Hàm Băm (Hash): Nền Tảng Bảo Mật Của Blockchain và Ứng Dụng Thực Tế

Hàm băm (Hash function) đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ an toàn cho mạng lưới Bitcoin và nhiều ứng dụng khác. Vậy, hàm băm là gì và cách thức hoạt động của nó ra sao? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết.

Hàm Băm Là Gì?

Về bản chất, hashing là quá trình chuyển đổi một dữ liệu đầu vào với độ dài bất kỳ thành một chuỗi đầu ra đặc trưng có độ dài cố định. Quá trình này được thực hiện thông qua hàm băm (hash function).

Hàm băm có thể được hiểu là bất kỳ hàm nào có khả năng ánh xạ dữ liệu với kích thước tùy ý thành các giá trị có kích thước cố định. Các giá trị trả về từ hàm băm được gọi là giá trị băm (hash value), mã băm (hash code), thông điệp băm (message digest), hay đơn giản là “hash”.

Ví dụ, khi bạn tải một video 50 MB từ YouTube và sử dụng thuật toán SHA-256 để băm video đó, bạn sẽ nhận được một giá trị băm có độ dài 256 bit. Tương tự, nếu bạn băm một tin nhắn văn bản 5 KB bằng SHA-256, kết quả trả về vẫn là một giá trị băm 256 bit.

Như vậy, với SHA-256, dù dữ liệu đầu vào lớn hay nhỏ, đầu ra luôn có độ dài cố định là 256 bit. Điều này đặc biệt quan trọng khi xử lý lượng lớn dữ liệu và giao dịch. Thay vì phải xử lý toàn bộ dữ liệu đầu vào (có thể rất lớn), bạn chỉ cần xử lý và theo dõi các giá trị băm nhỏ gọn.

Trong blockchain, các giao dịch với độ dài khác nhau được băm thông qua một thuật toán băm nhất định, và kết quả luôn là một chuỗi có độ dài cố định, bất kể kích thước giao dịch ban đầu. Bitcoin sử dụng thuật toán SHA-256 để băm các giao dịch, tạo ra đầu ra có độ dài cố định là 256 bit (32 byte), dù giao dịch chỉ là một từ hay phức tạp với lượng dữ liệu khổng lồ. Điều này giúp việc theo dõi các giao dịch trở nên dễ dàng hơn khi truy xuất và theo dõi các giá trị băm. Kích thước của hàm băm phụ thuộc vào hàm băm được sử dụng.

Trong blockchain, các hàm băm mật mã (cryptographic hash function) như SHA-1, SHA-2, SHA-3, SHA-256 được sử dụng phổ biến nhất để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu. Các hàm băm mật mã có một số tính chất quan trọng, phù hợp để bảo vệ an toàn dữ liệu.

Hàm Băm Mật Mã

Hàm băm mật mã là các hàm băm được thiết kế để sử dụng trong lĩnh vực mật mã. Tương tự như các hàm băm thông thường, nó là một thuật toán toán học ánh xạ dữ liệu có kích thước bất kỳ thành một chuỗi bit có kích thước cố định (giá trị băm). Điểm khác biệt là hàm băm mật mã đảm bảo tính chất một chiều, nghĩa là không thể đảo ngược. Nếu bạn có một giá trị băm đầu ra, rất khó (hoặc không thể) suy ngược lại giá trị đầu vào ban đầu để tạo ra giá trị băm đó, trừ khi bạn thử tất cả các khả năng có thể của thông điệp đầu vào. Đây là một tính chất vô cùng quan trọng, biến hàm băm mật mã thành một công cụ cơ bản của mật mã hiện đại.

Hàm băm mật mãHàm băm mật mã

Các hàm băm mật mã có nhiều ứng dụng trong bảo mật thông tin. Chúng được sử dụng rộng rãi trong chữ ký số, mã xác thực thông điệp (MAC) và các hình thức xác thực khác. Ngoài ra, chúng cũng có thể được sử dụng như các hàm băm thông thường để lập chỉ mục dữ liệu trong bảng băm, lấy đặc trưng của dữ liệu, phát hiện dữ liệu trùng lặp hoặc làm tổng kiểm tra để phát hiện lỗi trong dữ liệu.

