Hash là gì và tại sao nó quan trọng trong mã hóa?

Băm là một quá trình cơ bản trong mã hóa, biến đổi dữ liệu có kích thước thay đổi thành một đầu ra có kích thước cố định. Quy trình này được thực hiện thông qua các công thức toán học được gọi là hàm băm, được triển khai dưới dạng các thuật toán.

Mặc dù không phải tất cả các hàm băm đều liên quan đến mã hóa, nhưng các hàm băm mã hóa đóng vai trò quan trọng trong vũ trụ tiền điện tử. Nhờ có chúng, các blockchain và các hệ thống phân tán khác có thể đạt được các mức độ đáng kể về độ toàn vẹn và an ninh dữ liệu.

Một đặc điểm thiết yếu của các hàm băm, cả thông thường lẫn mã hóa, là tính xác định của chúng. Điều này có nghĩa là, khi giữ nguyên đầu vào, thuật toán băm sẽ luôn tạo ra cùng một đầu ra, còn được gọi là digest hoặc hash.

Các thuật toán băm được sử dụng trong tiền điện tử thường được thiết kế dưới dạng hàm một chiều. Điều này có nghĩa là, mặc dù việc tạo ra đầu ra từ đầu vào tương đối đơn giản, nhưng quá trình ngược lại là vô cùng phức tạp, đòi hỏi tài nguyên máy tính đáng kể. Nói chung, càng khó khăn trong việc phục hồi đầu vào gốc, thì thuật toán băm sẽ được coi là càng an toàn.

Đúc hoạt động như thế nào?

Các hàm băm khác nhau có thể tạo ra các đầu ra có kích thước khác nhau, nhưng đối với mỗi thuật toán cụ thể, kích thước đầu ra luôn không đổi. Ví dụ, thuật toán SHA-256 không thay đổi tạo ra một đầu ra 256 bit, trong khi SHA-1 luôn tạo ra một giá trị băm 160 bit.

Để minh họa, chúng ta sẽ áp dụng thuật toán băm SHA-256 ( được sử dụng trong Bitcoin ) cho các từ "Gate" và "Gate":

SHA-256

Nhập | Xuất (256 bits) --------|------------------ Gate | 7f43c1b0e1e6c6e5c5cb62d3f9a4e3cb9b7d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b Gate | 9b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d

Lưu ý rằng một sự thay đổi nhỏ (việc viết hoa chữ cái đầu tiên) dẫn đến một giá trị băm hoàn toàn khác. Tuy nhiên, vì chúng ta đang sử dụng SHA-256, các đầu ra sẽ luôn có kích thước cố định là 256 bit (hoặc 64 ký tự thập lục phân) - bất kể kích thước đầu vào. Hơn nữa, không quan trọng bao nhiêu lần chúng ta thực hiện thuật toán với cùng một đầu vào, các đầu ra sẽ vẫn không thay đổi.

Tại sao các chức năng băm lại quan trọng?

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. Ngược lại, các hàm băm mã hóa được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bảo mật thông tin, chẳng hạn như xác thực tin nhắn và tạo chữ ký số. Trong bối cảnh của Bitcoin, các hàm băm mã hóa là cần thiết cho quy trình khai thác và cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các địa chỉ và khóa mới.

Tiềm năng thực sự của hashing được thể hiện khi xử lý khối lượng lớn thông tin. Ví dụ, có thể xử lý một tệp hoặc tập dữ liệu lớn thông qua một hàm băm và sử dụng đầu ra của nó để nhanh chóng kiểm tra độ chính xác và tính toàn vẹn của dữ liệu. Điều này khả thi nhờ vào tính chất xác định của các hàm băm: cùng một đầu vào sẽ luôn dẫn đến một đầu ra được thu gọn và đơn giản hóa (hash). Kỹ thuật này loại bỏ sự cần thiết phải lưu trữ và "nhớ" một lượng lớn dữ liệu.

Việc băm (hashing) đặc biệt hữu ích trong bối cảnh công nghệ blockchain. Blockchain của Bitcoin, chẳng hạn, liên quan đến nhiều hoạt động băm, chủ yếu trong quy trình khai thác (mining). Thực tế, hầu như tất cả các giao thức tiền điện tử đều phụ thuộc vào việc băm để nhóm và cô đặc các giao dịch thành các khối, cũng như tạo ra các liên kết mã hóa giữa mỗi khối, hiệu quả tạo thành một blockchain.

Chức năng băm mã hóa và các thuộc tính của chúng

Một hàm băm sử dụng các kỹ thuật mã hóa được gọi là hàm băm mã hóa. Nói chung, việc phá vỡ một hàm băm mã hóa đòi hỏi vô số lần thử brute force. Để "đảo ngược" một hàm băm mã hóa, sẽ cần phải đoán đầu vào bằng cách thử và sai cho đến khi đầu ra tương ứng được tạo ra.

Để được coi là an toàn một cách hiệu quả, một hàm băm mã hóa phải có ba thuộc tính cơ bản: khả năng chống va chạm, khả năng chống hình ảnh trước và khả năng chống hình ảnh trước thứ hai.

Kháng cự va chạm

Một va chạm xảy ra khi các đầu vào khác nhau tạo ra chính xác cùng một hash. Một hàm băm được coi là kháng va chạm khi xác suất tìm thấy một va chạm thấp đến mức sẽ yêu cầu một thời gian tính toán không thực tế.

Kháng cự lại tiền hình

Thuộc tính này liên quan đến khái niệm về các hàm một chiều. Một hàm băm được coi là kháng với hình ảnh trước khi có một xác suất cực kỳ thấp để ai đó tìm thấy đầu vào đã tạo ra một đầu ra cụ thể.

Kháng cự với hình ảnh trước thứ hai

Một cuộc tấn công thứ hai về tiền hình xảy ra khi ai đó có thể tìm thấy một đầu vào cụ thể tạo ra cùng một đầu ra với một đầu vào đã biết khác. Bất kỳ hàm băm nào chống lại va chạm cũng sẽ chống lại các cuộc tấn công thứ hai về tiền hình.

Ứng dụng trong việc đúc tiền mã hóa

Trong quá trình đúc Bitcoin, các hàm băm đóng vai trò quan trọng. Các thợ mỏ cần thực hiện vô số phép toán băm để tìm ra một giải pháp hợp lệ cho khối tiếp theo. Cụ thể, một thợ mỏ cần tạo ra một băm cho khối ứng viên của mình bắt đầu bằng một số lượng nhất định các số không, được xác định bởi độ khó trong quá trình đúc.

Độ khó khai thác được điều chỉnh tự động bởi giao thức Bitcoin để giữ cho thời gian trung bình khai thác một khối gần 10 phút, bất kể sự dao động trong tỷ lệ băm của mạng.

Kết luận cuối cùng

Các hàm băm là công cụ không thể thiếu trong khoa học máy tính, đặc biệt là khi xử lý với khối lượng lớn dữ liệu. Khi được kết hợp với các kỹ thuật mã hóa, các thuật toán băm trở nên cực kỳ linh hoạt, cung cấp sự bảo mật và xác thực theo nhiều cách khác nhau. Các hàm băm mã hóa là rất quan trọng đối với hầu hết tất cả các mạng tiền điện tử, vì vậy việc 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.