Chữ ký dựa trên hàm băm

Chữ ký dựa trên hàm băm là gì?

Chữ ký dựa trên hàm băm là hệ thống chữ ký số có tính bảo mật chủ yếu dựa trên hàm băm mật mã, thay vì đường cong elliptic, phân tích thừa số nguyên hoặc logarit rời rạc.

Chúng cho phép người nắm giữ khóa ký riêng tư chứng minh rằng giao dịch tiền mã hóa, thông điệp blockchain, bản cập nhật phần mềm hoặc dữ liệu khác đã được khóa đó cho phép.

Người xác minh có thể dùng khóa công khai tương ứng để xác nhận dữ liệu đã ký không bị thay đổi và chữ ký được tạo bởi người ký có thẩm quyền.

Chữ ký dựa trên hàm băm đặc biệt quan trọng trong tiền mã hóa vì được xem là một trong những dạng công nghệ chữ ký số hậu lượng tử hàng đầu.

Chữ ký blockchain hiện nay thường dựa vào các bài toán toán học có thể bị đe dọa bởi máy tính lượng tử đủ mạnh.

Thay vào đó, hệ thống dựa trên hàm băm dựa vào các thuộc tính bảo mật của hàm băm mật mã, vốn thường được cho là vẫn có thể sử dụng với tham số bảo mật đủ lớn trong môi trường điện toán lượng tử.

Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ đã chuẩn hóa Thuật toán chữ ký số dựa trên hàm băm không trạng thái, gọi là SLH-DSA, trong FIPS 205.

Các sơ đồ có trạng thái như XMSS và LMS được quy định trong Ấn phẩm đặc biệt 800-208 của NIST.

Chữ ký dựa trên hàm băm không phải là hash dùng trong đào tiền mã hóa, địa chỉ ví, mã định danh giao dịch hay hash thông điệp thông thường.

Đây là các hệ thống chữ ký khóa công khai hoàn chỉnh, được xây dựng từ những thành phần nền tảng dựa trên hàm băm.

Vì sao chữ ký số quan trọng trong tiền mã hóa?

Chữ ký số thiết yếu đối với tiền mã hóa vì cho phép người dùng phê duyệt giao dịch mà không tiết lộ khóa riêng tư.

Khi ví gửi tiền mã hóa, thông thường ví sẽ dùng khóa riêng tư để tạo chữ ký cho dữ liệu giao dịch.

Người tham gia mạng xác minh chữ ký bằng thông tin công khai trước khi chấp nhận giao dịch là hợp lệ.

Chữ ký hợp lệ cho thấy giao dịch được người kiểm soát khóa ký cần thiết phê duyệt.

Chữ ký cũng bảo vệ tính toàn vẹn của giao dịch vì nếu dữ liệu đã ký bị thay đổi, quá trình xác minh sẽ thất bại.

Chữ ký số còn có thể phê duyệt thông điệp validator, phiếu quản trị, thao tác hợp đồng thông minh, thông điệp liên chuỗi, bản phát hành phần mềm, cập nhật oracle và phê duyệt đa chữ ký.

Tài liệu công khai của Bitcoin giải thích rằng tính xác thực của giao dịch được bảo vệ bằng chữ ký số gắn với địa chỉ gửi trong tổng quan về mạng Bitcoin.

Chữ ký dựa trên hàm băm trong tương lai có thể thực hiện chức năng phê duyệt tương tự, đồng thời tăng cường khả năng bảo vệ trước các cuộc tấn công lượng tử.

Chữ ký dựa trên hàm băm hoạt động như thế nào?

Hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm bắt đầu bằng các giá trị ngẫu nhiên bí mật, tạo thành một phần của dữ liệu ký riêng tư.

Người ký áp dụng hàm băm mật mã lên các giá trị này để tạo ra các giá trị công khai liên quan.

Để ký thông điệp, hệ thống tiết lộ hoặc xử lý các giá trị riêng tư được chọn theo bản tóm tắt thông điệp.

Người xác minh băm các giá trị được tiết lộ và kiểm tra xem kết quả có khớp với thông tin công khai dự kiến hay không.

Hệ thống chữ ký một lần cơ bản chỉ có thể xác thực an toàn một thông điệp bằng mỗi khóa riêng tư.

Cây Merkle cho phép biểu diễn nhiều khóa công khai dùng một lần bằng một giá trị gốc nhỏ gọn duy nhất.

Gốc của cây Merkle có thể đóng vai trò là khóa công khai chính.

Chữ ký khi đó gồm chữ ký một lần và đường dẫn xác thực cho thấy khóa công khai một lần thuộc cây Merkle đã được cam kết.

Các hệ thống tiên tiến hơn kết hợp nhiều cây, chữ ký một lần, chữ ký dùng một số lần, tạo khóa giả ngẫu nhiên và cấu trúc phân cấp để hỗ trợ nhiều chữ ký.

Hàm băm mật mã là gì?

Hàm băm mật mã chuyển dữ liệu có độ dài gần như bất kỳ thành đầu ra có độ dài cố định.

Đầu ra thường được gọi là hash, digest hoặc bản tóm tắt thông điệp.

Hàm băm an toàn phải khiến việc khôi phục dữ liệu đầu vào ban đầu từ đầu ra trở nên khó khăn.

Hàm này cũng phải khiến việc tìm hai đầu vào khác nhau cho ra cùng một đầu ra trở nên khó khăn.

Một thay đổi nhỏ ở đầu vào phải tạo ra bản tóm tắt khác biệt đáng kể.

Mạng tiền mã hóa sử dụng hàm băm cho mã định danh giao dịch, cam kết khối, cây Merkle, hệ thống Proof of Work, tạo địa chỉ và nhiều mục đích khác.

Sơ đồ chữ ký dựa trên hàm băm dùng các hàm này làm nền tảng xác thực khóa công khai.

Tính bảo mật của chữ ký phụ thuộc vào hàm băm được chọn, kích thước tham số, tách miền, chất lượng triển khai và quy tắc quản lý khóa.

Chữ ký dựa trên hàm băm không đồng nghĩa với hashing

Băm giao dịch không giống với ký giao dịch.

Thông thường, bất kỳ ai cũng có thể tính hash của dữ liệu công khai.

Chữ ký số cần thông tin bí mật mà chỉ người ký có thẩm quyền mới được sở hữu.

Hash thông điệp đơn thuần có thể cho biết dữ liệu đã thay đổi, nhưng không chứng minh ai đã phê duyệt dữ liệu đó.

Chữ ký dựa trên hàm băm kết hợp dữ liệu ký bí mật, dữ liệu xác minh công khai và thao tác băm an toàn để xác thực.

Sự khác biệt này quan trọng vì hệ thống tiền mã hóa sử dụng hash và chữ ký cho các mục đích bảo mật khác nhau.

Chữ ký dựa trên hàm băm dùng một lần

Sơ đồ chữ ký một lần được thiết kế để mỗi khóa riêng tư chỉ ký an toàn một thông điệp.

Một trong những ví dụ đầu tiên là sơ đồ chữ ký một lần Lamport.

Khóa riêng tư Lamport chứa nhiều giá trị bí mật ngẫu nhiên.

Khóa công khai chứa hash của các giá trị bí mật đó.

Bản tóm tắt thông điệp xác định những giá trị bí mật nào sẽ được tiết lộ trong chữ ký.

Người xác minh băm các giá trị được tiết lộ rồi so sánh với khóa công khai.

Hạn chế lớn nhất là sử dụng lại cùng khóa riêng tư cho nhiều thông điệp sẽ làm lộ thêm thông tin bí mật.

Nếu sử dụng lại đủ nhiều, kẻ tấn công có thể tạo chữ ký giả mạo.

Vì vậy, chữ ký một lần là thành phần mật mã mạnh nhưng cần có hệ thống tạo và xác thực nhiều khóa một lần riêng biệt.

Chữ ký một lần Winternitz

Chữ ký một lần Winternitz giảm kích thước chữ ký bằng cách áp dụng chuỗi hash, thay vì dùng cấu trúc lớn hơn của chữ ký Lamport cơ bản.