Tính Chất Của Hàm Băm Mật Mã

Về cơ bản, hàm băm mật mã cần đảm bảo các tính chất sau:

  • Tính tất định: Cùng một thông điệp đầu vào luôn tạo ra cùng một giá trị băm.
  • Tính hiệu quả: Khả năng tính toán nhanh chóng giá trị băm của bất kỳ thông điệp nào.
  • Tính nhạy cảm: Bất kỳ thay đổi nhỏ nào trên dữ liệu đầu vào (dù chỉ một bit) cũng sẽ tạo ra một sự thay đổi lớn trên giá trị băm, tạo ra một giá trị băm hoàn toàn khác và không liên hệ gì với giá trị băm cũ (hiệu ứng tuyết lở).

Như bạn thấy, chỉ cần thay đổi một chữ cái đầu tiên của đầu vào, đầu ra đã thay đổi gần như hoàn toàn. Đây là một tính chất quan trọng của hàm băm, dẫn đến một trong những tính chất lớn nhất của blockchain: tính bất biến. Bạn không thể thay đổi bất kỳ điều gì trên blockchain mà không tạo ra một sự thay đổi lớn trên đầu ra. Bạn không thể sửa 10 đô la thành 100 đô la trong giao dịch và ngược lại.

Để đảm bảo an toàn cho dữ liệu, các hàm băm mật mã phải có khả năng chống lại tất cả các loại tấn công mã hóa đã biết. Trong lý thuyết mật mã, mức độ an toàn của hàm băm mật mã được xác định bằng các thuộc tính sau:

  • Tính kháng tiền ảnh thứ nhất (Preimage resistance): Với một giá trị băm h bất kỳ, rất khó để tìm thấy bất kỳ thông điệp m nào sao cho h = hash(m). Khái niệm này liên quan đến tính chất một chiều của hàm băm.
  • Tính kháng tiền ảnh thứ hai (Second preimage resistance): Với một đầu vào m1, rất khó để tìm được đầu vào m2 khác sao cho hash(m1) = hash(m2).
  • Tính kháng va chạm (Collision resistance): Rất khó để tìm thấy hai thông điệp khác nhau m1 và m2 sao cho hash(m1) = hash(m2). Một giá trị như vậy được gọi là va chạm của hàm băm mật mã.

Ký hiệu D là miền xác định và R là miền giá trị của hàm băm h(x). Do hàm băm biến đổi dữ liệu từ độ dài bất kỳ về độ dài cố định, số lượng phần tử của D thường lớn hơn rất nhiều so với số lượng phần tử trong R. Vì vậy, hàm băm h(x) không là đơn ánh, tức là luôn tồn tại một cặp đầu vào khác nhau có cùng giá trị mã băm. Nói cách khác, với mỗi đầu vào cho trước, thường tồn tại một (hoặc nhiều) đầu vào khác sao cho mã băm của nó trùng với mã băm của chuỗi đầu vào đã cho. Tính chất này dựa trên nghịch lý ngày sinh nhật.

Ví dụ về nghịch lý ngày sinh nhật: Nếu bạn gặp bất kỳ người lạ ngẫu nhiên nào trên đường phố, khả năng cả hai bạn có cùng ngày sinh là rất thấp. Nhưng nếu bạn tập hợp 20-30 người trong một phòng, tỷ lệ hai người có cùng một ngày sinh nhật tăng lên đáng kể (khoảng 50%).

Điều này xảy ra là do quy tắc đơn giản trong xác suất: Nếu bạn có N khả năng khác nhau xảy ra, bạn cần căn bậc hai của N đối tượng ngẫu nhiên để chúng có 50% khả năng xảy ra va chạm.

Áp dụng lý thuyết này cho ngày sinh nhật, bạn có 365 khả năng ngày sinh nhật khác nhau, vì vậy bạn chỉ cần √365 ≈ 23 người được chọn ngẫu nhiên để có 50% cơ hội hai người sẽ có chung ngày sinh nhật.

Trong trường hợp hashing, giả sử bạn có hàm băm với kích thước đầu ra là 128 bit, tức là có tổng cộng 2128 khả năng khác nhau. Theo nghịch lý sinh nhật, bạn có 50% cơ hội phá vỡ khả năng kháng va chạm của hàm băm với √(2128) = 264 lần thử.

