Blockchain cơ bản: Từ nguyên lý đến ứng dụng thực tiễn

Tóm tắt điểm chính

• Blockchain là một hệ thống ghi chép dữ liệu phân tán, đảm bảo tính không thể thay đổi của dữ liệu giao dịch thông qua mật mã và cơ chế đồng thuận.
• Nó đã đặt nền tảng kỹ thuật cho các tài sản kỹ thuật số như Bitcoin, Ethereum, và đang thay đổi nhiều ngành công nghiệp như tài chính, chuỗi cung ứng, và bỏ phiếu.
• Phi tập trung, độ minh bạch và an ninh là ba đặc điểm cốt lõi của công nghệ này.

Blockchain đã thay đổi tài chính hiện đại như thế nào

Sự xuất hiện của công nghệ blockchain đã phá vỡ mô hình quản lý dữ liệu truyền thống. Khác với các công nghệ internet khác, nó giới thiệu một cơ chế tin cậy hoàn toàn mới - không còn phụ thuộc vào các tổ chức trung ương, mà thông qua sự hợp tác của nhiều người tham gia trong mạng lưới phân tán để duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu.

Sự chuyển biến này ban đầu thể hiện sức mạnh trong lĩnh vực tiền mã hóa, nhưng phạm vi ứng dụng của nó đã mở rộng đến nhiều lĩnh vực như theo dõi chuỗi cung ứng, quản lý hồ sơ y tế, hệ thống xác thực danh tính, thậm chí cả cơ chế bỏ phiếu. Dù ở ngành nào, blockchain cũng hứa hẹn cung cấp tính minh bạch cao hơn, an ninh mạnh mẽ hơn và chi phí giao dịch thấp hơn.

Bản chất của blockchain là gì?

Từ góc độ kỹ thuật, blockchain là một sổ cái phân tán, được duy trì bởi một mạng lưới máy tính trải rộng trên toàn cầu. Sổ cái này tổ chức tất cả thông tin giao dịch theo thứ tự thời gian thành các “khối”, mỗi khối được liên kết với nhau thông qua các thuật toán mật mã.

Khác với cơ sở dữ liệu truyền thống do một tổ chức duy nhất quản lý, thiết kế phi tập trung của blockchain có nghĩa là không ai có thể kiểm soát hệ thống một cách đơn phương. Các giao dịch giữa các bên tham gia có thể diễn ra trực tiếp mà không cần tổ chức trung gian. Kiến trúc này thay đổi căn bản logic quản lý dữ liệu.

Cần lưu ý rằng, mặc dù có nhiều loại blockchain, nhưng thường chúng ta thảo luận về những sổ cái phân tán được sử dụng để ghi lại các giao dịch tài sản tiền điện tử.

Dòng phát triển của blockchain

Khái niệm về blockchain hiện đại có nguồn gốc từ đầu những năm 1990, khi hai nhà nghiên cứu - một nhà khoa học máy tính và một nhà vật lý - phát triển một mô hình blockchain dựa trên mật mã để ngăn chặn việc sửa đổi tài liệu kỹ thuật số. Công việc của họ đã truyền cảm hứng cho một lượng lớn những người yêu thích mật mã và lập trình viên, cuối cùng dẫn đến sự ra đời của ứng dụng blockchain thực sự đầu tiên - Bitcoin.

Kể từ đó, ảnh hưởng của công nghệ này ngày càng tăng. Việc áp dụng toàn cầu của tài sản kỹ thuật số và sự mở rộng không ngừng của các trường hợp ứng dụng đã biến blockchain từ một khái niệm nhỏ thành một lực lượng công nghệ gây ra sự biến đổi trong ngành.

Lợi thế cốt lõi của blockchain

Kiến trúc phi tập trung Thông tin được lưu trữ phân tán trên nhiều nút trong mạng, thay vì tập trung trên một máy chủ. Cách lưu trữ phân tán này mang lại khả năng chống tấn công mạnh mẽ cho các mạng phi tập trung quy mô lớn (như Bitcoin).

Độ minh bạch hoàn toàn Hầu hết các blockchain công cộng cho phép tất cả người tham gia xem cùng một bản ghi giao dịch đầy đủ. Mỗi giao dịch đều nằm dưới sự giám sát công khai và bất kỳ ai cũng có thể thực hiện xác minh.