Tham số Winternitz tạo ra sự đánh đổi giữa kích thước chữ ký và mức độ tính toán.

Tham số lớn hơn có thể giảm số lượng thành phần chữ ký nhưng cần nhiều thao tác băm hơn.

WOTS+ là cấu trúc Winternitz cải tiến, được sử dụng trong các hệ thống dựa trên hàm băm hiện đại như XMSS và SLH-DSA.

Đặc tả XMSS trong RFC 8391 xác định WOTS+ là thành phần nền tảng chính của XMSS và biến thể đa cây.

WOTS+ vẫn là sơ đồ chữ ký một lần, vì vậy thường được đặt trong cấu trúc cây Merkle lớn hơn để quản lý nhiều lần ký.

Cây Merkle trong chữ ký dựa trên hàm băm

Cây Merkle là cây hash cho phép cam kết nhiều mục dữ liệu thông qua một hash gốc.

Mỗi lá có thể đại diện cho khóa công khai của một chữ ký một lần.

Các cặp hash lá được kết hợp và băm để tạo nút cha.

Quá trình tiếp tục cho đến khi chỉ còn một gốc Merkle.

Gốc Merkle là một cam kết nhỏ gọn cho toàn bộ khóa công khai một lần trong cây.

Khi người ký dùng một lá, chữ ký sẽ bao gồm đường dẫn xác thực Merkle.

Đường dẫn chứa các hash liền kề cần thiết để tái tạo gốc từ lá được chọn.

Người xác minh kiểm tra chữ ký một lần rồi tính đường dẫn Merkle cho đến khi đạt gốc đã biết.

Thiết kế này cho phép một cam kết công khai ngắn xác thực một số lượng lớn khóa một lần.

Chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái

Chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái yêu cầu người ký ghi nhớ những khóa ký một lần hoặc chỉ số lá nào đã được sử dụng.

Trạng thái phải được cập nhật đáng tin cậy sau mỗi chữ ký.

Nếu cùng một khóa một lần được sử dụng lại, tính bảo mật của sơ đồ có thể bị phá vỡ nghiêm trọng.

Yêu cầu này khiến sơ đồ có trạng thái khó sử dụng trong hệ thống có bản sao lưu, nhiều thiết bị, người ký song song, máy chủ dự phòng hoặc bộ nhớ không đáng tin cậy.

Bản sao lưu được khôi phục có thể chứa trạng thái cũ và vô tình sử dụng lại dữ liệu ký đã dùng.

Hai thiết bị ký dùng bản sao của cùng khóa riêng tư có thể chọn cùng một chỉ số.

Vì vậy, NIST cảnh báo sơ đồ có trạng thái đòi hỏi quản lý trạng thái cẩn thận và không phù hợp để sử dụng rộng rãi, không giới hạn.

Chúng phù hợp hơn với môi trường được kiểm soát, nơi trạng thái ký có thể được bảo vệ và đồng bộ đáng tin cậy.

Chữ ký dựa trên hàm băm không trạng thái

Chữ ký dựa trên hàm băm không trạng thái không yêu cầu người ký duy trì bộ đếm để xác định khóa một lần tiếp theo cần dùng.

Điều này giúp sử dụng dễ dàng hơn với bản sao lưu, hệ thống phân tán và nhiều phiên ký.

SLH-DSA là thuật toán chữ ký dựa trên hàm băm không trạng thái chính đã được chuẩn hóa.

Thuật toán này được phát triển từ hồ sơ SPHINCS+ gửi đến quy trình mật mã hậu lượng tử của NIST.

SLH-DSA dùng lựa chọn giả ngẫu nhiên và cấu trúc cây hash phân tầng để tránh vấn đề sử dụng lại khóa một lần gây hậu quả nghiêm trọng trong hệ thống có trạng thái.

Thiết kế không trạng thái giúp vận hành an toàn hơn, đổi lại chữ ký lớn hơn và cần nhiều tính toán hơn.

Tính bảo mật vẫn có thể suy giảm nếu xử lý sai tính ngẫu nhiên khi ký hoặc quy tắc triển khai, nhưng việc khôi phục trạng thái cũ không gây sụp đổ tức thời giống như sử dụng lại khóa trong hệ thống có trạng thái.

So sánh chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái và không trạng thái

Khác biệt quan trọng nhất giữa chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái và không trạng thái là người ký có phải theo dõi các chỉ số ký đã dùng hay không.

Hệ thống có trạng thái có thể tạo chữ ký hiệu quả và được hiểu rõ nếu quản lý trạng thái hoàn hảo.

Hệ thống không trạng thái an toàn hơn về vận hành vì không cần bộ đếm được đồng bộ lâu dài.

Hệ thống có trạng thái có thể phù hợp để ký firmware, cho cơ quan cấp chứng chỉ hoặc hạ tầng được kiểm soát với tần suất ký hạn chế.

Hệ thống không trạng thái có thể phù hợp hơn với ứng dụng phân tán, phần mềm phổ thông và môi trường khó đồng bộ trạng thái đáng tin cậy.

Mạng validator blockchain cần cân nhắc việc ký phân tán, chuyển đổi dự phòng, khôi phục bản sao lưu và tạo thông điệp thường xuyên.

Những điều kiện này có thể khiến quản lý trạng thái trở thành một trong những vấn đề thiết kế quan trọng nhất.

XMSS

XMSS là viết tắt của eXtended Merkle Signature Scheme.

Đây là hệ thống chữ ký số dựa trên hàm băm có trạng thái, được chuẩn hóa trong RFC 8391 và được phê duyệt trong NIST SP 800-208.

XMSS dùng chữ ký một lần WOTS+ và cây Merkle để tạo hệ thống chữ ký quy mô lớn hơn.

Mỗi chữ ký sử dụng một lá cụ thể trong cây.

Người ký phải đảm bảo không bao giờ sử dụng một lá hai lần.

XMSS có nền tảng bảo mật vững chắc vì chứng minh giảm bảo mật chủ yếu dựa vào các thuộc tính đã xác định của hàm băm mật mã.

Khóa công khai XMSS tương đối nhỏ gọn, nhưng chữ ký lớn hơn nhiều so với chữ ký thường dùng cho tài khoản tiền mã hóa hiện nay.

XMSS có thể hữu ích khi khả năng chống lượng tử lâu dài quan trọng hơn kích thước chữ ký tối thiểu và trạng thái người ký có thể được quản lý an toàn.

XMSS đa cây

XMSS đa cây, thường viết là XMSSMT, tổ chức nhiều cây XMSS thành một cấu trúc phân cấp.

Cây cấp cao hơn ký các gốc của cây cấp thấp hơn.

Thiết kế này cho phép hệ thống hỗ trợ nhiều chữ ký hơn mà không cần một cây cực lớn.

Thiết kế cũng có thể phân bổ tính toán hiệu quả hơn trong suốt vòng đời của khóa.

Người ký vẫn phải theo dõi trạng thái vì không thể sử dụng lại an toàn các khóa một lần ở cây cấp thấp hơn.

XMSSMT được đưa vào RFC 8391 và các khuyến nghị về chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái của NIST.

LMS

LMS là viết tắt của Leighton-Micali Signature.

Đây là một hệ thống chữ ký cây Merkle có trạng thái khác được NIST phê duyệt.

Sơ đồ này được quy định trong RFC 8554.

LMS dùng cấu trúc chữ ký một lần có tên LM-OTS và xác thực nhiều khóa công khai LM-OTS thông qua cây Merkle.

Giống XMSS, LMS yêu cầu người ký ngăn việc sử dụng lại các chỉ số ký một lần.

Tính bảo mật của LMS dựa trên hàm băm mật mã, thay vì các giả định về lý thuyết số được nhiều hệ thống khóa công khai thông thường sử dụng.

LMS thường được cân nhắc cho các ứng dụng như ký mã và xác thực firmware, nơi hoạt động ký có thể được kiểm soát tập trung.