Việc phá vỡ tính chất kháng va chạm của hàm băm dễ dàng hơn nhiều so với việc phá vỡ tính chất kháng tiền ảnh. Không có hàm băm nào là hoàn toàn không va chạm, tuy nhiên, nếu ta chọn được hàm h(x) thích hợp đáp ứng tính chất trên với chiều dài mã băm đủ lớn, việc tính toán để tìm ra chuỗi đầu vào bị va chạm này là rất khó.

Tính kháng va chạm bao hàm cả tính kháng tiền ảnh thứ hai, nhưng không bao gồm tính chất kháng tiền ảnh thứ nhất. Thực tế, hàm băm chỉ có khả năng kháng tiền ảnh thứ hai được coi là không an toàn và không được khuyến nghị cho các ứng dụng thực tế.

Các tính chất trên đảm bảo rằng kẻ tấn công không thể thay thế hoặc sửa đổi dữ liệu đầu vào mà không làm thay đổi giá trị băm. Do đó, nếu hai chuỗi đầu vào có cùng một giá trị băm, chúng ta có thể tin tưởng rằng chúng giống hệt nhau. Tính kháng tiền ảnh thứ hai ngăn chặn kẻ tấn công tạo ra một tài liệu khác có cùng giá trị băm như tài liệu gốc. Tính kháng va chạm ngăn chặn kẻ tấn công tạo ra hai tài liệu khác nhau mà có cùng một giá trị băm.

Một hàm băm thỏa mãn các tiêu chí trên có thể vẫn có các tính chất không mong muốn. Ví dụ, các hàm băm phổ biến hiện nay có thể dễ bị các tấn công mở rộng độ dài (length-extension): Cho trước h(m) và len(m) nhưng không cho trước m, bằng cách chọn m’ thích hợp, một kẻ tấn công có thể tính h (m || m’), trong đó || ký hiệu phép nối xâu (concatenation). Tính chất này có thể được dùng để phá các phương pháp xác thực đơn giản dựa vào hashing. Để khắc phục điều này, HMAC đã được xây dựng và giải quyết được vấn đề này.

Các thuật toán tính tổng kiểm tra (checksum), chẳng hạn như CRC32 và các thuật toán tính mã kiểm tra dự phòng theo chu kỳ khác, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu yếu hơn nhiều và thường không phù hợp với các ứng dụng như các hàm băm mật mã. Ví dụ, CRC được sử dụng xác minh tính toàn vẹn của thông điệp trong tiêu chuẩn mã hóa WEP, nhưng có thể dễ dàng bị tấn công bằng các tấn công có độ phức tạp tuyến tính.

Các Dạng Hash Cơ Bản

Có nhiều thuật toán băm mật mã khác nhau. Dưới đây là một số thuật toán được sử dụng phổ biến:

hash ham bam la gi va cach thuc hoat dong nhu the naohash ham bam la gi va cach thuc hoat dong nhu the nao

Hàm băm MD5

MD5 được Ronald Rivest thiết kế vào năm 1991 để thay thế hàm băm MD4 trước đó và được đưa thành tiêu chuẩn vào năm 1992 trong RFC 1321. MD5 tạo ra một bản tóm tắt (digest) có kích thước 128 bit (16 byte). Tuy nhiên, đến đầu những năm 2000, MD5 trở nên không an toàn trước sức mạnh tính toán của các hệ thống tính toán thế hệ mới. Với sức mạnh tính toán và sự phát triển của công nghệ thám mã gần đây, chúng ta có thể tính toán các va chạm trong MD5 với độ phức tạp 221 phép toán chỉ trong vài giây, khiến thuật toán này không phù hợp với hầu hết các trường hợp sử dụng trong thực tế.

SHA-1

SHA-1 được phát triển như một phần của dự án Capstone của Chính phủ Hoa Kỳ. Phiên bản đầu tiên, thường được gọi là SHA-0, được xuất bản năm 1993 với tiêu đề Secure Hash Standard, FIPS PUB 180, bởi NIST (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ). Nó đã bị NSA rút lại ngay sau khi xuất bản và được thay thế bởi phiên bản sửa đổi, được xuất bản năm 1995 trong FIPS PUB 180-1 và thường được đặt tên là SHA-1. SHA-1 tạo ra bản tóm tắt có kích thước 160 bit (20 byte). Các va chạm chống lại thuật toán SHA-1 đầy đủ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng tấn công phá vỡ. Do đó, hàm băm này hiện được coi là không đủ an toàn.