Tính vĩnh cửu của dữ liệu Khi dữ liệu đã được ghi vào blockchain, gần như không thể sửa đổi trừ khi nhận được sự đồng thuận của toàn bộ mạng.

Cơ chế bảo vệ mã hóa Thông qua các thuật toán mật mã và cơ chế đồng thuận mạng, dữ liệu trong hệ thống được bảo vệ đa tầng, giảm thiểu đáng kể nguy cơ bị sửa đổi.

Nâng cao hiệu quả giao dịch Do vì đã loại bỏ các khâu trung gian, blockchain có thể thực hiện xử lý giao dịch nhanh hơn và rẻ hơn, việc thanh toán giao dịch có thể diễn ra gần như ngay lập tức.

Phi tập trung: Linh hồn của blockchain

Trong hệ thống blockchain, phi tập trung có nghĩa là quyền lực và quyền quyết định được phân tán cho các thành viên trong mạng lưới, thay vì nằm trong tay một cơ quan chính phủ hoặc doanh nghiệp nào đó.

Trong kiến trúc này, không có một người kiểm soát hoặc trung gian duy nhất. Tất cả các giao dịch đều được xác minh và ghi lại qua mạng phân tán, tất cả các bên tham gia trong mạng cùng chia sẻ trách nhiệm duy trì tính toàn vẹn của hệ thống. Điều này đã thay đổi hoàn toàn cách mọi người hiểu về “niềm tin”.

Cơ chế hoạt động của blockchain

Vai trò của sổ cái Blockchain đóng vai trò như một sổ cái kỹ thuật số an toàn, ghi lại một cách đáng tin cậy các giao dịch giữa các bên khác nhau và ngăn chặn truy cập trái phép.

Ghi chép phân tán Khi một giao dịch xảy ra (ví dụ, người dùng A chuyển tiền kỹ thuật số cho người dùng B), giao dịch này được phát đi đến mạng máy tính toàn cầu. Mỗi máy tính trong mạng đều xác minh giao dịch, kiểm tra tính xác thực của chữ ký số và các dữ liệu giao dịch khác.

Sau khi xác thực hoàn tất, giao dịch này sẽ được gộp cùng với các giao dịch đã xác thực khác vào một khối mới. Quá trình này tương tự như việc ghi chép một trang mới trong sổ cái.

Nhiều khối được kết nối với nhau thông qua các phương pháp mật mã, tạo thành một chuỗi ngày càng tăng. Mỗi khối đều chứa các đặc trưng mật mã của khối trước đó, điều này đảm bảo rằng bất kỳ hành động nào cố gắng thay đổi lịch sử đều sẽ được phát hiện ngay lập tức.

Để đảm bảo tất cả các tham gia viên đều đạt được sự đồng thuận về trạng thái của blockchain, hệ thống đã áp dụng cơ chế đồng thuận. Đây là một bộ quy tắc cho phép các nút trong mạng phối hợp hành động để đạt được sự đồng thuận về tính hợp lệ của các giao dịch mới và trạng thái của hệ thống.

Từ giao dịch đến ghi chép: phân tích từng bước

Bước 1: Khởi động và xác thực giao dịch

Khi người dùng khởi động giao dịch, giao dịch này sẽ được gửi đến mỗi nút trong mạng. Mỗi nút sẽ kiểm tra theo các quy tắc đã được thiết lập trước để xác nhận tính hợp pháp của giao dịch.

Bước 2: Các thành phần của khối

Các giao dịch đã được xác thực được tổng hợp thành một khối mới. Mỗi khối chứa:

• Dữ liệu giao dịch — Thông tin giao dịch cụ thể
• Dấu thời gian — Ghi lại thời điểm chính xác của việc tạo khối
• Dữ liệu dấu vân tay — Định danh duy nhất được tạo ra bằng thuật toán băm
• Dấu vân tay của khối trước — Liên kết này sẽ nối tất cả các khối lại với nhau

Bước ba: Đạt được sự đồng thuận trong mạng

Để thêm khối mới vào chuỗi, các thành viên trong mạng phải đạt được sự đồng thuận về tính hợp lệ của nó. Điều này được thực hiện thông qua thuật toán đồng thuận, trong đó hai loại phổ biến nhất là Bằng chứng công việc (PoW) và Bằng chứng cổ phần (PoS):

Mô hình chứng minh công việc Trong cơ chế này (Bitcoin áp dụng cách này), các xác thực viên cần sử dụng sức mạnh tính toán để giải quyết các vấn đề toán học phức tạp. Người xác thực đầu tiên giải quyết được vấn đề sẽ giành được quyền thêm khối mới và nhận được tài sản mã hóa như phần thưởng. Quá trình này cần đầu tư một lượng lớn tài nguyên tính toán và điện năng.

