NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÁC THỰC VÀ BẢO MẬT TRONG CÔNG NGHỆ BLOCKCHAIN

1. Lý do chọn đề tài

Internet xuất hiện không chỉ phục vụ cho việc gửi email hay tải phần mềm mà nó còn là động lực để phát triển nền kinh tế toàn cầu. Trong thực tế, Internet đã trở thành trình điều khiển của nền kinh tế. Sự xuất hiện của Internet và các mạng cục bộ đã giúp cho việc trao đổi thông tin trở nên nhanh chóng, dễ dàng hơn. Email cho phép chúng ta nhận hay gửi thư ngay trên máy tính của mình, e-Business cho phép thực hiện giao dịch, buôn bán trên mạng… Ngày nay, những công nghệ mới đã và đang gây ảnh hưởng lớn, làm thay đổi nền kinh tế thế giới như: Internet of Things, Điện toán đám mây… Chúng ta đã biết 20 năm trước, khi Internet xuất hiện ban đầu chỉ phục vụ chính cho việc gửi thư điện tử hay tải phần mềm nhưng sau đó nó đã trở thành động lực để nền kinh tế toàn cầu phát triển. Trong thực tế, Internet đã trở thành một phần cốt lõi, điều khiển nền kinh tế toàn cầu. Cũng giống như Internet, Blockchain khởi đầu chỉ như một trào lưu với đồng tiền điện tử Bitcoin, nhưng bản thân giá trị của Bitcoin chưa đủ để giúp công nghệ này thay đổi tương lai của ngành tài chính. Nhưng với sự thích nghi và thay đổi nhanh chóng, Blockchain đang ngày càng khẳng định được tiềm năng của chính nó, thậm chí là vượt ra ngoài cả lĩnh vực tài chính để ứng dụng vào tất cả các lĩnh vực khác trong xã hội trong đó có lĩnh vực bất động sản, lĩnh vực nông nghiệp trong truy xuất nguồn gốc sản phẩm,… Ví dụ, việc áp dụng cho ngành bất động sản, Blockchain sẽ mang đến lợi ích về tốc độ xử lý và chi phí liên quan đến luật pháp, quyền sở hữu. Hơn nữa, bất kỳ giao dịch nào xảy ra đều được ghi lại vĩnh viễn và công khai trên sổ cái, làm tăng tính minh bạch, chính xác và an toàn. Trong đó, tính minh bạch sẽ góp phần lớn vào việc hạn chế căn bệnh “sốt ảo” của giá bất động sản.

Bên cạnh nhiều tiện ích đem lại sẽ là những rủi ro về an ninh mạng, an toàn đối với các giao dịch tài chính trực tuyến. Vì vậy, công nghệ Blockchain đang được kì vọng sẽ thay đổi tương lai của ngành tài chính không chỉ cắt giảm chi phí mà nó còn đảm bảo tính an toàn và xa hơn nữa thậm chí cách mạng hóa các giải pháp bảo mật. Về bản chất Blockchain là một cuốn sổ ghi chép lại toàn bộ các giao dịch trong hệ thống được chia sẻ minh bạch để tất cả người dùng có thể theo dõi và cùng quản lý. Khi một giao dịch được tạo ra, tất cả người dùng có thể xem được thông tin chi tiết của giao dịch như địa chỉ người chi, người nhận và số tiền giao dịch, nhưng không biết chính xác người đó là ai (tính ẩn danh) [1].

Để đảm bảo tính an toàn của tiền ảo, mọi giao dịch được đảm bảo bằng kỹ thuật mã hóa với khóa bí mật gọi là « chìa khóa riêng tư – private key » được giữ trong ví ảo của người dùng, cùng với số tiền ảo của họ. Sau khi hệ thống xác nhận một giao dịch thì ngay sau đó nội dung của giao dịch đó sẽ được thêm vào một khối. Các khối được liên kết liên tục với nhau theo thời gian để duy trì tính thống nhất, toàn vẹn của hệ thống, tạo ra các khối (block) nối tiếp với nhau thành chuỗi (chain) được gọi là “Blockchain” [4]. Bitcoin đã đặt ra những nền tảng cơ bản cho việc thiết lập hợp đồng thông minh trên Blockchain hay gọi tắt là “Smart Contract Blockchain”. Tuy nhiên, nó vẫn chưa thể thỏa mãn mọi yêu cầu về hợp đồng thông minh. Chỉ đến khi Ethereum và “Smart Contract Ethereum” xuất hiện thì ý tưởng smart contract mới được phổ biến đến cho mọi người dùng, cung cấp cho ta thêm một phương thức mới để thiết lập hợp đồng.

Mặc dù công nghệ Blockchain trên thế giới hiện nay phát triển rất mạnh mẽ, nhưng tại Việt Nam đây vẫn là vấn đề mới mẻ, các tài liệu, công trình nghiên cứu về Blockchain vẫn còn rất hạn chế, do vậy tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu cơ chế xác thực và bảo mật trong công nghệ Blockchain” làm đề tài luận văn cao học chuyên ngành Khoa học máy tính.

1. Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của luận văn hướng đến là tìm hiểu các khái niệm cơ bản về Blockchain, cơ sở khoa học xây dựng nên nền tảng Blockchain. Phân tích cấu trúc, các đặc trưng cơ bản của Blockchain, đánh giá ưu nhược điểm và tính ứng dụng của công nghệ Blockchain. Từ đó, ứng dụng công nghệ Blockchain xây dựng một hệ thống thử nghiệm các tính năng cơ bản của công nghệ Blockchain.

Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên hai ngôn ngữ lập trình Python sử dụng Flask và Requests để kiểm chứng quá trình hình thành các khối, phát sinh giao dịch, thiết lập một nút và kiểm tra bằng chứng công việc.

1. Nhiệm vụ nghiên cứu

Nhiệm vụ của luận văn hướng đến là nghiên cứu cơ chế xác thực và bảo mật trong công nghệ blockchain, cụ thể như sau:

+ Khái quát hóa cấu trúc của công nghệ Blockchain.

+ Phân tích được cơ chế vận hành, các giao thức được sử dụng trong thiết lập các liên kết, tính bền vững của các chuỗi khối.