Hệ thống chữ ký phân cấp

Hệ thống chữ ký phân cấp, thường gọi là HSS, kết hợp nhiều cây LMS thành một cấu trúc phân cấp.

Khóa LMS cấp cao nhất ký các khóa công khai của cây LMS cấp thấp hơn.

Sau đó, các cây cấp thấp hơn ký những thông điệp thông thường.

Cấu trúc này hỗ trợ nhiều chữ ký hơn và cho phép thay thế khóa cấp thấp khi các lá dùng một lần đã được sử dụng hết.

HSS không loại bỏ yêu cầu về trạng thái.

Mọi cây LMS đang hoạt động vẫn cần theo dõi chính xác các chỉ số ký đã sử dụng.

HSS và LMS được chuẩn hóa cùng nhau trong RFC 8554 và được phê duyệt theo NIST SP 800-208.

SLH-DSA

SLH-DSA là viết tắt của Stateless Hash-Based Digital Signature Algorithm.

NIST công bố bản cuối cùng của tiêu chuẩn FIPS 205 vào ngày 13 tháng 8 năm 2024.

Thuật toán này được phát triển từ SPHINCS+, được đánh giá trong quy trình chuẩn hóa mật mã hậu lượng tử của NIST.

SLH-DSA sử dụng cây Merkle phân cấp, WOTS+ và thành phần chữ ký dùng một số lần có tên FORS.

Hệ thống không cần lưu trạng thái lâu dài của người ký, nhờ đó việc sao lưu và vận hành phân tán dễ dàng hơn so với XMSS hoặc LMS.

SLH-DSA hỗ trợ các bộ tham số khác nhau dựa trên hàm băm SHA-2 hoặc SHAKE, với những mục tiêu bảo mật và hiệu suất khác nhau.

Bộ tham số nhanh hơn thường tạo chữ ký lớn hơn, trong khi bộ tham số tạo chữ ký nhỏ hơn cần nhiều thời gian xử lý hơn.

SLH-DSA cung cấp mức bảo mật hậu lượng tử thận trọng, nhưng chữ ký lớn hơn đáng kể so với nhiều chữ ký được dùng trong hệ thống blockchain hiện nay.

SPHINCS+ và SLH-DSA

SPHINCS+ là thuật toán được gửi đến cuộc thi mật mã hậu lượng tử của NIST.

SLH-DSA là phiên bản tiêu chuẩn được phát triển từ hồ sơ đó.

Hai tên gọi có liên quan nhưng không phải lúc nào cũng có thể xem là hoàn toàn thay thế cho nhau trong các triển khai kỹ thuật.

Hệ thống tuyên bố tuân thủ FIPS 205 phải triển khai các yêu cầu SLH-DSA đã được chuẩn hóa và bộ tham số được phê duyệt.

Nhà phát triển nên sử dụng tiêu chuẩn chính thức thay vì cho rằng mọi triển khai SPHINCS+ trước đây đều tương thích với SLH-DSA.

FORS

FORS là viết tắt của Forest of Random Subsets.

Đây là thành phần chữ ký dùng một số lần được sử dụng trong SLH-DSA.

FORS chuyển bản tóm tắt thông điệp thành các lựa chọn từ một số cây nhỏ.

Các giá trị bí mật được chọn và đường dẫn xác thực trở thành một phần của chữ ký.

Giá trị công khai FORS tạo ra sau đó được xác thực qua cây Merkle phân cấp lớn hơn của SLH-DSA.

FORS giúp hệ thống không trạng thái ký được nhiều thông điệp mà không cần duy trì bộ đếm khóa một lần đơn giản.

Đây là một trong những lý do chữ ký SLH-DSA chứa nhiều dữ liệu hơn đáng kể so với chữ ký đường cong elliptic thông thường.

Vì sao chữ ký dựa trên hàm băm được xem là hậu lượng tử?

Nhiều chữ ký khóa công khai hiện nay dựa vào độ khó của bài toán logarit rời rạc hoặc các bài toán liên quan đến lý thuyết số.

Thuật toán lượng tử Shor có thể giải một số bài toán đó một cách hiệu quả trên máy tính lượng tử chịu lỗi đủ mạnh.

Chữ ký dựa trên hàm băm không phụ thuộc vào những bài toán tương tự.

Thay vào đó, tính bảo mật của chúng chủ yếu gắn với khả năng chống tìm tiền ảnh, chống tìm tiền ảnh thứ hai, chống va chạm, tạo giả ngẫu nhiên và các thuộc tính liên quan của hàm băm.

Thuật toán lượng tử vẫn có thể làm giảm mức bảo mật hiệu quả của việc tìm hash.

Thuật toán Grover có thể tăng tốc tìm kiếm vét cạn một hệ số căn bậc hai trong một số trường hợp.

Có thể xử lý tác động này bằng cách sử dụng đầu ra hash đủ lớn và tham số thận trọng.

Vì vậy, chữ ký dựa trên hàm băm được mô tả là có khả năng chống lượng tử hoặc hậu lượng tử, chứ không phải bất khả xâm phạm về mặt toán học.

Rủi ro lượng tử đối với chữ ký tiền mã hóa

Máy tính lượng tử chịu lỗi quy mô lớn có thể đe dọa một số thuật toán chữ ký hiện được các mạng tiền mã hóa sử dụng.

Nếu kẻ tấn công có thể khôi phục khóa riêng tư từ thông tin khóa công khai bị lộ, họ có thể phê duyệt giao dịch trái phép.

Chữ ký validator, người ký bridge, hệ thống đa chữ ký, tài khoản quản trị và khóa ngân quỹ dùng lâu dài cũng có thể trở thành mục tiêu.

Mối đe dọa không chỉ giới hạn ở coin được lưu trong ví thông thường.

Giao thức đồng thuận và hệ thống liên lạc liên chuỗi cũng có thể dựa vào sơ đồ chữ ký dễ bị ảnh hưởng bởi các thuật toán lượng tử tương tự.

Hiện chưa có máy tính lượng tử nào được chứng minh công khai đạt quy mô và khả năng sửa lỗi cần thiết để tấn công khóa của các blockchain lớn theo cách này.

Tuy nhiên, việc chuyển đổi blockchain có thể mất nhiều năm vì phần mềm ví, quy tắc đồng thuận, thiết bị phần cứng, ứng dụng, quy trình lưu ký và tiền của người dùng đều cần được cập nhật có phối hợp.

NIST khuyến nghị các tổ chức bắt đầu xác định mật mã dễ bị tổn thương và lên kế hoạch chuyển đổi thông qua chương trình mật mã hậu lượng tử.

Chữ ký dựa trên hàm băm và Ethereum

Ethereum hiện sử dụng các hệ thống chữ ký không được thiết kế để chống lại máy tính lượng tử đủ mạnh.

Lớp đồng thuận của Ethereum dựa vào chữ ký BLS, trong khi tài khoản do người dùng bên ngoài kiểm soát thường dùng chữ ký đường cong elliptic.

Lộ trình hậu lượng tử hiện tại của Ethereum Foundation thảo luận về việc thay chữ ký validator bằng một thiết kế dựa trên hàm băm có tên leanXMSS.

Lộ trình xem leanXMSS là hướng nghiên cứu, chứ không phải quá trình chuyển đổi mainnet đã hoàn tất.

Chữ ký validator dựa trên hàm băm tạo ra thách thức lớn về khả năng mở rộng vì kích thước lớn hơn nhiều so với chữ ký BLS hiện nay.

Các nhà nghiên cứu Ethereum đang tìm hiểu cơ chế gộp bằng chứng để xác minh nhiều chữ ký lớn thông qua một bằng chứng nhỏ hơn.

Cổng nghiên cứu hậu lượng tử của Ethereum mô tả các công trình về chữ ký dựa trên hàm băm, khả năng linh hoạt về mật mã, xác thực validator và gộp dựa trên bằng chứng.

Mọi thay đổi cuối cùng đối với Ethereum đều cần nghiên cứu, triển khai, kiểm thử, xem xét cộng đồng và phối hợp nâng cấp giao thức.