Chế độ chứng minh quyền lợi Thế hệ blockchain mới (như Ethereum) áp dụng phương thức tiết kiệm năng lượng hơn. Tại đây không có việc khai thác cạnh tranh, mà là các xác nhận viên đặt cược tài sản mã hóa để tham gia. Các nút được chọn ngẫu nhiên từ nhóm xác nhận viên dựa trên số lượng đặt cược để tạo ra các khối mới. Các xác nhận viên nhận được phần thưởng từ phí giao dịch, nếu có hành vi sai trái thì sẽ đối mặt với nguy cơ bị tịch thu tài sản đặt cược.

Bước 4: Mở rộng chuỗi

Khối được thêm vào chuỗi khối sau khi được xác nhận. Mỗi khối tiếp theo sẽ tham chiếu thông tin của khối trước đó, thiết kế này đảm bảo độ bền của toàn bộ cấu trúc chuỗi, giúp nó chống lại mọi hình thức sửa đổi trái phép.

Bước 5: Tính khả thi của thông tin

Một đặc điểm khác của blockchain là khả năng kiểm tra hoàn chỉnh của nó. Thông qua các công cụ duyệt khối có sẵn công khai, bất kỳ ai cũng có thể xem dữ liệu trên chuỗi, bao gồm tất cả thông tin giao dịch và hồ sơ chi tiết của các khối.

Lấy mạng lưới Bitcoin làm ví dụ, người dùng có thể theo dõi từng giao dịch Bitcoin, xem địa chỉ người gửi, địa chỉ người nhận, số tiền chuyển nhượng và các thông tin khác. Thậm chí có thể quay ngược về khối đầu tiên của hệ thống - khối Genesis.

Mật mã học: Nền tảng an toàn của chuỗi khối

Để đảm bảo tính xác thực, minh bạch và khả năng chống giả mạo của các giao dịch, blockchain dựa vào mật mã học. Trong đó, công nghệ quan trọng nhất là hàm băm - một thuật toán chuyển đổi dữ liệu đầu vào có độ dài tùy ý thành chuỗi có độ dài cố định.

Trong hệ thống blockchain, hàm băm có đặc tính kháng va chạm, tức là xác suất tìm thấy hai đầu vào khác nhau tạo ra đầu ra giống nhau là cực kỳ nhỏ. Nhưng đặc điểm quan trọng là, ngay cả khi đầu vào thay đổi một chút (chẳng hạn như thay đổi một chữ cái thành chữ hoa hoặc chữ thường), đầu ra sẽ hoàn toàn khác.

Lấy thuật toán SHA256 làm ví dụ (được ứng dụng rộng rãi trên nhiều blockchain), bất kỳ sự thay đổi nhỏ nào trong đầu vào đều sẽ dẫn đến giá trị băm hoàn toàn khác.

Ngoài ra, hàm băm là một chiều - không thể suy ngược từ đầu ra để tìm ra đầu vào ban đầu.

Vì mỗi khối đều chứa giá trị băm của khối trước đó, điều này tạo ra một cấu trúc chuỗi khối vững chắc. Nếu ai đó cố gắng can thiệp vào một khối nào đó, họ sẽ phải tính toán lại tất cả các khối sau khối đó, điều này không chỉ cực kỳ khó khăn về mặt tính toán mà còn tốn kém một cách vô lý.

Một công nghệ mật mã quan trọng khác là mật mã khóa công khai (mã hóa không đối xứng). Nó đảm bảo rằng hai bên giao dịch có thể tương tác một cách an toàn và có thể xác minh.