RIPEMD-160

RIPEMD (viết tắt của RACE Integrity Primitives Evaluation Message Digest) là họ hàm băm được phát triển tại Leuven, Bỉ, bởi ba nhà mật mã học Hans Dobbertin, Antoon Bosselaers và Bart Preneel của nhóm nghiên cứu COSIC thuộc đại học Katholieke Universiteit Leuven. RIPEMD lần đầu tiên được công bố vào năm 1996 dựa trên các nguyên tắc thiết kế được sử dụng trong MD4. RIPEMD-160 tạo ra một bản tóm tắt gồm 160 bit (20 byte). RIPEMD có hiệu năng tương tự như SHA-1 nhưng ít phổ biến hơn. Đến nay, RIPEMD-160 chưa bị phá vỡ.

Bcrypt

bcrypt là một hàm băm mật khẩu được thiết kế bởi Niels Provos và David Mazières, dựa trên mật mã Blowfish, và được trình bày tại USENIX vào năm 1999. Bên cạnh việc kết hợp một giá trị ngẫu nhiên (salt) để bảo vệ chống lại các tấn công rainbow table, bcrypt còn là một hàm có khả năng thích ứng: theo thời gian, số lần lặp có thể được tăng lên để làm cho nó chậm hơn, do đó nó vẫn có khả năng chống lại các cuộc tấn công vét cạn ngay cả khi sức mạnh tính toán tăng lên.

Whirlpool

Whirlpool là một hàm băm mật mã được thiết kế bởi Vincent Rijmen và Paulo S. L. M. Barreto. Nó được mô tả lần đầu tiên vào năm 2000. Whirlpool dựa trên phiên bản sửa đổi đáng kể của Tiêu chuẩn mã hóa nâng cao (AES). Whirlpool tạo ra một bản tóm tắt có độ dài 512 bit (64 byte) của dữ liệu.

SHA-2

SHA-2 là một tập hợp các hàm băm mật mã được thiết kế bởi Cơ quan an ninh quốc gia Hoa Kỳ (NSA), được xuất bản lần đầu tiên vào năm 2001. Chúng được xây dựng bằng cấu trúc Merkle-Damgård, chức năng nén một chiều của nó được xây dựng bằng cấu trúc Davies-Meyer từ một hệ mật mã khối chuyên dụng.

SHA-2 bao gồm hai thuật toán băm: SHA-256 và SHA-512. SHA-224 là một biến thể của SHA-256 với các giá trị khởi tạo và đầu ra bị cắt bỏ khác nhau. SHA-384 và SHA-512/224 và SHA-512/256 ít được biết đến là tất cả các biến thể của SHA-512. SHA-512 an toàn hơn SHA-256 và thường nhanh hơn SHA-256 trên các máy 64 bit như AMD64.

Do có nhiều phiên bản thuật toán khác nhau, kích thước đầu ra của họ SHA-2 cũng khác nhau tùy theo thuật toán. Phần mở rộng của tên phía sau tiền tố “SHA” chính là độ dài của thông điệp băm đầu ra. Ví dụ, với SHA-224, kích thước đầu ra là 224 bit (28 byte), SHA-256 tạo ra 32 byte, SHA-384 tạo ra 48 byte và SHA-512 tạo ra 64 byte. Bitcoin sử dụng hàm băm SHA-256, một phiên bản trong họ SHA-2 này.

SHA-3

SHA-3 được NIST phát hành vào ngày 5 tháng 8 năm 2015. Đây có lẽ là tiêu chuẩn hàm băm mới nhất hiện nay. SHA-3 là một tập con của họ nguyên thủy mật mã rộng hơn là Keccak. Thuật toán Keccak được đưa ra bởi Guido Bertoni, Joan Daemen, Michael Peeters và Gilles Van Assche. Keccak dựa trên cấu trúc bọt biển (sponge). Cấu trúc này cũng có thể được sử dụng để xây dựng các nguyên thủy mã hóa khác như các hệ mật mã dòng. SHA-3 cũng có các kích cỡ đầu ra tương tự như SHA-2 bao gồm: 224, 256, 384 và 512 bit.