+ Đánh giá ưu, nhược điểm và tiềm năng ứng dụng của công nghệ Blockchain.

+ Vận dụng các công cụ phù hợp để cài đặt hệ thống thử nghiệm công nghệ Blockchain thực hiện giao dịch tiền điện tử.

+ Minh họa các thao tác cơ bản trên nền tảng Blockchain đã tìm hiểu.

1. Đối tương và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Công nghệ Blockchain và các ứng dụng.

Phạm vi : Các cơ chế xác thực và bảo mật trong công nghệ Blockchain. Giao thức xác thực bằng chứng công việc (PoW), giao thức xác thực bằng chứng cổ phần (PoS), các hàm băm.

Công cụ : Công cụ sử dụng trong luận văn là ngôn ngữ lập trình Python. Flask Framework không phải là mô hình 3 lớp MVC. Flask định hướng cho kiểu ứng dụng out-of-the-box và được sử dụng để xây dựng nên các hệ thống.

1. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:

• Phương pháp luận: phân tích, tổng hợp để tìm hiểu lý thuyết về kiến trúc và cơ chế xác thực và bảo mật trong công nghệ Blockchain.
• Phương pháp thực nghiệm: Cài đặt thử nghiệm hệ thống Blockchain và thực hiện một số thao tác cơ bản giao dịch tiền điện tử.

1. Hướng tiếp cận

Để có thể hoàn thành được mục tiêu đề tài đề ra thì cần phải tiếp cận một số nội dung sau:

• Khảo sát các bài viết, giới thiệu về công nghệ Blockchain và các ứng dụng.
• Tìm hiểu các nền tảng công nghệ Blockchain như: Bitcoin, Ethereum,…
• Lựa chọn ra phương pháp, công cụ cài đặt và xây dựng hệ thống demo.
• So sánh, đánh giá hệ thống thực nghiệm với các thao tác cốt lõi trong một hệ thống Blockchain.

1. Bố cục luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được bố cục thành 3 chương:

• Chương 1: Tổng quan về công nghệ Blockchain.
• Chương 2: Cơ chế xác thực và bảo mật trong Blockchain.
• Chương 3: Cài đặt thử nghiệm hệ thống Blockchain.

Chương 1: Tổng quan về công nghệ Blockchain

1. . Giới thiệu chung

1.1.1. Lịch sử phát triển công nghệ Blockchain

1.1.2. Phân loại Blockchain

1.2. Kiến trúc của hệ thống Blockchain

Blockchain là công nghệ lưu trữ và truyền tải thông tin bằng các khối được liên kết với nhau và mở rộng theo thời gian. Mỗi khối chứa đựng các thông tin về thời gian khởi tạo và được liên kết với các khối trước đó [1, 8]. Blockchain được thiết kế để chống lại sự thay đổi dữ liệu. Thông tin trong blockchain không thể bị thay đổi và chỉ được bổ sung thêm khi có sự đồng thuận của tất cả các nút trong hệ thống. Ngay cả khi nếu một phần của hệ thống blockchain sụp đổ, những máy tính và nút khác sẽ tiếp tục hoạt động để bảo vệ thông tin. Đặc biệt blockchain có khả năng truyền tải dữ liệu mà không đòi hỏi trung gian để xác nhận thông tin.

Hình 1.1. Kiến trúc của hệ thống Blockchain

1.3. Cơ sở khoa học tạo nên công nghệ Blockchain

Công nghệ Blockchain có thể nói là sự kết hợp giữa 3 loại công nghệ [6]:

• Mật mã học: Sử dụng khóa công khai (Public key) và hàm băm (Hash function) để đảm bảo tính minh bạch, toàn vẹn và riêng tư.
• Mạng ngang hàng: Mỗi một nút trong mạng được xem như một client và cũng là sever để lưu trữ bản sao ứng dụng.
• Lý thuyết trò chơi: Tất cả các nút tham gia vào hệ thống đều phải tuân thủ luật chơi đồng thuận (PoW, PoS,…) và được thúc đẩy bởi động lực kinh tế.

1.3.1. Mật mã học

1.3.1.1. Hàm băm

1.3.1.2. Cây Merkle

1.3.1.3. Mã hóa đối xứng và bất đối xứng

1.3.2. Mạng phân bố ngang hàng và mạng tập trung

1.3.3. Lý thuyết trò chơi (Game Theory)

1.4. Ưu nhược điểm của Blockchain và ứng dụng

1.4.1. Ưu điểm

1.4.2. Nhược điểm

1.4.3. Một số ứng dụng của Blockchain

1.5. Tiểu kết Chương 1

Trong chương này, luận văn đã giới thiệu tổng quan về Blockchain và các công nghệ liên quan tới công nghệ này như hàm băm, lý thuyết mã hóa, lý thuyết trò chơi. Phân tích cấu trúc tổng quát công nghệ Blockchain. Chỉ ra được ưu điểm, nhược điểm và khả năng ứng dụng của công nghệ Blockchain. Đồng thời chương này cũng nêu ra một số ứng điển hình của Blockchain, những điểm mạnh của Blockchain so với các hệ thống truyền thống.

CHƯƠNG 2: CƠ CHẾ XÁC THỰC VÀ BẢO MẬT TRONG BLOCKCHAIN

1. Cấu trúc của Blockchain
2. Đặc điểm của Blockchain
3. Một cơ sở dữ liệu phân tán
4. Tính bền vững và không thể đảo ngược
5. Minh bạch và không thể bị phá vỡ
6. Một mạng lưới các nút phân quyền và bền vững
7. Tăng cường bảo mật, tin cậy và sẵn sàng
8. Cơ chế xác thực và bảo mật trong Blockchain
9. Các cơ chế đồng thuận trong Blockchain
10. Giao thức PoW

Giao thức đầu tiên được sử dụng trong Blockchain là bằng chứng công việc (Proof of work – PoW). Hệ thống mạng Blockchain xây dựng trên cơ chế hữu hiệu để khuyến khích các cá thể tham gia vào quá trình xác thực giao dịch. Trong quá trình xác thực các giao dịch chuyển tiền điện tử qua lại giữa các địa chỉ thì các cá thể tham gia này cũng nhận được những phần thù lao cho công sức của mình. Thù lao đó có thể là phí giao dịch hay là cả những đồng tiền điện tử mới được khai thác tạo ra. Tất cả các thợ đào đều phải cạnh tranh để là người đầu tiên tìm ra giải pháp cho vấn đề toán học cho các khối đã ứng cử. Đây chính là vấn đề không thể giải quyết theo cách nào khác hơn là thông qua sức mạnh của máy tính dùng để đào coin. Vì vậy việc này đòi hỏi sự nỗ lực cùng đầu tư lớn để có thể cạnh tranh khi đào tiền điện tử.