Cơ chế hoạt động của nó như sau: Mỗi người dùng sở hữu một cặp khóa - khóa riêng tư phải được giữ bí mật và khóa công khai. Khi người dùng khởi động giao dịch, họ sử dụng khóa riêng để ký giao dịch, tạo ra chữ ký số. Các người tham gia khác trong mạng có thể sử dụng khóa công khai của người khởi xướng để xác minh chữ ký này. Cơ chế này đảm bảo rằng chỉ có chủ sở hữu thực sự của khóa riêng mới có thể ủy quyền cho giao dịch, nhưng bất kỳ ai cũng có thể xác minh tính xác thực của chữ ký.

Giải thích về cơ chế đồng thuận

Thuật toán đồng thuận là một bộ cơ chế phối hợp, cho phép các thành viên trong mạng phân tán làm việc cùng nhau. Nó đảm bảo rằng ngay cả khi một số nút gặp sự cố, toàn bộ mạng vẫn có thể đạt được sự đồng thuận về trạng thái dữ liệu.

Cơ chế này đảm bảo rằng tất cả các nút trong mạng phân tán đều lưu trữ cùng một phiên bản sổ cái, ghi lại tất cả các giao dịch đã được thực hiện.

Khi hàng triệu nút giữ bản sao dữ liệu giống nhau, rất dễ xảy ra vấn đề không đồng bộ hoặc các nút độc hại. Do đó, nhiều cơ chế đồng thuận đã ra đời, quy định cách các nút phối hợp để đạt được sự đồng thuận.

Các loại cơ chế đồng thuận chính

Bằng chứng công việc (PoW) Đây là mô hình đồng thuận ban đầu, vẫn đang phát huy tác dụng trong các mạng như Bitcoin. Trong PoW, người tham gia cạnh tranh để giải quyết các vấn đề toán học khó khăn nhằm giành quyền xác thực và phần thưởng. Điều này yêu cầu sử dụng thiết bị tính toán hiệu suất cao và tiêu tốn một lượng lớn năng lượng, do đó có chi phí rất cao.

Bằng chứng quyền lợi (PoS) PoS được thiết kế để khắc phục một số điểm yếu của PoW. Trong mô hình này, không có sự cạnh tranh khai thác. Thay vào đó, hệ thống chọn các xác thực viên dựa trên quy mô tài sản kỹ thuật số mà họ đã đặt cọc. Việc đặt cọc đại diện cho một khoản tiền đảm bảo. Các xác thực viên được chọn nhận phí giao dịch như một phần thưởng, nếu có hành vi xấu thì có thể mất khoản đặt cọc.

Các mô hình đồng thuận khác Ngoài PoW và PoS, thị trường còn có nhiều thuật toán đồng thuận khác. Một số kết hợp đặc điểm của hai phương pháp chính, trong khi một số khác mở ra những con đường đồng thuận hoàn toàn mới.

Chứng nhận quyền ủy thác (DPoS) Cơ chế này tương tự như PoS, nhưng có một điểm khác biệt quan trọng: những người nắm giữ coin không trực tiếp tham gia xác thực, mà bỏ phiếu để chọn ra một nhóm đại diện để đại diện cho họ tạo khối.

Chứng nhận ủy quyền (PoA) Cách này xem xét uy tín hoặc danh tính của người xác thực, thay vì số lượng tài sản mà họ nắm giữ. Người xác thực được chọn dựa trên độ tin cậy, nếu có hành vi sai trái có thể bị mạng lưới loại bỏ.

Ba hình thức của mạng blockchain

chuỗi công cộng

Chuỗi công cộng là mạng phi tập trung hoàn toàn mở, bất kỳ ai cũng có thể tham gia tự do. Các mạng này thường sử dụng mã nguồn mở và hoạt động công khai, minh bạch, không dựa vào niềm tin của bên thứ ba. Bitcoin và Ethereum đều thuộc loại này.

chuỗi riêng tư

Chuỗi riêng là mạng lưới đóng kín được kiểm soát, thường do một tổ chức duy nhất sở hữu và vận hành. Nó hạn chế người tham gia và đặt ra quy tắc để quyết định ai có thể xem và ghi lại giao dịch. Mặc dù chuỗi riêng không phải là phi tập trung, nhưng nó có thể phân tán, cho phép nhiều nút lưu trữ bản sao dữ liệu.