BLAKE2

Một phiên bản cải tiến của BLAKE có tên BLAKE2 đã được công bố vào ngày 21 tháng 12 năm 2012. BLAKE được phát triển bởi Jean-Philippe Aumasson, Samuel Neves, Zooko Wilcox-O’Hearn và Christian Winnerlein với mục tiêu thay thế các thuật toán băm phổ biến như MD5 và SHA-1. Khi chạy trên các kiến ​​trúc 64 bit x64 và ARM, BLAKE2b cho tốc độ nhanh hơn SHA-3, SHA-2, SHA-1 và MD5. Mặc dù BLAKE và BLAKE2 chưa được tiêu chuẩn hóa như SHA-3, nhưng nó đã được sử dụng trong nhiều giao thức bao gồm hàm băm mật khẩu Argon2 do hiệu quả cao mà nó mang lại cho các dòng CPU hiện đại. Do BLAKE cũng là ứng cử viên cho tiêu chuẩn SHA-3, BLAKE và BLAKE2 đều có các kích thước đầu ra giống như SHA-3 và có thể tùy chọn khi sử dụng trong thực tế.

Ứng Dụng Của Hash

Hashing nói chung và hàm băm mật mã nói riêng có rất nhiều ứng dụng khác nhau trong thực tế. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến nhất:

Hashing trong định danh tệp hoặc dữ liệu

Giá trị băm có thể được sử dụng như một phương tiện để định danh tệp một cách đáng tin cậy. Một số hệ thống quản lý mã nguồn, như Git, Mercurial hay Monotone, sử dụng giá trị sha1sum của nội dung tệp, cây thư mục, thông tin thư mục gốc, v.v. để định danh chúng.

Giá trị băm cũng được sử dụng để xác định các tệp trên các mạng chia sẻ tệp ngang hàng, cung cấp đầy đủ thông tin để định vị nguồn gốc của tệp, xác minh nội dung tệp tải xuống. Giá trị ứng dụng của chúng còn được mở rộng ra khi áp dụng các cấu trúc dữ liệu bổ sung như danh sách băm hoặc cây băm (Merkle Tree).

Tuy nhiên, so với các hàm băm tiêu chuẩn, các hàm băm mật mã có xu hướng phức tạp và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn nhiều. Do đó, chúng thường được sử dụng trong các trường hợp cần bảo vệ tính an toàn cho thông điệp trước các khả năng bị sửa đổi, hay giả mạo.

Hashing trong xác minh tính toàn vẹn của thông điệp hoặc tệp

Một ứng dụng quan trọng nhất của hashing là xác minh tính toàn vẹn của thông điệp. Khi tải một phần mềm hoặc tệp tin nào đó trên một số trang web, ta được cung cấp kèm theo các mã băm MD5 hoặc SHA1. Sau khi tải về tệp tin, chúng ta có thể tính và so sánh giá trị băm của tệp tải về với giá trị băm được cung cấp trên web. Nếu có sự sai khác, tệp tin đã bị sửa đổi.

Hashing trong tạo và xác nhận chữ ký

Hầu như tất cả các lược đồ chữ ký số đều yêu cầu tính toán bản tóm lược của thông điệp bằng các hàm băm mật mã. Điều này cho phép việc tính toán và tạo chữ ký được thực hiện trên một khối dữ liệu có kích thước tương đối nhỏ và cố định thay vì trên toàn bộ văn bản dài. Tính chất toàn vẹn thông điệp của hàm băm mật mã được sử dụng để tạo các lược đồ chữ ký số an toàn và hiệu quả.

Hashing trong xác minh mật khẩu

Việc xác minh mật khẩu thường dựa vào các hàm băm mật mã. Mật khẩu người dùng nếu được lưu trữ dưới dạng bản rõ có thể dẫn đến những lỗ hổng bảo mật nghiêm trọng khi tệp mật khẩu bị xâm phạm. Do đó, để giảm nguy cơ này, chúng ta thường chỉ lưu trữ giá trị băm của mỗi mật khẩu. Để xác thực người dùng, mật khẩu do người dùng nhập vào được băm và so sánh với giá trị băm được lưu trữ tương ứng. Mật khẩu ban đầu không thể được tính toán lại từ giá trị băm được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.