Chữ ký validator dựa trên hàm băm

Validator ký các thông điệp thường xuyên liên quan đến đề xuất khối, attestation, tính chung cuộc và tham gia đồng thuận.

Sơ đồ chữ ký thay thế phải hỗ trợ khối lượng thông điệp lớn mà không gây quá tải cho băng thông hoặc dung lượng lưu trữ mạng.

Chữ ký có trạng thái tạo thêm rủi ro vì validator có thể chạy hệ thống sao lưu hoặc chuyển đổi giữa các máy.

Đồng bộ trạng thái không chính xác có thể dẫn đến sử dụng lại khóa ký một lần.

Chữ ký không trạng thái tránh được chính xác lỗi này nhưng tạo chữ ký lớn hơn và đòi hỏi nhiều công sức xác minh hơn.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu blockchain nghiên cứu việc gộp chữ ký, bằng chứng đệ quy, phần cứng chuyên dụng và thiết kế lại giao thức để biến chữ ký validator dựa trên hàm băm thành giải pháp khả thi.

Chữ ký dựa trên hàm băm và ví crypto

Ví crypto có thể dùng khóa ký dựa trên hàm băm để phê duyệt giao dịch nếu blockchain hỗ trợ quy tắc xác minh cần thiết.

Ví cần tạo khóa riêng tư phù hợp, tính chữ ký, theo dõi mọi trạng thái bắt buộc và tạo giao dịch tương thích.

Chữ ký ví có trạng thái sẽ tạo ra thách thức nghiêm trọng về sao lưu và sử dụng nhiều thiết bị.

Người dùng khôi phục bản sao lưu cũ có thể vô tình sử dụng lại chỉ số ký đã dùng.

Ví di động và ví phần cứng dùng cùng khóa có trạng thái cũng có thể tạo ra trạng thái xung đột.

Chữ ký dựa trên hàm băm không trạng thái dễ sao lưu hơn nhưng có thể tạo giao dịch lớn hơn nhiều và tốn nhiều tài nguyên xử lý hơn.

Nhà phát triển ví cũng cần cân nhắc cách tạo seed, luân chuyển khóa, thiết kế địa chỉ, hỗ trợ phần cứng, khôi phục người dùng và chuyển đổi khỏi hệ thống chữ ký cũ.

Chữ ký dựa trên hàm băm và ví hợp đồng thông minh

Đôi khi, ví hợp đồng thông minh có thể hỗ trợ thuật toán chữ ký mới mà không cần thay quy tắc chữ ký cơ sở cho mọi tài khoản trên blockchain.

Hợp đồng có thể chứa logic xác minh tùy chỉnh cho khóa công khai dựa trên hàm băm.

Người dùng có thể gửi chữ ký dựa trên hàm băm và hợp đồng xác minh chữ ký theo các quy tắc đã lập trình.

Cách tiếp cận này có thể cho phép thử nghiệm tài khoản hậu lượng tử trước khi toàn mạng bắt buộc chuyển đổi.

Tuy nhiên, xác minh on-chain có thể cần nhiều thao tác băm và tiêu tốn đáng kể không gian khối hoặc tài nguyên thực thi.

Nhà phát triển cần so sánh lợi ích bảo mật với chi phí giao dịch, độ phức tạp của hợp đồng và rủi ro tấn công từ chối dịch vụ.

Trong tương lai, hệ thống bằng chứng có thể cho phép hợp đồng xác minh một bằng chứng nhỏ gọn cho biết chữ ký dựa trên hàm băm lớn hơn là hợp lệ.

Chữ ký dựa trên hàm băm và trừu tượng hóa tài khoản

Trừu tượng hóa tài khoản cho phép tài khoản sử dụng quy tắc ủy quyền có thể lập trình thay vì hoàn toàn phụ thuộc vào một thuật toán chữ ký cố định.

Tài khoản trừu tượng hóa có thể chấp nhận chữ ký thông thường, chữ ký dựa trên hàm băm, chính sách đa chữ ký hoặc bằng chứng do hệ thống xác thực khác tạo ra.

Tính linh hoạt này có thể giúp việc chuyển đổi hậu lượng tử dễ dàng hơn vì người dùng có thể cập nhật logic xác minh tài khoản trước khi giao thức bắt buộc sử dụng chữ ký chống lượng tử.

Trừu tượng hóa tài khoản cũng đi kèm trách nhiệm bảo mật vì khóa nâng cấp, mô-đun khôi phục và hợp đồng xác minh có thể tạo thêm phương thức tấn công.

Chữ ký hậu lượng tử không bảo vệ được tài khoản nếu kẻ tấn công có thể vượt qua chữ ký thông qua mô-đun khôi phục yếu hoặc khóa quản trị.

Chữ ký dựa trên hàm băm và bảo mật đa chữ ký

Hệ thống đa chữ ký yêu cầu nhiều khóa được ủy quyền cùng phê duyệt một hành động.

Có thể đưa chữ ký dựa trên hàm băm vào cấu hình đa chữ ký như các phương thức ký độc lập.

Chính sách kết hợp có thể yêu cầu cả chữ ký thông thường lẫn chữ ký dựa trên hàm băm.

Cách tiếp cận này có thể bảo vệ trước sự cố của một họ mật mã nếu họ còn lại vẫn an toàn.

Tuy nhiên, hệ thống kết hợp tạo giao dịch lớn hơn, quy trình xác minh phức tạp hơn và thủ tục khôi phục khó hơn.

Hệ thống cần xác định rõ phải có mọi chữ ký hay chỉ cần một trong các chữ ký.

Quy tắc dự phòng được thiết kế kém có thể làm mất lợi ích của chữ ký mạnh hơn.

Chữ ký kết hợp

Chữ ký kết hợp dùng chữ ký từ hai hoặc nhiều thuật toán mật mã.

Một thành phần có thể dùng thuật toán đường cong elliptic hiện tại, còn thành phần khác dùng SLH-DSA hoặc hệ thống hậu lượng tử khác.

Mục tiêu là duy trì bảo mật nếu một thuật toán bị phá vỡ về sau.

Câu hỏi thường gặp về mật mã hậu lượng tử của NIST thảo luận cách dùng hai chữ ký cho dữ liệu và chứng chỉ số.

Chuyển đổi kết hợp có thể giảm mức độ phụ thuộc vào thuật toán mới trước khi thuật toán đó tích lũy nhiều thập kỷ kinh nghiệm triển khai.

Quá trình này cũng làm tăng độ phức tạp khi triển khai và cần có quy tắc xác định cách kết hợp kết quả xác minh của hai hệ thống.

Nếu giao dịch hợp lệ khi một trong hai chữ ký được xác minh, việc phá vỡ sơ đồ yếu hơn vẫn có thể đủ để tấn công tài khoản.

Nếu cần cả hai chữ ký, tài khoản vẫn phụ thuộc vào khả năng hoạt động và vận hành chính xác của cả hai hệ thống.

Chữ ký dựa trên hàm băm và không gian khối

Chữ ký dựa trên hàm băm có thể chiếm nhiều không gian khối hơn đáng kể so với chữ ký đường cong elliptic nhỏ gọn.

Giao dịch lớn hơn làm giảm số thao tác người dùng có thể nằm trong một khối, trừ khi dung lượng hoặc phương pháp gộp được thay đổi.

Lượng dữ liệu lớn hơn cũng có thể làm tăng yêu cầu về băng thông, lưu trữ, thời gian truyền khối và đồng bộ dữ liệu lịch sử.

Các chi phí này đặc biệt quan trọng đối với blockchain Layer 1, nơi mọi node xác thực đều xử lý cùng một dữ liệu.

Gộp chữ ký thông qua bằng chứng không kiến thức hoặc giao thức chuyên dụng có thể giảm lượng dữ liệu mỗi node cần trực tiếp xác minh.

Bản thân việc gộp cũng tạo ra giả định mật mã, chi phí chứng minh, độ trễ và độ phức tạp triển khai bổ sung.

