Bài 14: Cryptography Applications (P2)

Blockchain Network Security

1. Động lực (Motivations)

Vấn đề với hệ thống tập trung (Centralized Systems)

Trong mô hình truyền thống, một bên thứ ba tập trung (ngân hàng, chính phủ, tổ chức) nắm toàn bộ quyền kiểm soát:

• Tạo dữ liệu
• Lưu trữ dữ liệu
• Cập nhật/duy trì cơ sở dữ liệu (thêm/sửa/xóa)
• Kiểm soát quyền truy cập của người dùng

Ví dụ – Hệ thống ngân hàng:

Người dùng A ──┐
Người dùng B ──┤──► Clearing House (Ngân hàng Trung tâm) ──► Quyết định mọi thứ
Người dùng C ──┘

Ngân hàng kiểm soát: số dư tài khoản, lịch sử giao dịch, quyền chuyển tiền. Nếu ngân hàng gian lận hoặc bị hack → người dùng chịu hậu quả.

Giải pháp: Hệ thống phân tán quyền (Distributed Rights Systems)

Thay vì một bên nắm quyền, nhiều node cùng nhau đưa ra quyết định:

• Quyền quyết định: Nhiều node hợp tác biểu quyết cho sự kiện mới (giống cơ chế bỏ phiếu trong nghị viện)
• Lưu trữ an toàn: Dữ liệu được lưu tại nhiều vị trí (tất cả full nodes)
• Xóa bỏ điểm kiểm soát đơn độc

2. Cơ chế chịu lỗi (Fault-Tolerant Mechanism)

Crash Fault Tolerance (CFT)

Xử lý trường hợp các node bị crash hoặc mất kết nối ngẫu nhiên – bài toán tương đối dễ giải.

Byzantine Fault Tolerance (BFT)

Xử lý trường hợp có các node độc hại chủ động phá hoại quá trình đồng thuận.

3. Cơ sở dữ liệu bất biến – Immutable Database

3.1 Các phương pháp đảm bảo tính toàn vẹn

3.2 Merkle Hash Tree

Merkle Tree là cấu trúc dữ liệu dạng cây, trong đó mỗi nút cha là hash của hai nút con.

        Root Hash
       /          \
    H(H1||H2)   H(H3||H4)
    /      \     /      \
  H(x1) H(x2) H(x3) H(x4)
   |      |     |      |
   x1    x2    x3    x4  ← dữ liệu gốc (transactions)

• || ký hiệu nối chuỗi (string concatenation)
• Bảo vệ nhiều lá (leafs) → Chỉ cần tin tưởng một Root
• Có thể xác minh một giao dịch đơn lẻ mà không cần tải toàn bộ cây (Merkle Proof)
• Có thể lưu dưới dạng cấu trúc cây: index, XML

3.3 Hash Chains

h₀ (genesis)
 │
h₁ = H(r₁ || h₀)
 │
h₂ = H(r₂ || h₁)
 │
hᵢ = H(rᵢ || hᵢ₋₁)

• Bảo vệ nhiều bản ghi rⱼ
• Chỉ cần lưu tin tưởng hai hash đầu và cuối: h₀, hᵢ
• Nếu bất kỳ rⱼ nào bị thay đổi → hⱼ thay đổi → tất cả hash sau đó thay đổi → chuỗi bị phá vỡ và phát hiện ngay

3.4 Cấu trúc Bitcoin Block = Hash Chain + Merkle Tree

Block n-1          Block n           Block n+1
┌─────────────┐   ┌─────────────┐   ┌─────────────┐
│ Block Hash  │◄──│ Prev Hash   │◄──│ Prev Hash   │
│ Prev Hash   │   │ Version     │   │ Version     │
│ Version     │   │ Timestamp   │   │ Timestamp   │
│ Timestamp   │   │ Nonce       │   │ Nonce       │
│ nBits       │   │ nBits       │   │ nBits       │
│ Merkle Root │   │ Merkle Root │   │ Merkle Root │
│ Coinbase    │   │ Coinbase    │   │ Coinbase    │
│ Tx...       │   │ Tx...       │   │ Tx...       │
└─────────────┘   └─────────────┘   └─────────────┘