Từ quan điểm kỹ thuật, quá trình khai thác là một phép toán đảo ngược. Nó được xác định bởi một số (nonce). Người thợ đào không có cách nào tìm ra số nonce này ngoài phương pháp đoán và thử, số nonce rất khó để tìm ra nhưng lại dễ dàng để kiếm chứng. Khi một người thợ đào cuối cùng tìm ra được giải pháp đúng đắn, anh ta sẽ thông báo cho toàn bộ mạng cùng một lúc và nhận được giải thưởng là đồng tiền thuật toán đang đào [2].

PoW là một giao thức được thiết kế chủ yếu để ngăn chặn các cuộc tấn công mạng (trên thực tế, nó sẽ tốn một khoản chi phí rất lớn để cố gắng tấn công, nhiều hơn những gì mà một người nào đó kiếm được từ nó), và nó cũng cho phép sự đồng thuận phân tán của các giao dịch “Không đáng tin cậy”. Có được sự đồng thuận phân tán có nghĩa là các nút không cần sự tin tưởng hay sự tham gia của bên thứ ba để gửi hoặc nhận tiền trực tuyến. Chúng ta chỉ cần xác minh rằng giao dịch thành công bằng việc đảm bảo rằng nó được viết trong mạng lưới blockchain. Đặc biệt PoW là cần thiết để giải quyết các bài toán khó, quá trình đó nó được gọi là Mining, được sử dụng để viết ra một nhóm giao dịch mới chưa đáng tin trong blockchain.

2.3.2.1 Hashcash và Proof of Work

2.3.2.2 Proof of Work trong tiền điện tử

1. Cơ chế hoạt động của PoW
2. Giao thức PoS
3. Bằng chứng cổ phần
4. Cơ chế hoạt động của PoS

Khắc phục nhược điểm kể trên, với PoW, việc tất cả node cùng tham gia tính toán giải các hàm hash là tốn thời gian và năng lượng. PoS đưa ra một phương pháp đồng thuận mới trong việc đóng gói block vào chain. Trong các node tham gia, một node sẽ được lựa chọn ngẫu nhiên để trở thành người kiểm định và đóng gói block. Node tham gia được gọi là các validator (người kiểm định). Điều kiện để tham gia là các node này cần phải bỏ một khoản tiền vào mạng lưới được Vitalik Buterin gọi là bet (đặt cược). Chúng ta có thể hiểu là đặt cọc tiền để chứng minh danh tính bản thân.

Hình 2.15 – Ví dụ về giao thức PoS

Khoản tiền này được gọi bằng từ chuyên môn là Stake. Khoản tiền này sẽ bị hệ thống thực hiện lock. Và sẽ được unlock sau khi node rút khỏi việc tham gia validator một thời gian (Việc unlock sẽ không được thực hiện ngay lập tức). Validator được chọn sẽ thực hiện validate block. Hành động này là forge hoặc mint (phân biệt với mine trong PoW). Nếu block hợp lệ và ghi được vào chain, validator này sẽ được phần thưởng chính là từ transaction fee.

Thuật toán lựa chọn validator tiến hành forge. Thực chất việc lựa chọn này không hoàn toàn ngẫu nhiên mà dựa trên giá trị stake của những validator tham gia. Giả dụ Alice có stake là 10 USD, Bob có stake là 100 USD. Vậy Bob sẽ có cơ hội cao để được lựa chọn hơn Alice. Ví dụ, bằng chứng về Stake của Ethereum hoạt động bằng cách chọn ngẫu nhiên một “validator” – một tài khoản có đủ Ether để được coi là một bên liên quan, một người đầu tư vào hệ sinh thái. Ban đầu, đó sẽ là 1000 Ether. Ether càng hợp lệ, và nó càng dài trên tài khoản của ứng cử viên thì càng có nhiều cơ hội để chúng được chọn. Trình xác nhận này sau đó đặt Ether (khóa nó lên trong một khoảng thời gian) và đảm bảo duy trì các luật của hệ sinh thái – để xác thực các giao dịch một cách trung thực. Khi một giao dịch mới đến, nó được thêm vào khối, đã được xác nhận và khối được gửi đến các trình xác nhận hợp lệ khác để xác nhận. Đối với tác phẩm này, người xác thực sẽ nhận được phí giao dịch của các giao dịch mà họ đã xử lý.

Bởi vì không cần phải đoán kết hợp và xử lý giao dịch dễ dàng và rẻ tiền, thật dễ dàng để tạo ra các giao dịch giả mạo. Nhưng vì người kiểm chứng phải xác nhận lại thông tin (như học sinh trong trường sửa bài kiểm tra của nhau), gần như không thể nghĩ rằng một nhóm người kiểm chứng sẽ xác nhận một báo cáo độc hại. Để điều này xảy ra, nhóm độc hại không chỉ được chọn ngẫu nhiên cùng một lúc (không thể), mà còn có nhiều hơn 51% Ether so với phần còn lại của các trình xác nhận được chọn ngẫu nhiên. Hơn nữa, nếu một người xác nhận được phát hiện là độc hại, họ sẽ mất cổ phần của mình và bị đuổi khỏi mạng. Gian lận trở thành một môn thể thao cực kỳ đắt tiền. Một người nào đó có đủ tiền đầu tư vào hệ sinh thái Ethereum để trở thành người xác nhận không có lý do phá hoại hệ sinh thái này bởi vì tài sản của họ mất giá trị.

