp theo.

Một thợ mỏ phải sử dụng các đầu vào khác nhau khi tạo một Hàm băm cho khối ứng viên của mình. Khối sẽ chỉ hợp lệ nếu Hàm băm được tạo ra bắt đầu bằng một số lượng nhất định các số không. Số lượng số không cần thiết xác định độ khó khai thác và thay đổi theo hashrate của mạng.

Hàm băm đại diện cho sức mạnh tính toán được đầu tư vào việc khai thác Bitcoin. Nếu hàm băm tăng, giao thức Bitcoin tự động điều chỉnh độ khó khai thác để duy trì thời gian trung bình tạo ra các khối khoảng 10 phút. Nếu nhiều thợ mỏ rời bỏ hoạt động, dẫn đến sự giảm sút đáng kể của hàm băm, độ khó khai thác sẽ được điều chỉnh tạm thời giảm (cho đến khi thời gian trung bình hình thành các khối trở lại 10 phút).

Điều quan trọng cần lưu ý là các thợ mỏ không cần phải tìm kiếm các va chạm cụ thể, vì có nhiều hàm băm có thể tạo thành một đầu ra hợp lệ ( bắt đầu với số lượng cần thiết của các số không ). Do đó, có nhiều giải pháp khả thi cho một khối nhất định, và các thợ mỏ chỉ cần tìm một trong số đó, theo ngưỡng được thiết lập bởi độ khó khai thác hiện tại.

Vì khai thác Bitcoin là một hoạt động có chi phí năng lượng và kinh tế đáng kể, các thợ mỏ thiếu động lực để cố gắng lừa dối hệ thống, vì điều này sẽ dẫn đến những tổn thất tài chính lớn. Do đó, càng nhiều thợ mỏ tham gia vào mạng blockchain, nó sẽ càng trở nên mạnh mẽ và an toàn hơn.

Sự liên quan của các hàm băm trong mật mã hiện đại

Các hàm băm là một trong những công cụ cơ bản trong tin học, đặc biệt là khi xử lý khối lượng dữ liệu lớn. Khi được kết hợp với các kỹ thuật mật mã, các thuật toán hàm băm trở nên cực kỳ quý giá, cung cấp sự an toàn và xác thực theo nhiều cách khác nhau.

Các hàm băm mật mã là yếu tố thiết yếu trong hầu hết tất cả các mạng tiền điện tử hiện nay. Hiểu rõ các thuộc tính và cơ chế hoạt động của chúng là điều cần thiết cho bất kỳ ai quan tâm đến công nghệ blockchain và ứng dụng của nó trong hệ sinh thái tài chính kỹ thuật số.

Việc tích hợp những chức năng toán học này vào các hệ thống blockchain cho phép đảm bảo tính bất biến của các bản ghi, xác minh hiệu quả các giao dịch và tạo ra địa chỉ mã hóa một cách an toàn, những trụ cột cơ bản để xây dựng một hệ thống tài chính kỹ thuật số đáng tin cậy và phi tập trung.