4. Xác minh giao dịch (Verifying Transaction Data)

4.1 Nội dung giao dịch (Transaction Contents)

Mỗi giao dịch Bitcoin có cấu trúc Input → Output (UTXO model):

Transaction A (trước đó)
├── Input:  [nguồn tiền từ tx trước]
└── Output: 0.1005 BTC → Joe

Transaction B (hiện tại)
├── Input:  Transaction A, Output #0 (0.1005 BTC từ Joe)
└── Output:
    ├── 0.0150 BTC → Bob's Address
    ├── 0.0845 BTC → Alice's Address (tiền thừa/change)
    └── 0.0005 BTC → Transaction Fee (phí mạng)

4.2 Cấu trúc Transaction trong Bitcoin

Transaction
├── TxID (hash của toàn bộ transaction)
├── Inputs[]
│   ├── Prev TxID (trỏ đến UTXO muốn dùng)
│   ├── Output Index
│   ├── ScriptSig (SigScript): chứa Signature + Public Key
│   └── Sequence
└── Outputs[]
    ├── Value (số satoshi)
    └── ScriptPubKey (PkScript): điều kiện để tiêu UTXO này

4.3 ECDSA – Elliptic Curve Digital Signature Algorithm

Thiết lập tham số (Parameters)

Sinh khóa (Key Generation)

Secret key (private key):  d ∈ᴿ [1, n-1]   ← chọn ngẫu nhiên
Public key:                Q = d·G ∈ E(ℤₚ)  = (Keyₓ, Keyᵧ)

Ký số (Signing message m)

1. Chọn k ∈ᴿ [1, n-1]  ← bí mật, KHÁC NHAU cho mỗi message!
2. Tính R = k·G = (x₁, y₁),  r = x₁ mod n
3. Tính s = k⁻¹ · (H(m) + d·r) mod n
4. Chữ ký: (r, s)

Xác minh chữ ký (Verification)

1. Tính w = s⁻¹ mod n
2. Tính u₁ = H(m)·w mod n,  u₂ = r·w mod n
3. Tính point X = u₁·G + u₂·Q
4. Chữ ký hợp lệ ↔ x-coordinate của X ≡ r (mod n)

Độ bảo mật theo chuẩn NIST FIPS 186-5:

4.4 Bitcoin Address (P2PKH – Pay to Public Key Hash)

Địa chỉ Bitcoin không phải là public key, mà là hash của nó:

Private Key (d)
     │  Elliptic Curve Multiplication (one-way)
     ▼
Public Key K = (Keyₓ, Keyᵧ)  [65 bytes uncompressed / 33 bytes compressed]
     │  SHA-256
     ▼
SHA256(K)
     │  RIPEMD-160
     ▼
Public Key Hash = RIPEMD160(SHA256(K))  [20 bytes = 160 bits]
     │  + version prefix 0x00 + checksum
     ▼
Bitcoin Address (Base58Check encoded)  [~34 characters]
     ví dụ: 195sYZIRik2y3gidQz3svoU7NexoLPJopr

4.5 Transaction Pool (Mempool)

Người dùng phát giao dịch
         │
         ▼
   Transaction Pool (Mempool)
   ┌─────────────────────────┐
   │  Trans1  Trans2  Trans3 │  ← các giao dịch hợp lệ
   │  Trans4  Trans5  ...    │     chờ được ghi vào block
   └──────────┬──────────────┘
              │ ~10 phút (Bitcoin)
              ▼
         New Block
   (Confirmed transactions)

5. Cơ chế đồng thuận (Consensus Mechanism)

5.1 Proof of Work (PoW)

Mục tiêu: Ngăn chặn các yêu cầu giả mạo (Sybil attack), đảm bảo đồng thuận phi tập trung.

