Sự ra đời của bitcoin và chuỗi khối liên quan đến hai vấn đề tồn tại lâu dài trong tiền kỹ thuật số: Vấn đề chi tiêu gấp đôi và Vấn đề chung của Byzantine

Từ tiền tệ vật lý sang tiền kỹ thuật số: Giải quyết vấn đề chi tiêu gấp đôi

So với đồng tiền vật chất trong cuộc sống hàng ngày, khó khăn lớn nhất trong việc phát triển tiền điện tử là làm thế nào để vượt qua “vấn đề niềm tin”. Lý do tại sao vỏ sò và kim loại quý sớm nhất có thể được sử dụng làm vật tương đương chung là vì chúng có độ khan hiếm nhất định, và tiền giấy vật chất sau này dựa vào uy tín của nhà nước để giải quyết vấn đề tin cậy.

Những loại tiền tệ vật chất này có giá trị và có thể hoàn thành việc chuyển giá trị ngay lập tức. Trong thời đại kỹ thuật số, bất kỳ nội dung nào về cơ bản là sự kết hợp của mã 0 và 1, và tiền kỹ thuật số có thể được sao chép thành hai bản và phát hành cho hai người nhận khác nhau cùng một lúc, đây được gọi là “vấn đề chi tiêu gấp đôi”. Bản thân Internet không có khả năng đại diện cho giá trị, vì vậy mọi người trước đây phải sử dụng hệ thống tài khoản tập trung với máy chủ tập trung, chẳng hạn như ngân hàng, để sử dụng thẻ tín dụng và các loại tiền điện tử khác.

Một hệ thống không yêu cầu sự tin tưởng: Sổ cái phân tán

Nhưng liệu có một bên thứ ba thực sự đáng tin cậy hay không là một câu hỏi. Có nguy cơ xảy ra lỗi tại một điểm duy nhất, chẳng hạn như các cuộc tấn công vào các máy chủ tập trung và thậm chí các chính phủ có thể thu được “Seigniorage” bằng cách phát hành tiền quá mức. Giải pháp được đề xuất của Bitcoin là từ bỏ các trung gian bên thứ ba và xây dựng một sổ cái phân tán nơi mọi người là trung tâm của sổ cái.

Hãy xem xét một ngôi làng nơi chỉ có một "trưởng" chịu trách nhiệm giữ sổ cái và tất cả các chi phí của các thành viên trong làng được đăng ký với trưởng làng, người là trung tâm của hệ thống sổ cái. Hệ thống có thể hoạt động tốt nếu trưởng thôn là người đáng tin cậy; tuy nhiên, nếu thủ lĩnh, trung tâm của hệ thống, là một tên trộm, thì những người khác có thể khó phát hiện ra.

Hãy xem xét một ngôi làng “phi tập trung” trong đó mỗi thành viên nắm giữ một sổ cái giống hệt nhau. Khi một thành viên muốn thay đổi sổ cái, họ phải thông báo cho các thành viên khác thông qua “broadcast” để họ xác nhận các mục và sao chép chúng vào sổ cái của chính họ. Quá trình giao dịch không hoàn tất cho đến khi tất cả các thành viên đã xác nhận và cập nhật sổ cái của họ. Đây thực chất là cách mạng Bitcoin hoạt động.

Triển khai Sổ cái Phân tán: Khối và Chuỗi khối

Bitcoin đã phát minh ra một loại hệ thống kỹ thuật số mới để ghi lại giao dịch tài sản được gọi là sổ cái phân tán. Trái ngược với ghi tập trung, nơi dữ liệu được lưu trữ trên các máy chủ tập trung, chuỗi khối là cơ sở dữ liệu phi tập trung, với mỗi nút trong mạng đóng vai trò là chủ sở hữu và người bảo trì cơ sở dữ liệu.

Bitcoin là ứng dụng quy mô lớn đầu tiên của chuỗi khối và chuỗi khối là nền tảng cơ bản của Bitcoin.

Hệ thống Bitcoin có thể được chia thành ba lớp: Lớp dữ liệu, lớp giao thức và lớp ứng dụng. Hãy bắt đầu với “sổ cái” (lớp dữ liệu) mà mỗi thành viên hệ thống Bitcoin sở hữu.

Từ Merkle Trees đến Block “Chains”

Một chuỗi khối về cơ bản là một sổ cái phân tán được duy trì bởi tất cả các nút trong mạng, với mỗi nút lưu trữ toàn bộ dữ liệu chuỗi khối. “Chuỗi” khối được lưu trữ bởi một nút là một chuỗi các khối được sắp xếp theo thứ tự được kết nối với nhau và bản thân khối đó là một cấu trúc dữ liệu không thể thay đổi được duy trì bởi thuật toán Hash mật mã.