Các hàm băm mật mã tiêu chuẩn được thiết kế để được tính toán nhanh chóng, do đó có thể thử dò đoán mật khẩu với tốc độ cực cao. Các đơn vị xử lý đồ họa (GPU) thông thường có thể thử đoán hàng tỷ mật khẩu có thể mỗi giây. Để tăng tính an toàn, các hàm băm mật khẩu thực hiện việc mở rộng khóa (key stretching) – chẳng hạn như PBKDF2, scrypt hoặc Argon2 – thường sử dụng các lệnh gọi lặp lại của hàm băm mật mã để tăng thời gian (và trong một số trường hợp bộ nhớ máy tính) cần thiết để thực hiện các cuộc tấn công vét cạn lên giá trị băm của mật khẩu được lưu trữ. Việc hashing mật khẩu yêu cầu sử dụng một giá trị muối (salt) ngẫu nhiên, có thể được lưu trữ với hàm băm mật khẩu. Giá trị salt làm ngẫu nhiên hóa đầu ra của hàm băm mật khẩu, khiến đối thủ không thể lưu trữ các bảng mật khẩu và các giá trị băm được tính toán trước.

Đầu ra của hàm băm mật khẩu cũng có thể được sử dụng làm các khóa mật mã. Do đó, các hàm băm mật khẩu còn được gọi là các Hàm dẫn xuất khóa dựa trên mật khẩu (PBKDF).

Hashing và Bằng chứng công việc (Proof of Work)

Bằng chứng công việc (Proof of Work) là một biện pháp kinh tế để ngăn chặn các cuộc tấn công từ chối dịch vụ và các hành vi lạm dụng dịch vụ khác như spam bằng cách yêu cầu người dùng dịch vụ thực hiện một số công việc nhất định, thường đòi hỏi nhiều thời gian xử lý. Bằng chứng công việc cần đảm bảo tính bất đối xứng: công việc phải có độ khó vừa phải (nhưng khả thi) về phía người dùng nhưng dễ kiểm chứng đối với nhà cung cấp dịch vụ.

Hệ thống Proof of Work đầu tiên được đề xuất là Hashcash. Hashcash sử dụng quá trình hashing để chứng minh rằng công việc đã được thực hiện nhằm cho phép gửi email đi, tránh các email spam. Công việc trung bình mà người dùng cần thực hiện để tìm thư hợp lệ tỉ lệ thuận với số bit 0 cần thiết trong giá trị băm. Người nhận có thể xác minh tính hợp lệ của email chỉ bằng cách thực hiện một phép tính băm duy nhất. Trong Hashcash, người gửi được yêu cầu tạo một tiêu đề có giá trị băm SHA-1 160 bit trong đó có 20 bit đầu tiên là bit 0. Khi đó, người gửi trung bình sẽ phải thử khoảng 220 lần để tìm ra tiêu đề hợp lệ trước khi gửi đi.

Hệ thống này được thừa kế trong Bitcoin, nền tảng blockchain đầu tiên. Việc tính các giá trị băm giúp mở khóa phần thưởng khai thác trong Bitcoin. Các thành viên trong mạng được yêu cầu tìm một giá trị sao cho sự kết hợp của nó với thông điệp gốc (tập hợp các giao dịch) có giá trị băm bắt đầu bằng một số bit không (xác định bởi độ khó của việc khai thác và được điều chỉnh thường xuyên bằng phần mềm).

Hashing trong blockchain

Một số hàm băm mật mã đang được sử dụng rộng rãi:

  • SHA-256 hiện đang được Bitcoin sử dụng.
  • Keccak-256 hiện đang được Ethereum sử dụng.

Các hàm băm này không chỉ được sử dụng để tạo ra bằng chứng công việc (Proof of Work) mà còn để làm định danh cho các khối, hoặc kết hợp với mật mã khóa công khai để tạo ra định danh cho người dùng trên mạng.

Ứng dụng hashing trong xây dựng các thành phần nguyên thuỷ mật mã khác

Các hàm băm cũng có thể được sử dụng để xây dựng các thành phần nguyên thuỷ mật mã khác.

Hàm băm có thể được sử dụng để xây dựng các mã xác thực thông điệp (MAC) (còn được gọi là hàm băm có khóa) như HMAC.

