Định nghĩa của hashing

Hashing là quá trình toán học chuyển đổi dữ liệu có kích thước bất kỳ thành chuỗi ký tự cố định, đóng vai trò chủ chốt trong công nghệ blockchain và tiền mã hóa. Quá trình này lấy dữ liệu đầu vào, ví dụ như thông tin giao dịch, chuyển thành dấu vết số duy nhất thông qua các thuật toán phức tạp, đảm bảo dữ liệu toàn vẹn và an toàn. Hàm băm đặc trưng bởi tính một chiều (không thể phục hồi dữ liệu gốc từ giá trị băm) và khả năng tạo sự thay đổi lớn từ một thay đổi nhỏ ở đầu vào (nghĩa là chỉ cần biến đổi nhỏ, giá trị băm đã khác biệt rõ rệt). Trong công nghệ blockchain, hashing là kỹ thuật then chốt giúp các cơ chế đồng thuận phi tập trung, xác thực giao dịch và duy trì tính bất biến của dữ liệu.

Nguồn gốc: Hashing xuất phát từ đâu?

Khái niệm hashing bắt nguồn từ thập niên 1950 trong lĩnh vực khoa học máy tính, ban đầu nhằm tối ưu hóa truy xuất và lập chỉ mục dữ liệu. Hash table, một cấu trúc dữ liệu quan trọng, nâng cao hiệu quả truy vấn bằng cách ánh xạ dữ liệu tới nơi lưu trữ thông qua hàm băm.

Khi mật mã học phát triển, các thuật toán băm bảo mật như MD5, SHA trở nên phổ biến trong kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu và đảm bảo an toàn thông tin. Những thuật toán này đề cao khả năng chống va chạm (dữ liệu khác nhau sẽ cho ra giá trị băm khác nhau) và không thể đảo ngược bằng tính toán.

Sau khi Satoshi Nakamoto công bố sách trắng Bitcoin năm 2008, hashing trở thành nền tảng của blockchain, hỗ trợ triển khai Proof of Work (PoW) và mở ra kỷ nguyên tiền mã hóa hiện đại. SHA-256 là thuật toán băm chính của Bitcoin, trong khi các dự án khác sử dụng Scrypt, Ethash tùy vào yêu cầu.

Cơ chế hoạt động: Hashing vận hành ra sao?

Quy trình hashing gồm các bước chính:

1. Nhận dữ liệu đầu vào: Hàm băm tiếp nhận dữ liệu có độ dài bất kỳ, như văn bản, file, số liệu,...
2. Xử lý dữ liệu: Gom nhóm, thêm đệm hoặc định dạng lại dữ liệu theo tiêu chuẩn thuật toán.
3. Nén dữ liệu: Biến đổi dữ liệu sang trạng thái trung gian thông qua các phép toán phức tạp như toán tử bit, hàm logic, hoán vị, trộn.
4. Tính toán lặp: Thực hiện nhiều vòng tính toán trên các khối dữ liệu đã xử lý, kết quả mỗi vòng là đầu vào cho vòng tiếp theo.
5. Xuất giá trị băm: Tạo ra giá trị băm cố định (ví dụ: SHA-256 cho giá trị băm 256 bit/32 byte).

Trong blockchain, hashing được ứng dụng chủ yếu cho:

• Tiêu đề khối: Mỗi tiêu đề khối gồm thông tin như giá trị băm của khối trước, thời gian, độ khó, nonce, từ đó tạo định danh cho khối thông qua hashing.
• Xây dựng cây Merkle: Tổ chức giá trị băm của các giao dịch thành cây để tạo Merkle root hash, giúp xác thực giao dịch nhanh.
• Đào khối: Thợ đào liên tục thử các nonce khác nhau nhằm tìm giá trị băm khối đạt tiêu chí độ khó (ví dụ: số lượng số 0 ở đầu chuỗi).
• Sinh địa chỉ ví: Từ khóa riêng tạo ra khóa công khai, sau đó sinh địa chỉ tiền mã hóa bằng hàm băm.

Rủi ro và thách thức của hashing

Mặc dù là nền tảng của blockchain, hashing vẫn đối mặt với một số thách thức:

• Tấn công bằng sức mạnh băm: Trong Proof of Work, nếu kẻ tấn công kiểm soát hơn 51% hash power mạng lưới, nguy cơ double-spending sẽ tăng cao.
• Đe dọa từ máy tính lượng tử: Máy tính lượng tử có thể phá vỡ bảo mật các thuật toán băm hiện tại, thúc đẩy khả năng tấn công va chạm.
• Lỗ hổng thuật toán: Một số thuật toán như MD5, SHA-1 đã phát hiện ra lỗ hổng bảo mật, không còn phù hợp cho môi trường yêu cầu an toàn cao.
• Vấn đề tiêu thụ năng lượng: Proof of Work dựa vào hashing tiêu tốn nhiều năng lượng, đặt ra thách thức về môi trường.
• Tập trung phần cứng: Sự xuất hiện của máy đào ASIC chuyên dụng dẫn đến tập trung hóa sức mạnh đào, ảnh hưởng đến tính phi tập trung của hệ thống.

Ngành công nghiệp đã và đang phát triển các thuật toán chống ASIC, lựa chọn Proof of Stake (PoS) thay thế, cùng các thuật toán băm mới như Blake2, SHA-3 để nâng cao hiệu quả và bảo mật.

Hashing là nền tảng của mật mã học hiện đại và công nghệ blockchain. Nó đảm bảo tính toàn vẹn, bất biến và an toàn cho dữ liệu blockchain bằng các phương pháp toán học, tạo cơ sở cho các mạng phi tập trung thiết lập cơ chế tin cậy. Dù đối diện các thách thức về năng lượng và công nghệ, hashing vẫn tiếp tục phát triển để thích ứng với yêu cầu đổi mới của nền kinh tế tiền mã hóa. Khi các công nghệ mật mã như bằng chứng không tiết lộ (zero-knowledge proof), tính toán đa bên (multiparty computation) được ứng dụng rộng rãi, hashing sẽ tiếp tục đổi mới, cung cấp cho hệ sinh thái blockchain khả năng xác thực và xử lý dữ liệu hiệu quả, an toàn hơn.