Kích thước chữ ký

Kích thước chữ ký lớn là một trong những nhược điểm thực tế chính của chữ ký dựa trên hàm băm.

Chữ ký SLH-DSA có thể chứa hàng nghìn hoặc hàng chục nghìn byte, tùy theo bộ tham số.

Chữ ký XMSS và LMS cũng lớn hơn nhiều so với chữ ký đường cong elliptic phổ biến.

Chữ ký lớn có thể chấp nhận được đối với các bản cập nhật phần mềm hoặc chứng chỉ gốc ít khi sử dụng.

Chúng khó áp dụng hơn cho giao dịch blockchain tần suất cao, nơi mỗi byte đều có thể làm phát sinh chi phí mạng và phí giao dịch.

Việc chọn tham số cần cân bằng kích thước chữ ký, tốc độ ký, tốc độ xác minh, số chữ ký tối đa và mức bảo mật.

Kích thước khóa công khai

Khóa công khai của chữ ký dựa trên hàm băm có thể tương đối nhỏ gọn vì gốc Merkle có thể cam kết với nhiều khóa một lần.

Đây là lợi thế quan trọng so với việc lưu riêng từng khóa công khai một lần.

Khóa công khai nhỏ gọn không loại bỏ chi phí chữ ký vì vẫn cần cung cấp đường dẫn xác thực và dữ liệu chữ ký một lần.

Trong hệ thống blockchain, kích thước khóa công khai ảnh hưởng đến việc tạo tài khoản, lưu trữ trạng thái, dữ liệu bổ trợ giao dịch và tạo bằng chứng.

Kích thước khóa riêng tư

Khóa riêng tư dựa trên hàm băm cơ bản có thể chứa tập hợp lớn các giá trị bí mật ngẫu nhiên.

Các sơ đồ hiện đại thường tạo nhiều giá trị trong số đó bằng phương pháp giả ngẫu nhiên từ một seed chính nhỏ hơn.

Cách này có thể giảm nhu cầu lưu trữ, nhưng khiến seed trở nên cực kỳ nhạy cảm.

Nếu seed chính bị xâm phạm, mọi khóa ký một lần được tạo ra đều có thể bị lộ.

Sơ đồ có trạng thái phải bảo toàn cả seed bí mật lẫn chỉ số ký hiện tại.

Chỉ sao lưu seed mà không lưu trạng thái mới nhất có thể nguy hiểm vì khôi phục seed có thể dẫn đến dùng lại khóa.

Tốc độ ký

Ký bằng hàm băm cần nhiều phép tính hash và thao tác cây.

Một số bộ tham số được thiết kế để ký nhanh hơn, đổi lại chữ ký lớn hơn.

Các bộ tham số khác giảm kích thước chữ ký nhưng đòi hỏi nhiều tính toán hơn.

Hệ thống có trạng thái có thể tính trước các nút cây hoặc đường dẫn xác thực để tăng tốc độ ký.

Việc tính trước làm tăng nhu cầu lưu trữ và yêu cầu quản lý trạng thái.

Ví blockchain và validator cần đánh giá liệu chữ ký có thể được tạo trong giới hạn thời gian nghiêm ngặt hay không.

Tốc độ xác minh

Quá trình xác minh cũng cần nhiều phép tính hash.

Nhìn chung, thao tác hash đơn giản, được triển khai rộng rãi và phù hợp với tăng tốc phần cứng.

Tuy nhiên, xác minh hàng nghìn chữ ký lớn trong mỗi khối vẫn có thể tạo ra chi phí tổng thể đáng kể.

Blockchain cần tính đến tải xác minh trong tình huống xấu nhất vì kẻ tấn công có thể gửi nhiều giao dịch được định dạng hợp lệ nhưng tốn kém khi xử lý.

Quy tắc phí và giới hạn giao dịch có thể cần phản ánh chi phí xác minh thực tế.

Rủi ro quản lý trạng thái

Quản lý trạng thái là rủi ro vận hành đặc trưng của XMSS, LMS, XMSSMT và HSS.

Người ký phải ghi lại mọi chỉ số một lần đã dùng trước hoặc trong khi ký, theo cách vẫn hoạt động sau sự cố hoặc mất điện.

Việc cập nhật phải nguyên tử để hệ thống không thể tạo chữ ký nhưng lại không lưu trạng thái mới.

Không được để bản sao lưu ký bằng chỉ số cũ.

Hệ thống có tính sẵn sàng cao phải phối hợp nhiều máy mà không dùng trùng một chỉ số.

Có thể dùng phần cứng bảo mật để thực thi bộ đếm đơn điệu hoặc cô lập trạng thái ký.

Khuyến nghị của NIST về sơ đồ có trạng thái giới hạn việc sử dụng các sơ đồ này vào môi trường có thể kiểm soát nghiêm ngặt khóa và trạng thái.

Bảo mật trước tấn công kênh bên

Chữ ký dựa trên hàm băm có sức hấp dẫn vì hàm băm tương đối đơn giản và có thể được triển khai bằng các thao tác thông thường.

Điều này có thể giúp việc chống một số tấn công kênh bên dựa trên thời gian, phân tích điện năng hoặc điện từ dễ dàng hơn so với một số thuật toán lý thuyết số phức tạp.

Tuy nhiên, chúng không tự động miễn nhiễm với tấn công kênh bên.

Nhánh điều kiện phụ thuộc bí mật, truy cập bộ nhớ, tạo số ngẫu nhiên, chèn lỗi và mã xử lý khóa vẫn có thể làm rò rỉ thông tin.

Triển khai trên ví phần cứng và validator phải dùng kỹ thuật thời gian không đổi đã được đánh giá khi cần thiết.

Yêu cầu về tính ngẫu nhiên

Tính ngẫu nhiên an toàn là yếu tố thiết yếu khi tạo khóa riêng tư và seed dựa trên hàm băm.

Giá trị bí mật có thể dự đoán được có thể giúp kẻ tấn công khôi phục khóa ký.

Một số sơ đồ còn dùng giá trị ngẫu nhiên theo từng chữ ký để bảo vệ trước tấn công đa mục tiêu hoặc che giấu các mối liên hệ xác định.

Bộ tạo số ngẫu nhiên bị lỗi có thể làm suy yếu thuật toán vốn an toàn về mặt toán học.

Ví nên tạo dữ liệu khóa bằng nguồn số ngẫu nhiên mật mã đáng tin cậy, thay vì dùng dấu thời gian, cụm từ do người dùng chọn hoặc hàm ngẫu nhiên thông thường của ứng dụng.

Cạn kiệt khóa

Khóa dựa trên hàm băm có trạng thái chỉ hỗ trợ số lượng chữ ký an toàn giới hạn.

Giới hạn phụ thuộc vào chiều cao và cấu trúc phân cấp của cây Merkle được chọn.

Khi mọi khóa một lần được phép đều đã sử dụng, cần ngừng dùng cặp khóa đó.

Sử dụng khóa vượt quá dung lượng thiết kế có thể dẫn đến dùng lại khóa hoặc chữ ký không hợp lệ.

Hệ thống cần theo dõi dung lượng còn lại và luân chuyển khóa trước khi cạn.

Validator blockchain ký nhiều thông điệp cần đặc biệt thận trọng khi lập kế hoạch dung lượng.

Luân chuyển khóa

Luân chuyển khóa là thay khóa ký cũ bằng khóa mới.

Hệ thống dựa trên hàm băm có thể cần luân chuyển khóa khi cây có trạng thái gần hết dung lượng, tham số thay đổi hoặc khóa có thể đã bị lộ.

Nếu có thể, khóa cũ nên xác thực khóa công khai mới.

Giao thức blockchain phải quy định cách tài khoản, validator, bridge và hệ thống quản trị cập nhật khóa được ủy quyền.

Quy trình chuyển đổi cần ngăn kẻ tấn công thay khóa mới bằng khóa của họ.

Người dùng cũng cần quy trình khôi phục rõ ràng nếu mất khóa cũ trước khi hoàn tất luân chuyển.