Điều gì xảy ra nếu validator được chọn thực hiện gian lận cố tình validate block giả mạo? Nếu điều này bị phát hiện (được thông báo lên mạng lưới từ các validator khác), anh ta sẽ bị phạt toàn bộ số tiền trong stake. Đây cũng là lý do tại sao stake không được hoàn trả ngay sau khi validator từ bỏ quyền tham gia. Tránh trường hợp anh ta validate block giả mạo sau đó từ bỏ quyền luôn để trốn chạy. Để đảm bảo lợi ích thu được nhỏ hơn nhiều so với số tiền bị phạt, stake tối thiểu được quy định của Casper là 1250 ETH. Do đó, chỉ có 1 block được chấp nhận và thêm vào chain, tất cả các validator đặt stake cho block bị coi là giả mạo (không được thêm vào chain) cũng sẽ mất toàn bộ stake của họ. Đánh vào các hình phạt kinh tế là điếm then chốt đế đảm bảo tính an toàn của PoS, khiến cho việc tấn công và giả mạo trở nên khó khăn hơn.

1. Giao thức Sharding

Ở thời điểm hiện tại, để thực hiện giao dịch trên Blockchain, tất cả các máy tính, hoặc các nút (node) trong mạng phải xác nhận giao dịch hợp lệ hoặc thực hiện thành công một hợp đồng thông minh (smart contract)– là một đoạn mã được lưu trữ trong đó mô tả các điều kiện cần thiết cho giao dịch được thực hiện. Nếu tất cả các nút đạt được kết quả tương tự và đạt được sự đồng thuận, giao dịch sẽ được xác nhận. Điều này có nghĩa là cần có thời gian để xử lý các giao dịch trên Blockchain.

Hình 2.16 – Giao thức Sharding

Trong khi đó, giao thức Sharding tiến hành xử lí song song thông qua nhiều máy tính trên mạng lưới, qua đó chia sẻ số lượng giao dịch cần xác minh. Giao thức này tự động phân chia các mạng thành từng phần nhỏ hơn, còn được gọi là “mảnh” (shards), mỗi mảnh chạy trên giao thức đồng thuận với quy mô nhỏ hơn. Việc mạng lưới chạy song song có thể xử lí hàng trăm giao dịch trong một giây trên một mảnh trên tổng số hàng ngàn giao dịch. Khi nhiều nút tham gia, mạng sẽ ngày càng trở nên nhanh hơn khi xác nhận các giao dịch. Một khi mạng lưới này lớn bằng với Ethereum, nó sẽ có thể xử lý nhiều giao dịch hơn trong mỗi giây. Điều này khiến mạng lưới này trở nên nhanh hơn và tiềm năng rẻ hơn VISA.

Hình 2.17 – Ví dụ về Sharding trên giao thức PoS

Nếu hệ thống này đạt được tốc độ cần thiết để đảm nhận khối lượng công việc của hệ thống ngân hàng hiện tại mà không phải loại bỏ việc cấp phép của mạng phân tán, những ứng dụng sử dụng tất cả mọi thứ từ đấu giá đến thanh toán sẽ có thể hoạt động một cách nhanh chóng, an toàn và hiệu quả hơn. Phương pháp Sharding có thể giúp tạo ra một bước đột phá lớn trong việc giải quyết cuộc khủng hoảng khả năng mở rộng của Blockchain.

1. Giao thức DPoS

Trong hệ thống phi tập trung (decentralized system), điểm mấu chốt là làm thế nào thống nhất được nội dung dữ liệu lưu trữ trên Blockchain. Vì có rất nhiều nút trên hệ thống, không thể nào đảm bảo rằng tất cả các nút sẽ cập nhật, lưu trữ dữ liệu chính xác. Cơ chế đồng thuận ra đời để đảm bảo điều này, một trong số đó chính là Delagated Proof of Stake (DPoS).

Delegated Proof of Stake (DPoS) – Bằng chứng ủy quyền cổ phần là một phương pháp mới để bảo đảm mạng lưới của đồng tiền. DPoS cố gắng giải quyết các vấn đề của cả hai hệ thống Proof of Work (PoW) của Bitcoin, và hệ thống Proof of Stake (POS) của Peercoin và NXT. DPoS thực hiện một lớp dân chủ công nghệ để bù lại những ảnh hưởng tiêu cực của việc tập trung. DPoS được phát minh bởi Daniel Larimer là một cơ chế đồng thuận thay thế đòi hỏi các cổ đông phải bỏ phiếu cho “các đại biểu”, những người sau đó chịu trách nhiệm xác nhận các giao dịch và duy trì blockchain.

Bằng chứng ủy quyền cổ phần sử dụng biểu quyết thời gian thực kết hợp với hệ thống danh tiếng xã hội để đạt được sự đồng thuận. Nó có thể được coi là giao thức đồng thuận ít tập trung nhất so với những giao thức khác cũng như có tính bao quát nhất. Mỗi người giữ token có thể thực hiện một mức độ ảnh hưởng về những gì xảy ra trên mạng lưới.

Các đại biểu hoạt động được bình chọn vào vai trò của họ bởi những người giữ token. Quyền biểu quyết mà người giữ token có, còn được gọi là trọng số biểu quyết, được xác định bởi số lượng token nền tảng mà tài khoản đang nắm giữ. Điều quan trọng là các đại biểu được lựa chọn, với lợi ích của mạng lưới đặt ở trung tâm, khi họ giữ cho mạng lưới chạy trơn tru và an toàn.

Hình 2.18 – Giao thức DPoS

DPoS được sử dụng ở nhiều coin mới sau này có thể kể đến: Bitshares^[1]2, EOS^[2]3, LISK^[3]4, ICON^[4]5, Cybermiles^[5]6,..

1. Tấn công 51%

Tấn công 51 phần trăm hay còn gọi là tấn công đa số là trường hợp người dùng hoặc nhóm người dùng kiểm soát phần lớn sức mạnh khai thác. Những kẻ tấn công có đủ sức mạnh để kiểm soát hầu hết các sự kiện trong mạng. Họ có thể độc quyền tạo ra các khối mới và nhận phần thưởng vì họ có thể ngăn chặn các thợ mỏ khác hoàn thành các khối. Họ có thể đảo ngược giao dịch.

1. So sánh đánh giá các giao thức
2. Ưu nhược điểm của giao thức PoW

Công nghệ Blockchain sử dụng PoW đầu tiên vì nó là một trong những lợi ích chính là bảo bảo vệ chống tấn công Dos và giảm thiểu rủi ro trong hoạt động đào coin.