Hàm băm cũng có thể được sử dụng để xây dựng các hệ mật mã khối. Các cấu trúc Luby-Rackoff được xây dựng sử dụng các hàm băm và dựa trên độ an toàn của hàm băm.

Trình tạo số giả ngẫu nhiên (PRNG) cũng có thể được xây dựng dựa trên các hàm băm. Điều này được thực hiện bằng cách kết hợp một mầm ngẫu nhiên (bí mật) với một bộ đếm và tiến hành băm nó.

Một số hàm băm, chẳng hạn như Skein, Keccak và RadioGatún tạo ra một luồng dài tùy ý và có thể được sử dụng trong các hệ mật mã dòng.

Ý Nghĩa Của Hash Trong Blockchain

Xương sống của một loại tiền điện tử là blockchain của nó, một sổ cái toàn cầu được hình thành bằng cách liên kết các khối dữ liệu giao dịch riêng lẻ với nhau. Blockchain chỉ chứa các giao dịch được xác thực, giúp ngăn chặn các giao dịch gian lận và chi tiêu gấp đôi tiền tệ. Quá trình xác nhận dựa trên dữ liệu được mã hóa bằng cách sử dụng băm thuật toán. Giá trị được mã hóa kết quả là một chuỗi các số và chữ cái không giống với dữ liệu gốc và được gọi là hàm băm. Khai thác tiền điện tử liên quan đến việc làm việc với hàm băm này.

Băm yêu cầu xử lý dữ liệu từ một khối thông qua hàm toán học, dẫn đến kết quả đầu ra có độ dài cố định. Sử dụng đầu ra có độ dài cố định sẽ tăng tính bảo mật, vì bất kỳ ai đang cố gắng giải mã hàm băm không thể cho biết đầu vào dài hay ngắn chỉ bằng cách nhìn vào độ dài của đầu ra. Hàm được sử dụng để tạo hàm băm có tính xác định (cùng một đầu vào luôn tạo ra cùng một kết quả); có thể tạo ra một đầu vào băm hiệu quả; làm cho việc xác định đầu vào khó khăn (dẫn đến khai thác); và thực hiện các thay đổi nhỏ đối với kết quả đầu vào trong hàm băm rất khác nhau.

Việc xử lý các hàm băm cần thiết để mã hóa các khối mới đòi hỏi sức mạnh xử lý đáng kể của máy tính, có thể tốn kém. Để khuyến khích các cá nhân và công ty, được gọi là người khai thác (miner), đầu tư vào công nghệ cần thiết, các mạng tiền điện tử thưởng cho họ cả token tiền điện tử mới và phí giao dịch. Công cụ khai thác chỉ được bù nếu họ là người đầu tiên tạo ra hàm băm đáp ứng các yêu cầu được đặt ra trong hàm băm đích.

Giải quyết hàm băm về cơ bản là giải quyết một vấn đề toán học phức tạp và bắt đầu với dữ liệu có sẵn trong tiêu đề khối. Mỗi tiêu đề khối chứa một số phiên bản, dấu thời gian, hàm băm được sử dụng trong khối trước đó, hàm băm của Merkle Root, nonce và băm đích. Công cụ khai thác tập trung vào nonce, một chuỗi số. Số này được gắn vào nội dung được băm của khối trước đó, sau đó chính nó được băm. Nếu hàm băm mới này nhỏ hơn hoặc bằng hàm băm mục tiêu, nó được chấp nhận làm giải pháp, người khai thác được trao phần thưởng và khối được thêm vào blockchain.

Việc giải hàm băm yêu cầu người khai thác xác định chuỗi nào sẽ sử dụng làm nonce, và việc này đòi hỏi một số lượng đáng kể thử và sai. Điều này là do nonce là một chuỗi ngẫu nhiên. Rất khó có khả năng một người khai thác sẽ thành công ngay trong lần thử đầu tiên, có nghĩa là người khai thác có thể kiểm tra một số lượng lớn các tùy chọn nonce trước khi tìm ra kết quả đúng. Độ khó càng lớn (thước đo mức độ khó để tạo ra một hàm băm đáp ứng yêu cầu của hàm băm mục tiêu), càng mất nhiều thời gian để tạo ra một giải pháp.