Xác minh dài hạn

Chữ ký dựa trên hàm băm có thể hữu ích cho hồ sơ cần duy trì khả năng xác minh trong nhiều năm.

Ví dụ gồm bản phát hành giao thức, checkpoint lịch sử, hình ảnh firmware, tệp genesis và quyết định quản trị.

Việc xác minh dài hạn vẫn phụ thuộc vào khả năng lưu giữ dữ liệu đã ký, khóa công khai, mã định danh thuật toán, bộ tham số và các hàm băm cần thiết.

Nếu hàm băm suy yếu về sau, hệ thống có thể cần đóng dấu thời gian, ký lại hoặc chuyển đổi.

Hậu lượng tử không có nghĩa chữ ký sẽ an toàn mãi mãi mà không cần bảo trì.

Chữ ký dựa trên hàm băm cho bản phát hành phần mềm

Người dùng tiền mã hóa thường cài đặt ứng dụng ví, phần mềm node, phần mềm validator, firmware và công cụ dành cho nhà phát triển.

Chữ ký bản phát hành giúp người dùng xác nhận phần mềm đã tải xuống đến từ nhóm phát triển được ủy quyền và không bị sửa đổi sau khi ký.

Chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái có thể phù hợp với mục đích này vì các bản phát hành phần mềm diễn ra ít thường xuyên hơn giao dịch blockchain.

Nhóm phát hành có thể kiểm soát thiết bị ký và quản lý cẩn thận chỉ số ký.

Chữ ký phát hành hậu lượng tử có thể bảo vệ các chuỗi cung ứng phần mềm có vòng đời dài trước những cuộc tấn công trong tương lai nhằm vào các thuật toán ký thông thường.

Người dùng vẫn phải xác minh khóa công khai thông qua một nguồn đáng tin cậy.

Chữ ký dựa trên hàm băm cho firmware ví phần cứng

Ví phần cứng cài đặt firmware để kiểm soát việc tạo khóa, hiển thị giao dịch và hoạt động ký.

Bản cập nhật firmware độc hại có thể đánh cắp khóa riêng tư hoặc hiển thị thông tin giao dịch sai lệch.

Nhà sản xuất có thể ký firmware để thiết bị chỉ chấp nhận các bản cập nhật được ủy quyền.

Chữ ký dựa trên hàm băm là một lựa chọn khả thi để xác thực firmware có vòng đời dài vì tần suất cập nhật có giới hạn và khả năng kháng lượng tử có thể hữu ích.

Cơ chế cập nhật cũng phải ngăn việc quay lại phiên bản firmware cũ có lỗ hổng.

Khởi động an toàn, gốc tin cậy phần cứng, bộ đếm phiên bản và khóa công khai được bảo vệ vẫn là những thành phần cần thiết.

Chữ ký dựa trên hàm băm cho bridge và oracle

Bridge và oracle thường dựa vào chữ ký từ các hội đồng, đơn vị vận hành hoặc node phân tán.

Các chữ ký đó có thể cho phép chuyển tài sản hoặc báo cáo thông tin chi phối lượng giá trị crypto lớn.

Khóa công khai có vòng đời dài có thể trở thành mục tiêu của máy tính lượng tử nếu thuật toán nền tảng bị phát hiện có lỗ hổng.

Chữ ký dựa trên hàm băm có thể tăng cường bảo vệ hậu lượng tử cho thông điệp của hội đồng.

Tuy nhiên, kích thước chữ ký lớn hơn và yêu cầu về trạng thái vẫn có thể làm tăng chi phí xác minh on-chain.

Bridge vẫn dễ bị tấn công nếu hợp đồng thông minh, cơ chế quản trị, giả định kinh tế hoặc ngưỡng validator được thiết kế kém.

Thay thế thuật toán chữ ký không giải quyết được mọi rủi ro của bridge hoặc oracle.

Chữ ký dựa trên hàm băm cho mạng Layer 2

Mạng Layer 2 sử dụng sequencer, prover, validator, hội đồng hoặc các hệ thống khác để xử lý giao dịch bên ngoài blockchain nền tảng.

Các thành phần tham gia này có thể ký các lô giao dịch, state root, tuyên bố về tính khả dụng của dữ liệu hoặc thông điệp liên lớp.

Chữ ký dựa trên hàm băm có thể bảo vệ những thông điệp đó trước các cuộc tấn công lượng tử trong tương lai.

Mạng Layer 2 có thể tổng hợp nhiều chữ ký thành một proof trước khi gửi dữ liệu lên Layer 1.

Cách này có thể giảm chi phí xác minh on-chain trong khi vẫn duy trì chính sách chữ ký hậu lượng tử off-chain.

Độ an toàn của thiết kế hoàn chỉnh phụ thuộc vào hệ thống proof, tính khả dụng của dữ liệu, khóa nâng cấp, hợp đồng bridge và quy tắc giải quyết tranh chấp.

Chữ ký dựa trên hàm băm và zero-knowledge proof

Các hệ thống zero-knowledge proof có thể giúp nén quá trình xác minh số lượng lớn chữ ký dựa trên hàm băm.

Prover có thể xác minh nhiều chữ ký trong một mạch và tạo ra proof nhỏ hơn để chứng minh việc xác minh là chính xác.

Blockchain xác minh proof thay vì xử lý trực tiếp từng chữ ký.

Cách tiếp cận này có thể giảm dung lượng blockspace và chi phí xác minh.

Nó cũng bổ sung các giả định và rủi ro triển khai của hệ thống proof được chọn.

Việc tạo proof cũng phải đủ nhanh để đáp ứng yêu cầu về thời gian của mạng.

Nghiên cứu hậu lượng tử hiện nay của Ethereum đang tìm hiểu cách tiếp cận này để tổng hợp số lượng lớn chữ ký validator.

Tính linh hoạt về mật mã

Tính linh hoạt về mật mã là khả năng thay thế hoặc bổ sung các thuật toán mật mã mà không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống.

Điều này quan trọng đối với blockchain vì không nên mặc định rằng bất kỳ thuật toán chữ ký nào cũng sẽ luôn an toàn.

Ví có tính linh hoạt về mật mã có thể hỗ trợ nhiều loại chữ ký và di chuyển tài sản thông qua quy trình nâng cấp đã xác thực.

Giao thức có tính linh hoạt về mật mã có thể sử dụng khóa công khai được đánh phiên bản, cơ chế xác thực tài khoản có thể lập trình hoặc xác minh đồng thuận có thể nâng cấp.

Tính linh hoạt không được tạo ra một lối hạ cấp dễ dàng về thuật toán yếu.

Mỗi thuật toán được hỗ trợ, quy tắc dự phòng và khóa di chuyển đều trở thành một phần của bề mặt tấn công.

Di chuyển từ chữ ký crypto hiện có

Chuyển blockchain từ chữ ký thông thường sang chữ ký dựa trên hàm băm đòi hỏi nhiều hơn việc phát hành phần mềm ví mới.

Mạng cần có cách nhận diện định dạng khóa công khai và chữ ký mới.

Node cần cập nhật quy tắc xác minh.

Ví cần tạo, lưu trữ, sao lưu và luân chuyển khóa mới.

Người dùng cần chuyển tài sản từ tài khoản cũ sang tài khoản được bảo vệ.

Validator, bridge, hợp đồng thông minh, hệ thống quản trị và chính sách lưu ký cũng cần được nâng cấp.

Tài sản không hoạt động đặt ra một vấn đề khó khăn vì chủ sở hữu có thể chưa di chuyển trước khi mối đe dọa lượng tử trở nên cấp bách.

Nhà thiết kế giao thức có thể cần các quy tắc khẩn cấp cho khóa công khai đã bị lộ, loại tài khoản cũ và tài sản bị bỏ quên trong thời gian dài.

Lưu trữ ngay, tấn công sau

Cụm từ “lưu trữ ngay, tấn công sau” thường nói đến việc thu thập dữ liệu mã hóa hôm nay để giải mã sau khi máy tính lượng tử được cải tiến.

Chữ ký tiền mã hóa tạo ra một mối lo ngại liên quan nhưng khác biệt.