1. Chống tấn công DoS: PoW đặt ra giới hạn cao lên mạng lưới. Muốn thực hiện hành động gì đó trước hết phải đáp ứng được chúng. Do đó, để tấn công vào mạng lưới thì trước hết cần phải tập hợp lượng năng lực máy tính đủ lớn và cần nhiều thời gian để tính toán. Đợt tấn công vẫn có thể triển khai được nhưng với cái giá phải trả là chi phí cực kì lớn.
2. Khả năng đào khối: Không quan trọng là bạn có bao nhiêu tiền trong ví. Thứ tồn tại duy nhất là liệu bạn có đủ năng lực máy tính để giải toán đào khối hay không mà thôi. Do đó, trên mạng lưới Blockchain, người có tiền chưa chắc đã có quyền.

Không phải tất cả các thuật toán Đồng thuận đều hoàn hảo; Bằng chứng về công việc cũng không khác. Nó có rất nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng đi kèm với rất nhiều thiếu sót, lỗ hổng chính gồm:

1. Tiêu thụ năng lượng lớn hơn: Mạng Blockchain chứa hàng triệu và hàng triệu microchip được thiết kế mà băm liên tục. Bitcoin hiện cung cấp 20 tỷ băm mỗi giây. Các thợ mỏ trên mạng sử dụng một số vi mạch được thiết kế đặc biệt để băm. Thủ tục này cho phép mạng thêm một lớp bảo vệ khỏi tấn công botnet. Mức độ bảo mật của mạng blockchain dựa trên bằng chứng về công việc đòi hỏi rất nhiều năng lượng, và nó rất chuyên sâu. Tiêu thụ lớn hơn đang trở thành một vấn đề trong một thế giới mà chúng ta đang cạn kiệt năng lượng- các thợ mỏ trên hệ thống phải đối mặt với một khoản chi phí lớn do tiêu thụ điện năng. Giải pháp tốt nhất cho vấn đề này sẽ là nguồn năng lượng rẻ tiền.
2. Tập trung các thợ mỏ: Với vấn đề năng lượng, bằng chứng về công việc sẽ chuyển sang các giải pháp điện rẻ hơn. Tuy nhiên, vấn đề chính là nếu một nhà sản xuất thợ mỏ bitcoin tăng lên. Trong một thời gian nhất định, nhà sản xuất có thể trở nên đói hơn và cố gắng tạo ra các quy tắc mới trong hệ thống khai thác mỏ. Tình trạng này sẽ dẫn đến việc tập trung hóa trong mạng lưới phân cấp. Đó là lý do tại sao nó lại là một vấn đề lớn nữa mà các thuật toán Blockchain đang gặp phải.
3. Ưu nhược điểm của giao thức PoS

Ưu điểm của PoS là:

1. Xử lý giao dịch nhanh chóng.
2. Không gây hại cho môi trường. Không cần lượng năng lượng lớn.
3. Có thể được thực hiện trên các thiết bị nhỏ hơn và yếu hơn bởi vì không cần phải tải xuống toàn bộ blockchain, và vì không cần nhiều công suất tính toán, có thể dễ dàng được thông qua bởi dòng chính

Nhược điểm của PoS là:

1. Không có yếu tố bên ngoài. Cho rằng cổ phần là một phần của hệ thống, toàn bộ trò chơi là nội bộ. Điều này có nghĩa là ai đó có đủ tiền để đầu tư độc quyền vào hệ thống này có thể làm như vậy bằng cách đầu tư tiền duy nhất, trái ngược với Bitcoin, nơi họ cần đầu tư tiền, thời gian, chuyên môn, phần cứng, điện và nhiều hơn nữa- tất cả các yếu tố bên ngoài.
2. Người giàu trở nên giàu có hơn. Những người đã có Ether của họ dài nhất (tuổi của Ether trong một tài khoản là nhiều yếu tố như số tiền là) cũng có cơ hội tốt nhất để trở thành người xác nhận. Điều này có nghĩa là cơ hội kiếm thêm Ether trên đống cọc hiện tại của họ cũng tăng lên. Điều này khác với hệ thống “giàu có giàu hơn” của Bitcoin bởi vì người giàu phải tiếp tục đầu tư vào phần cứng và kiến thức để duy trì tính cạnh tranh. Nó cũng làm tổn thương nhiều hơn để phá hoại mạng.
3. Ngoài ra PoS còn phải đối mặt với nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết trước khi đưa vào hoạt động thực tế như: Nothing at Stake hay Long Range Attack.
4. Ưu nhược điểm của giao thức DPoS

Một trong những vấn đề của Proof of Stake là khuynh hướng thưởng cho các holder có cổ phần cao hơn. Các nút thường được chọn ngẫu nhiên, dựa trên số lượng của tiền đặt cọc. Số tiền nhiều hơn được đặt cược càng cao xác suất để được chọn là cao hơn.

Đối với những người chủ nhỏ có thể không có lợi nhuận, cơ hội được chọn là khá thấp và phần thưởng không phải là bằng chứng cho nỗ lực để giữ một bản sao của blockchain và quỹ cổ phần. Các cổ đông lớn được khen thưởng nhanh hơn và bằng cách này họ lại càng lớn mạnh hơn nữa.

Bằng cách bổ sung chức năng Delegated Proof of Stake, các chủ sở hữu nhỏ có thể ủy thác quyền quyết định của họ cho các tác nhân khác đang chạy các node blockchain lớn để xác nhận hợp lệ các giao dịch.

Quá trình ủy thác tương tự như bằng chứng khai thác mỏ ở khu vực làm việc. Khi khai thác mỏ trong pool, chỉ có pool nào đang chạy trên một node blockchain mới được khai thác, các thợ mỏ riêng lẻ không được khai thác pool. Tuy nhiên, trong quá trình ủy thác, các giao thức và nguyên tắc khác nhau có thể được thực thi. Ví dụ chủ sở hữu quỹ uỷ thác có thể nhận được một số tiền thưởng, một số khác được phân bổ cho các ví và một số khác chỉ có thể được đốt cháy (tiêu huỷ) để giảm số lượng coin.