Hàm băm (SHA-256 và RipeMD160) là một thuật toán mật mã quan trọng trong Bitcoin có thể chuyển đổi giá trị đầu vào có độ dài tùy ý thành giá trị đầu ra có độ dài cố định với tính năng ngẫu nhiên, không va chạm. Và rất khó để đoán giá trị đầu vào cho một hàm băm từ đầu ra của nó. Một thay đổi nhỏ trong đầu vào có thể dẫn đến một đầu ra khác biệt đáng kể. Đầu ra của hàm băm có thể dễ dàng được lấy từ đầu vào, nhưng việc suy luận đầu vào từ đầu ra yêu cầu phép liệt kê thô bạo, mất một lượng thời gian và sức mạnh tính toán đáng kể. Việc sử dụng lặp đi lặp lại các hàm băm giúp đơn giản hóa và xác định cấu trúc dữ liệu của Bitcoin.

Một khối Bitcoin bao gồm hai phần: thân khối và tiêu đề khối. Phần thân khối chứa tất cả thông tin giao dịch trên khối đó, được băm nhiều lần để tạo thành một cấu trúc được gọi là cây Merkle, tạo nên phần thân khối. Thông báo giao dịch đầu tiên trên mỗi khối này còn được gọi là giao dịch coinbase và là giao dịch tạo bitcoin mới và thưởng chúng cho người khai thác, trong khi tất cả các giao dịch khác là chuyển giao giữa người dùng với nhau.

Các giao dịch này trải qua nhiều hoạt động băm để cuối cùng đạt được giá trị gọi là Merkle Hash, là tổng của tất cả dữ liệu giao dịch. Băm Merkle, cùng với Nunce, dấu thời gian, băm khối chính và các dữ liệu khác, tạo thành tiêu đề khối và tính toán giá trị băm của tiêu đề khối có thể nhận được Băm khối của khối này. Vì tiêu đề khối của mỗi khối chứa giá trị băm của khối chính nên tất cả các khối được kết nối thành một chuỗi. Các khối được lồng vào nhau và bất kỳ thay đổi nào đối với dữ liệu khối sẽ dẫn đến thay đổi hàm băm khối, điều này sẽ phá vỡ chuỗi.

Proof-of-Work(PoW): Cơ chế đồng thuận cho an ninh mạng

Sau khi giới thiệu “sổ cái” (lớp dữ liệu) do mỗi nút nắm giữ, hãy chuyển sang lớp đồng thuận Bitcoin, chịu trách nhiệm về an ninh mạng.

Trước khi đi sâu vào sự đồng thuận phân tán, điều quan trọng là phải hiểu vấn đề “Các tướng quân Byzantine”.

Byzantine Generals: Sự cố đồng bộ hóa nhiều thông báo

Bài toán Các tướng lĩnh Byzantine có từ thời trung cổ khi quân đội Byzantine dựa vào các sứ giả để truyền thông tin do lãnh thổ rộng lớn của Byzantium. Nếu kẻ phản bội cố tình xuyên tạc thông tin tác chiến của cấp trên sẽ dẫn đến kế hoạch tác chiến không thống nhất, dẫn đến “Vấn đề tướng quân Byzantine”.

Mạng Bitcoin bao gồm một số nút phi tập trung, mỗi nút là một “quân đoàn” độc lập, tự trị và bình đẳng. Mỗi nút trong mạng đều có bản sao dữ liệu chuỗi khối duy nhất của riêng mình và tất cả họ đều muốn trở thành người đầu tiên đóng gói các giao dịch và kiếm phần thưởng bitcoin. Vì vậy, nút nào sẽ thành công trong việc giành được quyền sổ cái và thuyết phục toàn bộ mạng đạt được sự đồng thuận để sửa đổi dữ liệu chuỗi khối?

Proof-of-Work(PoW): Tính toán câu trả lời và xuất bản nó lên mạng để xác minh theo thời gian thực

Câu trả lời của Bitcoin là cơ chế đồng thuận Proof-of-Work (PoW), thường được gọi là “khai thác”, là một quy trình điện toán kỹ thuật số được thực hiện bởi các nút, trong đó nút đầu tiên tìm thấy “câu trả lời” sẽ có quyền sổ cái. Cụ thể, nút cần tiếp tục cố gắng thay đổi Nunce của tiêu đề khối, tính toán hàm băm khối và cuối cùng nhận được hàm băm khối trong đó một vài bit đầu tiên bằng 0.