Dữ liệu blockchain được công khai vĩnh viễn, vì vậy khóa công khai bị lộ và chữ ký trong quá khứ có thể được nghiên cứu trong tương lai.

Kẻ tấn công thường không thể thay đổi một giao dịch đã hoàn tất chỉ bằng cách phát hiện khóa riêng tư vào thời điểm sau đó.

Kẻ tấn công có thể đánh cắp tiền vẫn do cùng một khóa dễ bị tổn thương kiểm soát hoặc tấn công các hệ thống tiếp tục tin cậy khóa đó.

Do đó, tài khoản kho bạc có vòng đời dài, địa chỉ được tái sử dụng, danh tính validator và khóa bridge cần được lên kế hoạch di chuyển sớm.

Ưu điểm của chữ ký dựa trên hàm băm

Ưu điểm chính của chữ ký dựa trên hàm băm là vị thế vững chắc của chúng trong nhóm ứng viên chữ ký hậu lượng tử.

Các cấu trúc này chủ yếu dựa vào những hàm băm mật mã đã được nghiên cứu kỹ.

Chúng không dựa vào bài toán logarit rời rạc mà thuật toán Shor đe dọa.

Một số sơ đồ đã được NIST và IETF ban hành tiêu chuẩn chính thức.

Các phép toán hàm băm được triển khai rộng rãi và có thể hoạt động hiệu quả trên cả phần cứng lẫn phần mềm.

Cây Merkle cho phép biểu diễn nhiều khóa công khai dùng một lần bằng một root duy nhất.

Các thiết kế phi trạng thái giảm nguy cơ vận hành do tái sử dụng chỉ số ký.

Các thiết kế có trạng thái có thể hữu ích trong môi trường ký được kiểm soát và có tần suất thấp.

Nhược điểm của chữ ký dựa trên hàm băm

Nhược điểm lớn nhất là kích thước chữ ký.

Chữ ký lớn có thể làm tăng phí giao dịch tiền mã hóa, thời gian lan truyền block, yêu cầu lưu trữ và băng thông xác minh.

Sơ đồ có trạng thái đòi hỏi quản lý chỉ số nghiêm ngặt và có thể gặp sự cố nghiêm trọng nếu bản sao lưu hoặc các bên ký song song tái sử dụng trạng thái.

Sơ đồ phi trạng thái tránh được trạng thái lâu dài nhưng nhìn chung đòi hỏi nhiều dữ liệu và phép tính hơn.

Nhiều chip ví, hợp đồng thông minh, phần mềm node và giao thức blockchain hiện có chưa hỗ trợ các thuật toán này.

Chữ ký dựa trên hàm băm cũng thiếu các đặc tính tổng hợp gốc gọn nhẹ của một số hệ thống chữ ký hiện tại.

Tổng hợp dựa trên proof có thể giải quyết một phần vấn đề này nhưng lại bổ sung một lớp mật mã phức tạp khác.

Chữ ký dựa trên hàm băm có bất khả xâm phạm không?

Chữ ký dựa trên hàm băm không bất khả xâm phạm.

Độ an toàn của chúng phụ thuộc vào độ mạnh của hàm băm nền tảng và tính chính xác của toàn bộ cấu trúc.

Bộ tạo số ngẫu nhiên yếu có thể làm lộ dữ liệu ký riêng tư.

Lỗi phần mềm có thể tính sai đường dẫn xác thực.

Tái sử dụng trạng thái có thể phá hủy một sơ đồ có trạng thái.

Tấn công kênh kề có thể làm rò rỉ dữ liệu bí mật.

Bản cập nhật độc hại có thể thay thế khóa công khai dùng để xác minh.

Các phát hiện mật mã học trong tương lai có thể làm suy yếu hàm băm hoặc bộ tham số được chọn.

Khả năng kháng lượng tử giải quyết một nhóm tấn công cụ thể, chứ không phải mọi lỗi bảo mật.

Những hiểu lầm phổ biến về chữ ký dựa trên hàm băm

Một hiểu lầm phổ biến là mọi hàm băm blockchain hiện đã cung cấp cơ chế ủy quyền giao dịch kháng lượng tử.

Hash giao dịch dùng để nhận diện dữ liệu, nhưng không thay thế chữ ký số dùng để ủy quyền việc chi tiêu.

Một hiểu lầm khác là chữ ký dựa trên hàm băm tự động có kích thước nhỏ vì đầu ra hàm băm nhỏ.

Một chữ ký hoàn chỉnh bao gồm dữ liệu chữ ký dùng một lần, đường dẫn xác thực và các thông tin cấu trúc khác.

Hiểu lầm thứ ba là chữ ký có trạng thái an toàn miễn là seed riêng tư được bảo vệ.

Chúng cũng đòi hỏi trạng thái ký hiện tại phải được bảo vệ tuyệt đối.

Hiểu lầm thứ tư là “kháng lượng tử” đồng nghĩa với miễn nhiễm trước mọi cuộc tấn công.

Lỗi triển khai, phishing, malware, thất bại trong quản trị và khai thác hợp đồng thông minh vẫn có thể xảy ra.

Hiểu lầm thứ năm là blockchain có thể áp dụng định dạng chữ ký mới ngay lập tức.

Việc di chuyển đòi hỏi sự phối hợp giữa giao thức, ví, phần cứng, dịch vụ lưu ký, ứng dụng và người dùng.

Danh sách kiểm tra bảo mật cho hệ thống chữ ký dựa trên hàm băm

Chỉ sử dụng các thuật toán đã được đánh giá và bộ tham số được xác định rõ ràng.

Tạo seed riêng tư bằng bộ tạo số ngẫu nhiên an toàn về mặt mật mã.

Bảo vệ seed chính bằng phần cứng an toàn hoặc hệ thống quản lý khóa được thiết kế cẩn thận.

Không bao giờ sao chép khóa riêng tư có trạng thái sang hai bên ký độc lập nếu không có thiết kế phối hợp trạng thái an toàn.

Đảm bảo cập nhật trạng thái diễn ra nguyên tử và chống chịu được sự cố mất điện hoặc khôi phục trạng thái cũ.

Theo dõi số lượt ký còn lại của khóa XMSS, LMS, XMSSMT hoặc HSS.

Xác thực việc luân chuyển khóa để kẻ tấn công không thể thay thế khóa công khai mới.

Sử dụng phân tách miền chính xác theo yêu cầu của tiêu chuẩn.

Kiểm thử khả năng tương tác bằng bộ vector chính thức và các triển khai độc lập.

Lên kế hoạch di chuyển thuật toán trước khi sơ đồ hiện tại trở nên không an toàn.

FAQ

Chữ ký dựa trên hàm băm là gì?

Chữ ký dựa trên hàm băm là chữ ký số có độ an toàn chủ yếu dựa vào các hàm băm mật mã và cấu trúc cây băm.

Tại sao chữ ký dựa trên hàm băm quan trọng đối với tiền mã hóa?

Chúng có thể cung cấp cơ chế ủy quyền hậu lượng tử cho ví, validator, bridge, hệ thống quản trị, bản phát hành phần mềm và cơ sở hạ tầng blockchain khác.

Chữ ký dựa trên hàm băm có kháng lượng tử không?

Chúng được xem là kháng lượng tử khi sử dụng hàm băm an toàn và bộ tham số đủ mạnh, dù các thuật toán lượng tử vẫn làm giảm một phần biên độ an toàn trước tấn công vét cạn.

SLH-DSA là gì?

SLH-DSA là thuật toán chữ ký số dựa trên hàm băm phi trạng thái được NIST tiêu chuẩn hóa trong FIPS 205.

SLH-DSA có giống SPHINCS+ không?

SLH-DSA là thuật toán được NIST tiêu chuẩn hóa và phát triển từ SPHINCS+, nhưng các triển khai cần tuân theo FIPS 205, thay vì mặc định mọi phiên bản SPHINCS+ trước đây đều giống hệt.

XMSS là gì?