Ưu điểm của DPoS:

1. DPoS không chỉ là một hệ thống dân chủ hơn mà còn hiệu quả và hiệu quả hơn. Việc lựa chọn các nhà sản xuất khối cho phép các giao dịch được xác nhận trong một vài giây, thay vì 10 phút nó lấy bằng chứng về hệ thống làm việc được Bitcoin sử dụng. Ví dụ, trong trường hợp của Lisk nó hiện chỉ mất 10 giây để xác nhận một khối giao dịch.
2. Các đại biểu được khuyến khích để chạy các nút xử lý và xác thực các giao dịch đi qua mạng với phí giao dịch, cũng như các phần thưởng hàng tháng để duy trì mạng, theo thời gian, đang giảm dần. Chỉ có thể có một số đại biểu nhất định tại bất kỳ thời điểm nào (101 cho Lisk) và những người được xác định bởi một hệ thống bầu cử cạnh tranh, trong đó mỗi chủ sở hữu Lisk có thể bỏ phiếu cho sở thích của họ để điền vào vai trò đó.
3. Trong khi bằng chứng về hệ thống làm việc, chẳng hạn như hệ thống làm việc của Bitcoin, việc xác thực các khối được gọi là “khai thác”, trong trường hợp chứng minh được ủy quyền của quá trình này được gọi là “giả mạo”.

Các cuộc tranh luận về giao thức đồng thuận hiệu quả, an toàn và hiệu quả nhất là phổ biến trong không gian blockchain ngày nay, kích thích đổi mới và tiến bộ trong các hệ thống này, giao thức đồng thuận hoàn hảo vẫn chưa được tạo ra. Ví dụ, tại Lisk có một nhóm khoa học chuyên dụng làm việc không mệt mỏi để tạo ra giao thức đồng thuận của tương lai. Công nghệ Blockchain liên tục thay đổi, phát triển và cải thiện và chúng ta đã thấy tiến bộ lớn trong một khoảng thời gian rất ngắn trong blockchain, bắt đầu từ giao thức đầu tiên được sử dụng trong công nghệ blockchain, giao thức đồng thuận Proof of Work.

1. So sánh giữa PoW, PoS và DPoS

Proof of Stake (PoS) là một cấu trúc đồng thuận, như PoW, nhưng thay vì đòi hỏi công việc hoặc quyền lực tính toán, nó đòi hỏi người thợ mỏ phải giữ một lượng lớn cryptocurrency. Giả sử cryptocurrency “Stakeproofcoin (SPC)” dựa vào Proof of Stake, và Bob sở hữu 2% tất cả SPC tồn tại. Điều này có nghĩa là xác suất khai thác mỏ của Bob bằng khối lượng chứng cứ là 2%.

Proof of Stake nhằm mục đích ngăn chặn các cuộc tấn công bằng cách yêu cầu cao cho các cuộc tấn công như vậy (như PoW) và bằng cách hạ thấp ưu đãi một cách đáng kể. Để Bob có thể tấn công SPC, anh ta sẽ cần phải sở hữu phần lớn (51%) tất cả các đồng tiền của SPC, điều này sẽ yêu cầu rất nhiều tiền ở nơi đầu tiên. Ngoài ra, động lực tấn công của anh ta rất thấp, vì nếu anh ta tấn công SPC, anh ta sẽ phải chịu đựng rất nhiều từ những cú tấn công của anh ta (vì anh ta sở hữu rất nhiều SPC).

Một số người, giống như những người ủng hộ Ethereum, nghĩ rằng Proof of Stake là hiệu quả hơn và công bằng hơn so với Proof of Work vì những lý do như trên. Ngoài ra, bất cứ ai cũng có thể trở thành một kỹ sư PoS kỹ thuật cho họ đã có một số coin, tuy nhiên nhận được vào khai thác mỏ Bitcoin thường đòi hỏi phải tốn kém phần cứng và cam kết.

Delegated Proof of Stake (DPoS) là một cấu trúc đồng thuận mới hơn, và thực sự đằng sau nhiều thuật ngữ bí mật bao gồm trang Steem. Nó hơi tương tự như PoS nhưng có các tính năng “dân chủ” khác nhau và nhiều hơn nữa mà một số người cho rằng làm cho nó hiệu quả hơn và công bằng hơn.

Người sử dụng của một phiếu bầu mật mã DPoS cho các đại biểu/nhân chứng để phục vụ trên một bảng điều khiển của nhân chứng. Rất nhiều biến trong mạng lưới như kích cỡ và phí giao dịch được kiểm soát bởi bảng điều khiển này. Hội đồng nhân chứng cũng (theo deterministically) chọn các nhân chứng để “làm chứng” hoặc xác nhận khối. Rõ ràng, mạng lưới và người dùng đã đặt rất nhiều niềm tin vào những nhân chứng được bầu này để cung cấp cho họ những quyền hạn đó, tuy nhiên nếu họ không hoạt động, họ có thể dễ dàng bị bỏ phiếu ra khỏi “bảng điều khiển của nhân chứng”, do đó thực sự không có động cơ để họ làm việc xấu gây khó chịu cho cử tri của họ.

Để thêm vào phần “chứng minh phần đóng góp” của DPoS, các bên liên quan có ảnh hưởng tỷ lệ thuận với số cổ phần của họ trong hệ thống. DPoS được tìm thấy là phân cấp hơn các hệ thống thống nhất khác vì ngưỡng nhập cảnh rất thấp. Các lựa chọn thay thế khác nói chung “cho phép” bất cứ ai tham gia, nhưng hầu hết mọi người không được tham gia vì chi phí / nhu cầu cao, và nói chung có một vài pool hoặc các thợ mỏ lớn sản xuất tất cả các khối trên các hệ thống này.

DPoS đã được chứng minh là giúp duy trì sự phân quyền, chống lại sự can thiệp pháp luật, và đã thực hiện những bí mật giống như Steem vào các cầu thủ thế giới. Đây cũng là lý do tại sao bạn cần phải lấy phiếu chứng kiến của mình cho Steem rất nghiêm túc ; những người mà bạn bỏ phiếu có thể là những người sẽ quyết định/ định hình tương lai của mạng. Giống như một nền dân chủ, hệ thống sẽ hoạt động tốt hơn và được phân quyền/ công bằng hơn nếu có nhiều người hơn tham gia và được thông báo.