chuỗi liên minh

Chuỗi liên minh nằm giữa chuỗi công khai và chuỗi riêng tư, được thành lập và quản lý bởi nhiều tổ chức hợp tác. Mạng lưới này có thể công khai hoặc hạn chế quyền truy cập tùy theo nhu cầu của các bên tham gia. Khác với chuỗi công khai hoàn toàn mở hoặc chuỗi riêng tư do một bên kiểm soát, quyền xác thực trong chuỗi liên minh nằm trong tay của một số bên tham gia bình đẳng. Nếu những bên tham gia này có thể đạt được đồng thuận, việc cập nhật hệ thống sẽ dễ dàng hơn. Chỉ cần phần lớn các thành viên tiếp tục hành động trung thực, hệ thống có thể duy trì sự ổn định.

Ứng dụng thực tế của blockchain

Mặc dù blockchain vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, nhưng đã tìm thấy các ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp.

giao dịch tài sản số

Blockchain hỗ trợ việc tạo ra và ghi chép giao dịch của tài sản mã hóa. So với chuyển tiền quốc tế truyền thống (liên quan đến nhiều trung gian và phí cao), blockchain có thể thực hiện việc chuyển tiền nhanh hơn, rẻ hơn và minh bạch hơn. Nhiều người dùng sử dụng tài sản như Bitcoin để chuyển tiền toàn cầu.

Hợp đồng thông minh và ứng dụng phi tập trung

Hợp đồng thông minh là mã chương trình có thể tự động thực thi, tự động thực hiện các hành động đã được định sẵn khi các điều kiện nhất định được đáp ứng. Blockchain cung cấp một môi trường an toàn và phi tập trung để xây dựng và vận hành những hợp đồng này.

Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng phi tập trung (DApp) và tổ chức tự trị (DAO), đây đều là những thành phần quan trọng trong hệ sinh thái tài chính phi tập trung (DeFi). Các nền tảng DeFi cung cấp các dịch vụ tài chính như cho vay, vay mượn, giao dịch thông qua blockchain, không cần phụ thuộc vào các tổ chức tài chính truyền thống, từ đó dân chủ hóa việc tiếp cận các công cụ tài chính.

Số hóa tài sản thực

Tài sản thực (như bất động sản, cổ phiếu, tác phẩm nghệ thuật) có thể được “đồng hóa” - chuyển đổi thành đại diện số trên blockchain. Cách này có thể cải thiện tính thanh khoản của tài sản, mở rộng cơ hội đầu tư.

Hệ thống quản lý danh tính

Công nghệ blockchain có thể được sử dụng để xây dựng hệ thống danh tính kỹ thuật số an toàn và không thể bị giả mạo, nhằm xác thực danh tính cá nhân và bảo vệ dữ liệu nhạy cảm. Khi cuộc sống ngày càng trở nên kỹ thuật số, nhu cầu cho những ứng dụng như vậy sẽ ngày càng tăng.

Bỏ phiếu dân chủ

Blockchain cho phép việc bỏ phiếu an toàn và minh bạch, loại bỏ cơ hội gian lận. Nó cung cấp một hệ thống ghi chép phi tập trung và chống giả mạo cho việc bỏ phiếu.

độ minh bạch chuỗi cung ứng

Blockchain có thể tạo ra một sổ cái theo dõi tất cả các giao dịch trong chuỗi cung ứng. Như vậy, mỗi giao dịch được ghi lại dưới dạng một khối trên chuỗi, đảm bảo tính không thể thay đổi và tính minh bạch của toàn bộ quy trình chuỗi cung ứng.

Kết luận

Công nghệ blockchain đại diện cho một sự chuyển đổi mô hình trong việc ghi chép và lưu trữ dữ liệu. Nó mang lại không chỉ là những tiến bộ công nghệ mà còn là một cách mới để xây dựng lòng tin trong kỷ nguyên số. Từ giao dịch ngang hàng đến hình thức tài sản số đổi mới, cho đến sự phát triển của các ứng dụng phi tập trung - blockchain đã mở ra một cánh cửa đến những khả năng mới.

Khi công nghệ này ngày càng trưởng thành, chúng ta có thể mong đợi thấy nhiều trường hợp ứng dụng sáng tạo xuất hiện trong các lĩnh vực tài chính, chuỗi cung ứng, xác thực danh tính và nhiều lĩnh vực khác.