Cơ chế:

Input cố định: [Header của block trước] + [Merkle Root] + [Transactions] + [Nonce]
                                                                               ▲
                                                                         Thay đổi liên tục
Output:        H(input) phải < Threshold (target difficulty)

Quy trình chi tiết:

Ví dụ cụ thể từ slide:

• Node 1: Thử Nonce = 7C4DDB29 → Hash = 2DFE8E32... → FAIL
• Node 1: Thử Nonce = 7C4DDB30 → Hash = 4124B3DC... → FAIL
• Node 1: Thử Nonce = 7C4DDB31 → Hash = 000004F652FED3109 → SUCCESS (starts with 0000)
• Node 2 và Node 3 dừng lại sau khi biết Node 1 thắng

Ưu điểm:

• Phi tập trung thực sự
• Đã được kiểm chứng qua thực tế (Bitcoin ~15 năm)

Nhược điểm:

• Tiêu tốn năng lượng khổng lồ
• Tốc độ thấp (~7 TPS với Bitcoin)

5.2 Proof of Stake (PoS)

Thay đổi cốt lõi: miners → validators; thay vì cạnh tranh bằng sức mạnh tính toán, validator được chọn ngẫu nhiên có trọng số theo stake.

Ví dụ: Nếu bạn nắm giữ 10% tổng stake của mạng → xác suất được chọn tạo block là ~10%.

5.3 The Scalability Trilemma

        Decentralization
             /\
            /  \
           /    \
          / sweet\
         / spot? \
        /──────────\
   Security      Scalability

Không thể đạt cả ba mục tiêu cùng lúc ở mức cao:

• Bitcoin: Hi sinh Scalability (~7 TPS) để đổi lấy Security + Decentralization
• Ripple/Stellar/EOS: Hi sinh Decentralization để đổi lấy Scale + Security

6. Kiến trúc mạng Blockchain

Đặc tính của Bitcoin (Case Study)

Decentralization (Phi tập trung):

• Không có điểm kiểm soát trung tâm
• Tất cả node phải đồng thuận để thêm dữ liệu
• Đảm bảo tính toàn vẹn trong quá trình đồng thuận

Immutability (Bất biến):

• Dữ liệu đã ghi không thể thay đổi
• Bảo vệ khỏi mọi sửa đổi hoặc tấn công
• Loại bỏ sự cần thiết phải tin tưởng bên thứ ba tập trung

Transparency (Minh bạch):

• Block explorer: truy cập toàn bộ dữ liệu block
• Bất kỳ ai cũng có thể tra cứu lịch sử giao dịch
• Audit trail hoàn chỉnh và không thể xóa

7. Smart Contracts – Thế hệ tiếp theo

Đặc điểm:

• Tự động thực thi (automatically execute) khi điều kiện thỏa mãn
• Kiểm soát / ghi lại các sự kiện có giá trị pháp lý
• Compiled code được deploy lên blockchain (immutable)
• Kích hoạt bởi việc gửi transaction từ wallet đến blockchain

Ví dụ Rust smart contract (trên Elrond/MultiversX):

#![no_std]
elrond_wasm::imports!();

#[elrond_wasm::derive::contract]
pub trait Adder {
    #[view(getSum)]
    #[storage_mapper("sum")]
    fn sum(&self) -> SingleValueMapper<BigInt>;

    #[init]
    fn init(&self, initial_value: BigInt) {
        self.sum().set(&initial_value);
    }

    #[endpoint]
    fn add(&self, value: BigInt) -> SCResult<()> {
        self.sum().update(|sum| *sum + value);
        Ok(())
    }
}

8. Các lĩnh vực ứng dụng của Blockchain

Tổng kết – Kiến trúc bảo mật của Blockchain

Kết luận: Blockchain là sự kết hợp khéo léo của nhiều kỹ thuật mật mã học (hash function, digital signature, public key cryptography) với cơ chế đồng thuận phân tán, tạo ra một hệ thống lưu trữ phi tập trung, bất biến, minh bạch và không cần tin tưởng (trustless).