1. Kết chương

Trong chương này, luận văn đã phân tích cấu trúc chuỗi liên kết và các đặc điểm cơ bản của Blockchain. Học viên đã tập trung phân tích, so sánh và đánh giá các giao thức, cơ chế đồng thuận trong Blockchain như PoW, PoS, Sharding, DPoS… Việc hiểu rõ cấu trúc, đặc điểm và cơ chế đồng thuận sẽ được áp dụng để cài đặt thử nghiệm hệ thống blockchain trong chương 3.

Chương 3. Cài đặt thử nghiệm hệ thống Blockchain

3.1 Công cụ cài đặt

Trong chương trình thực nghiệm của đề tài, học viên sử dụng ngôn ngữ Python 3.6+, Flask 0.12.2 và Requests 2.18.4.

3.2 Xây dựng Blockchain

1. Blockchain trong các giao dịch điện tử

Trong hệ thống giao dịch tiền điện tử có 3 lớp:

• Lớp đầu tiên là nền tảng công nghệ Blockchain. Blockchain là sổ cái minh bạch, phân cấp với các hồ sơ giao dịch-cơ sở dữ liệu được chia sẻ bởi tất cả các node trong mạng, được cập nhật bởi các thợ đào, được giám sát bởi tất cả mọi người, và không ai có quyền sở hữu và kiểm soát. Nó giống như một bảng tính tương tác khổng lồ mà mọi người đều có quyền truy cập, cập nhật và xác nhận rằng các giao dịch chuyển tiền số là duy nhất.
• Lớp thứ hai là giao thức, hệ thống phần mềm chuyển tiền qua sổ cái Blockchain.
• Lớp cuối cùng là đơn vị tiền tệ, Bitcoin, được hiển thị là BTC khi giao dịch trao đổi. Có hàng trăm đồng tiền điện tử, trong đó Bitcoin là đầu tiên và cũng là lớn nhất. Một số khác bao gồm Litecoin, Dogecoin, Ripple, NXT, và Peercoin;

1. Định nghĩa cấu trúc của một Blockchain
2. Định nghĩa cấu trúc của một khối
3. Thêm một giao dịch vào Block
4. Thiết lập các tính năng cốt lõi của Blockchain
5. Tạo ra khối mới
6. Thiết lập hàm new_transaction()
7. Thiết lập hàm hash()
8. Cài đặt giao thức Proof of Work

Trong Blockchain thì thuật toán PoW này gọi là Hashcash. Chúng ta sẽ xây dựng thuật toán PoW đơn giản như sau: Tìm số p sao cho khi hash(pp’) thì 4 ký tự đầu đều là số 0 (p’ cho trước là proof_of_work của block trước).

Giao thức PoW được định nghĩa như sau:

Thủ tục xác định tính hợp lệ của giao thức PoW được khai báo như sau:

1. Đăng ký một node mới
2. Cài đặt thuật toán đồng thuận

Trong một mạng Blockchain, xung đột xảy ra khi các node trong mạng không có chung một chuỗi Blockchain. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta sẽ sử dụng luật chuỗi nào dài nhất là chuỗi hợp lệ.

Hàm xác định tính hợp lệ của chuỗi được khai báo như sau:

Định nghĩa tính hợp lệ của chuỗi khối:

Trong đó, phương thức valid_chain() chịu trách nhiệm cho việc kiểm tra một chain có hợp lệ hay không? Phương thức resolve_conflicts() kiểm tra xem các node trong mạng có hợp lệ hay không. Nếu một chain hợp lệ và dài hơn chain hiện tại thì nó sẽ tiến hành thay thế chain hiện tại.

• 1. Xây dựng hàm API

1. Đánh dấu kết thúc giao dịch
2. Mining Endpoint
3. Thực nghiệm các thao tác trên hệ thống

Để khởi tạo hệ thống Blockchain trên Server, chúng ta khởi động như sau:

Trong luận văn này, học viên sử dụng postman để làm việc với API (POSTMAN^[6]3 là một công cụ cho phép chúng ta làm việc với API, hỗ trợ nhiều giao thức).

1. Thiết lập thao tác tạo ra chuỗi khối

Để bắt đầu, ta gửi một yêu cầu: GET http://localhost:5000/mine. Sau khi tiến hành đào, chúng ta sẽ được thưởng một coin và một giao dịch được khởi tạo với người gửi là hệ thống (địa chỉ 0). Lệnh Flash trên Python thực hiện như sau:

Kết quả của quá trình đào được minh họa trong Hình 3.5 dưới đây:

Hình 3.5 – Quá trình đào và nhận được phần thưởng khối

1. Thiết lập một giao dịch mới

Để tạo một giao dịch mới, chúng ta thực hiện bằng cách gửi một yêu cầu POST như sau: POST http://localhost:5000/transaction. Lệnh Flash trên Python được thực hiện như sau:

Kết quả sẽ trả về một giao dịch mới được lưu trữ trong block tiếp theo như trong Hình 3.6.

Hình 3.6 – Yêu cầu thiết lập một giao dịch mới

1. Xem nội dung của chuỗi block

Để xem toàn bộ nội dung của dãy chain, chúng ta sẽ thực hiện việc gửi một yêu cầu GET sau: GET http://localhost:5000/chain. Lệnh Flash trên Python được thực hiện như sau:

Kết quả sẽ trả lại các nút trong chuỗi Blockchain hiện tại như Hình 3.7.

Hình 3.7 – Xem nội dung của chuỗi block hiện tại

1. Kết nối tạo thành một nút mới

Dùng một máy tính khác để tạo thành một node mới, hoặc có thể chạy chương trình trên các cổng khác nhau. ở đây chúng ta sẽ chạy thêm chương trình với cổng 5001, sau đó register bằng cách thực hiện lệnh sau:

Lệnh Flash trên Python được thực hiện như sau:

Kết quả thực hiện trả về thông điệp nút mới đã được thêm vào.

Hình 3.8 – Kết nối tạo thành một nút mới

1. Thực hiện thao tác đào coin

Để tiến hành đào một vài coin ở node mới tạo (cổng 5001) chúng ta vừa tạo ra ở trên. Chúng ta thực hiện việc gọi /nodes/resolve ở node 1 như sau:

Lệnh Flash trên Python được thực hiện như sau:

Kết quả thực hiện lệnh trên cho ta chuỗi chain ở node 5000 đã được thay thế bởi chuỗi chain ở node 5001 (dài hơn và hợp lệ) như Hình 3.9.