XMSS là hệ thống chữ ký cây Merkle có trạng thái, sử dụng chữ ký dùng một lần WOTS+ và cần theo dõi cẩn thận các chỉ số ký đã sử dụng.

LMS là gì?

LMS là sơ đồ chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái, kết hợp chữ ký dùng một lần LM-OTS với xác thực cây Merkle.

HSS là gì?

HSS là hệ thống phân cấp kết nối nhiều cây LMS để cấu trúc khóa có thể hỗ trợ số lượng chữ ký lớn hơn.

Chữ ký có trạng thái và phi trạng thái khác nhau thế nào?

Chữ ký có trạng thái yêu cầu bên ký theo dõi các khóa dùng một lần đã sử dụng, trong khi chữ ký phi trạng thái không cần duy trì bộ đếm ký lâu dài.

Tại sao tái sử dụng trạng thái lại nguy hiểm?

Tái sử dụng khóa ký dùng một lần có thể làm lộ đủ thông tin bí mật để làm suy yếu hoặc phá hủy độ an toàn của sơ đồ chữ ký dựa trên hàm băm có trạng thái.

Chữ ký cây Merkle là gì?

Chữ ký cây Merkle sử dụng root Merkle để xác thực nhiều khóa công khai dùng một lần thông qua các đường dẫn xác thực dựa trên hàm băm gọn nhẹ.

WOTS+ là gì?

WOTS+ là cấu trúc chữ ký Winternitz dùng một lần, được sử dụng làm thành phần xây dựng trong XMSS và SLH-DSA.

FORS là gì?

FORS là cấu trúc chữ ký dùng một vài lần được sử dụng bên trong SLH-DSA để ký digest thông điệp trước khi kết quả được xác thực thông qua hypertree.

Chữ ký dựa trên hàm băm đã được các blockchain lớn sử dụng chưa?

Chúng chưa phải loại chữ ký giao dịch thông thường của hầu hết mạng blockchain lớn, dù nghiên cứu đang diễn ra và các triển khai chuyên biệt ngày càng mở rộng.

Ethereum hiện đang sử dụng chữ ký dựa trên hàm băm không?

Ethereum hiện chưa sử dụng chúng làm chữ ký tiêu chuẩn cho validator hoặc người dùng, nhưng lộ trình nghiên cứu hậu lượng tử đang tìm hiểu leanXMSS và tổng hợp dựa trên proof.

Hợp đồng thông minh có thể xác minh chữ ký dựa trên hàm băm không?

Hợp đồng thông minh có thể triển khai logic xác minh tương thích, dù chi phí tính toán và dữ liệu giao dịch có thể đáng kể.

Tại sao chữ ký dựa trên hàm băm lại lớn như vậy?

Chúng phải bao gồm giá trị chữ ký dùng một lần, đường dẫn xác thực Merkle và thông tin khác cần thiết để liên kết chữ ký thông điệp với root công khai.

Có thể tổng hợp chữ ký dựa trên hàm băm không?

Nhìn chung, chúng thiếu khả năng tổng hợp gốc gọn nhẹ có trong một số sơ đồ hiện tại, nhưng hệ thống proof có thể tổng hợp kết quả xác minh của chúng.

Ví phần cứng có thể sử dụng chữ ký dựa trên hàm băm không?

Ví phần cứng có thể hỗ trợ chúng nếu có firmware tương thích, lưu trữ khóa an toàn, đủ năng lực xử lý và xử lý trạng thái an toàn khi cần.

Chữ ký dựa trên hàm băm có thay thế mã hóa không?

Không. Chữ ký cung cấp khả năng xác thực và toàn vẹn, còn mã hóa được thiết kế để giữ thông tin bí mật.

Tôi có thể chuyển khóa riêng tư crypto hiện có thành khóa dựa trên hàm băm không?

Quá trình di chuyển an toàn thường cần tạo cặp khóa dựa trên hàm băm mới và ủy quyền khóa công khai mới theo quy tắc tài khoản hoặc giao thức hiện có.

Chữ ký dựa trên hàm băm có an toàn hơn mọi sơ đồ hậu lượng tử khác không?

Chúng có nền tảng bảo mật thận trọng, nhưng độ an toàn còn phụ thuộc vào yêu cầu hiệu suất, chất lượng triển khai, quản lý khóa, tham số và giao thức xung quanh.

Rủi ro chính của XMSS và LMS là gì?

Rủi ro vận hành chính là vô tình tái sử dụng chỉ số ký dùng một lần do khôi phục bản sao lưu cũ, ký song song hoặc cập nhật trạng thái thất bại.

Rủi ro chính của SLH-DSA là gì?

Hạn chế thực tiễn chính của SLH-DSA là chữ ký lớn và yêu cầu tính toán đáng kể, trong khi lỗi triển khai và lỗi tạo số ngẫu nhiên vẫn là những mối lo ngại về bảo mật.

Máy tính lượng tử có phá vỡ tiền mã hóa ngay lập tức không?

Hiện chưa có máy tính lượng tử nào được chứng minh là có thể thực hiện các cuộc tấn công cần thiết nhằm vào khóa của những blockchain lớn, nhưng cần bắt đầu di chuyển sớm vì thay đổi giao thức trên phạm vi toàn cầu đòi hỏi chuẩn bị kỹ lưỡng.

Kết luận

Chữ ký dựa trên hàm băm là hệ thống chữ ký số chủ yếu được xây dựng từ hàm băm mật mã, chữ ký dùng một lần và xác thực cây Merkle.

Chúng đặc biệt liên quan đến tiền mã hóa vì cung cấp hướng đi khả thi để xác thực giao dịch và validator, có khả năng chống lại các cuộc tấn công điện toán lượng tử đã biết.

Các sơ đồ có trạng thái như XMSS, XMSSMT, LMS và HSS có thể mang lại độ an toàn cao nhưng yêu cầu theo dõi chính xác từng chỉ số ký đã sử dụng.

Khôi phục bản sao lưu cũ hoặc dùng cùng một khóa có trạng thái trên hai thiết bị có thể vô tình tái sử dụng dữ liệu ký và làm suy yếu nghiêm trọng khóa.

SLH-DSA phi trạng thái tránh được yêu cầu duy trì trạng thái lâu dài và trở thành tiêu chuẩn NIST chính thức thông qua FIPS 205 vào tháng 8 năm 2024.

Đổi lại, chữ ký SLH-DSA lớn hơn nhiều so với chữ ký thường được các tài khoản và validator tiền mã hóa hiện nay sử dụng.

Chữ ký lớn ảnh hưởng đến phí giao dịch, blockspace, băng thông, lưu trữ, đồng bộ hóa và chi phí xác minh.

Do đó, các nhà nghiên cứu blockchain đang tìm hiểu account abstraction, chữ ký lai, tổng hợp zero-knowledge, xác minh có thể lập trình và tính linh hoạt về mật mã.

Nghiên cứu hậu lượng tử hiện nay của Ethereum bao gồm chữ ký validator dựa trên hàm băm và các hệ thống proof được thiết kế để nén quá trình xác minh.

Chữ ký dựa trên hàm băm không giải quyết mọi vấn đề bảo mật crypto.

Malware trong ví, đánh cắp seed, phishing, lỗi hợp đồng thông minh, quản trị yếu, bridge không an toàn, số ngẫu nhiên không chính xác và lỗi triển khai vẫn có thể gây tổn thất.

Nên xem chúng là công nghệ xác thực mạnh mẽ, chứ không phải giải pháp bảo mật toàn diện.

Đối với mạng tiền mã hóa, thách thức dài hạn không chỉ là chọn một thuật toán chữ ký kháng lượng tử.

Thách thức lớn hơn là di chuyển hàng tỷ USD trong tài khoản, ứng dụng, hệ thống validator và cơ sở hạ tầng mà không làm gián đoạn bảo mật mạng hoặc bỏ lại người dùng không hoạt động.

Chữ ký dựa trên hàm băm cung cấp một trong những nền tảng trưởng thành và được thiết kế thận trọng nhất cho quá trình chuyển đổi đó.