Tại thời điểm này, giá trị Nunce là câu trả lời cho câu hỏi. Sau khi tìm thấy câu trả lời, nút sẽ phát nó đến các nút mạng khác và sau khi xác minh câu trả lời, các nút khác sẽ nhanh chóng lấy khối làm nút cha mới và tiếp tục vòng hoạt động khai thác tiếp theo.

Điều đó đưa ra một vấn đề là dữ liệu cần có thời gian để truyền giữa các nút và hoàn toàn có khả năng hai hoặc nhiều nút đã khám phá ra câu trả lời cho câu đố cùng một lúc trước khi toàn bộ cộng đồng đi đến thống nhất. Tuy nhiên, vì hai nút đóng gói các giao dịch coinbase khác nhau, điều này dẫn đến hai khối hợp lệ riêng biệt. Do các chuỗi tín hiệu khác nhau, các nút khai thác sẽ hoạt động trên cả hai chuỗi nhánh. Tại thời điểm này, mạng Bitcoin sẽ tuân theo “quy tắc chuỗi dài nhất”, coi chuỗi fork có nhiều khối nhất là chuỗi khối duy nhất được công nhận. Cuộc thi fork này thường được hoàn thành trong vòng chưa đầy 6 khối và tất cả các giao dịch trên chuỗi bị bỏ rơi khác đều bị vô hiệu.

Bản chất của Bitcoin: mô hình UXTO

Các nút bitcoin có thể đồng bộ hóa các bản cập nhật cho sổ cái phân tán bằng cách khai thác và quy tắc chuỗi dài nhất để đạt được sự đồng thuận. Sổ cái phân tán dựa trên sự đồng thuận này cũng làm cho các loại tiền kỹ thuật số ngang hàng như Bitcoin trở nên khả thi.

Các loại tiền điện tử truyền thống sử dụng hệ thống tài khoản tập trung, nơi các tài khoản được tạo cho mỗi người dùng trên một máy chủ trung tâm và dữ liệu số dư được lưu trữ cho tất cả các tài khoản. Sau mỗi giao dịch, số dư tài khoản được tăng hoặc giảm theo thứ tự thời gian. Mặt khác, Bitcoin sử dụng mô hình UXTO, đại diện cho đầu ra của các giao dịch chưa được chi tiêu.

Mật mã bất đối xứng được sử dụng để bảo mật các giao dịch bitcoin. Mỗi người dùng Bitcoin phải có một cặp khóa công khai và khóa riêng, tương tự như tài khoản và mật khẩu. Người dùng phải ký dữ liệu giao dịch bằng khóa riêng và xuất bản dữ liệu giao dịch, chữ ký và khóa chung cùng nhau. Tuy nhiên, trong mỗi giao dịch, người dùng không chuyển trực tiếp số dư tài khoản mà sử dụng “số tiền chưa tiêu” của nhiều giao dịch trước đó, tức là UTXO.

Trong hệ thống Bitcoin, không có khái niệm về tài khoản hoặc số dư tài khoản, chỉ có UTXO của tất cả các giao dịch trong hồ sơ lịch sử. Ví bitcoin có thể quét dữ liệu của tất cả các giao dịch trước đó và tính toán tổng UTXO của một địa chỉ cụ thể (tức là khóa công khai) để xác định số dư tài khoản. Hơn nữa, khi một giao dịch được bắt đầu, ví bitcoin có thể tự động khớp UTXO với số dư chính xác để hoàn tất chuyển khoản.

Điểm nổi bật

• Bitcoin dựa trên công nghệ khối. Chuỗi khối là một cơ sở dữ liệu phi tập trung được sử dụng để tạo sổ cái phân tán, do đó không cần sự tin tưởng của bên thứ ba và mỗi nút trong mạng đóng vai trò là người duy trì dữ liệu.
• Bitcoin sử dụng thuật toán SHA256 để tạo hàm băm và lưu trữ dữ liệu trong tiêu đề khối và thân khối. Nó trở thành một cấu trúc được tạo thành từ các khối riêng lẻ được liên kết với nhau và vì dữ liệu là không thể thay đổi nên nó cực kỳ an toàn.
• Cơ chế đồng thuận của Bitcoin là Proof-of-Work (PoW), là cơ chế cho phép các nút sử dụng sức mạnh số học để giải một câu đố và sau đó đồng bộ hóa giao dịch với các nút khác để nhận phần thưởng khối.