Hình 3.9 – Kết nối tạo thành một nút mới

1. Nhận xét và đánh giá

Hệ thống thực nghiệm còn đơn giản, chưa đáp ứng được các yêu cầu đối với một sàn giao dịch bởi vì chưa cung cấp cùng mức giá thời gian thực tham chiếu đến các sàn khác, mới chỉ dừng lại ở một coin với cấu trúc khối block nhỏ.

Hệ thống mới triển khai trên một số lượng nhỏ các nút, chưa kiểm thử được khả năng kết nối nhiều nút mạng, chưa đánh giá được tải của hệ thống và thời gian đồng bộ, chi phí với các giao dịch của hệ thống.

Việc kiểm thử mới được thực hiện trên giao thức bằng chứng công việc, chưa cài đặt giao thức bằng chứng cổ phần. Vấn đề đảm bảo an toàn với các giao dịch chưa được xem xét đến như: chưa đăng nhập thông qua việc gửi link qua mail đăng ký sẵn, chưa hỗ trợ tính năng chứng thực OTP (Chứng thực 2 lớp).

1. Kết chương

Trong chương 3, học viên đã ứng dụng công nghệ Blockchain xây dựng một hệ thống giao dịch tiền điện tử. Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên hai ngôn ngữ lập trình Python sử dụng Flask, Requests và Postman để kiểm chứng quá trình hình thành các khối, phát sinh giao dịch, thiết lập một nút, kết nối một nút mới để đào coin và kiểm tra bằng chứng công việc. Các thực nghiệm và thao tác trên Flask cho thấy hệ thống xây dựng cho phép minh họa đầy đủ các thao tác cơ bản trên nền tảng Blockchain đã tìm hiểu trong chương 2.

Kết luận

Các đóng góp của luận văn

Công nghệ Blockchain đang dần được mọi người biến đến và đang nổi lên từng ngày. Blockchain có thể tạo ra một hệ sinh thái các nhà sáng lập mới, mở ra đa dạng các lựa chọn về tài chính đầu tư và giới thiệu vô số các cơ chế hoạt động khác biệt cho các doanh nghiệp hiện tại… Blockchain còn cung cấp cho người dùng một hệ thống hồ sơ dữ liệu minh bạch, có thể truy cập và kiểm chứng dễ dàng, việc này rất quan trọng trong việc duy trì tính toàn vẹn và hiệu quả của cơ các cơ quan giám sát như kiểm toán viên hoặc các cơ quan quản lý với rất nhiều cơ hội và tiềm năng ứng dụng.

Tuy nhiên, chúng ta cũng không thể không lưu tâm đến những rào cản, thách thức đối với công nghệ Blockchain như: tốc độ đồng bộ chậm, phí giao dịch cao, khả năng nghẽn mạng, năng lượng tiêu thụ, tính an toàn và bảo mật của hệ thống, việc sử dụng Blockchain cho mục đích bất hợp pháp với những giao dịch ẩn danh, tạo môi trường và cơ hội cho tội phạm rửa tiền…

Luận văn đã đã trình bày tổng quan về khái niệm, kiến trúc, đặc điểm của công nghệ Blockchain dưới góc nhìn an toàn thông tin. Từ xu hướng phát triển của Blockchain, luận văn cũng phân tích những thách thức về cơ chế xác thực, an ninh, bảo mật dữ liệu trong hệ thống Blockchain. Luận văn đạt được một số kết quả cụ thể như sau.

1. Giới thiệu tổng quan về Blockchain và các công nghệ liên quan tới công nghệ này như hàm băm, lý thuyết mã hóa, lý thuyết trò chơi. Phân tích cấu trúc, đặc điểm, cơ chế hoạt động của công nghệ Blockchain. Chỉ ra được ưu điểm, nhược điểm và khả năng ứng dụng của công nghệ Blockchain. Đồng thời luận văn cũng nêu ra một số ứng dụng điển hình của Blockchain, những điểm mạnh của Blockchain so với các hệ thống truyền thống.
2. Phân tích cơ chế hoạt động, cơ chế xác thực và bảo mật các giao dịch trong công nghệ Blockchain.
3. Ứng dụng công nghệ Blockchain xây dựng một hệ thống giao dịch tiền điện tử. Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên hai ngôn ngữ lập trình Python sử dụng Flask, Requests và Postman để kiểm chứng quá trình hình thành các khối, phát sinh giao dịch, thiết lập một nút, kết nối một nút mới để đào coin và kiểm tra bằng chứng công việc. Các thực nghiệm và thao tác trên Flask cho thấy hệ thống xây dựng cho phép minh họa đầy đủ các thao tác cơ bản trên nền tảng Blockchain đã tìm hiểu.

Hạn chế

Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn, học viên đã hiểu rõ về cơ chế làm việc của công nghệ Blockchain, thông qua đó, có thể tự làm chủ, phát triển các hệ thống, ứng dụng Blockchain cho riêng mình. Do giới hạn về mặt thời gian nên việc xây dựng ứng dụng còn nhiều thiếu sót, chưa đầy đủ, mang tính nghiên cứu chứ chưa thể áp dụng thực tiễn. Học viên rất mong được sự đóng góp của các Thầy Cô và các bạn để hoàn thiện hơn đề tài luận văn này.

Hướng phát triển

Công nghệ dù vẫn còn khá mới mẻ, còn nhiều hạn chế nhưng Blockchain vẫn đang tiếp tục phát triển để hạn chế những khuyết điểm và mở ra những tiềm năng mới hứa hẹn một sự thay đổi lớn, một cuộc cách mạng giống như cách mà internet đã thay đổi thế giới.

Hướng phát triển trong thời gian tới gồm:

1. Tiếp tục nghiên cứu về các công nghệ xây dựng nền tảng Blockchain thế hệ 3.0 với các giải pháp kỹ thuật mới an toàn hơn.
2. Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng các hợp đồng thông minh triển khai trên một số ứng dụng thực tế

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN CO TUYET\NGUYEN DONG HO