Khoa học về Crypto: Những công trình nghiên cứu nào đã đặt nền móng cho tất cả?

Blockchain đã bùng nổ trên màn hình điện thoại di động rất lâu sau khi nhà bác học Abu Yusuf Yaqub ibn Ishaq al-Kindi viết bản thảo "Về việc giải mã các thông điệp mật mã" vào thế kỷ thứ chín, hệ thống hóa phương pháp khoa học đầu tiên để giải mã các văn bản bí mật một cách lặp lại. Bằng cách xử lý các chữ cái như dữ liệu và tính toán tần suất của chúng, al-Kindi đã mang lại ngọn lửa Prometheus cho mật mã học: minh chứng rằng sự quan sát có hệ thống, thay vì những phỏng đoán cảm tính, có thể giải mã một văn bản ẩn giấu.

Ngọn lửa đó vẫn xuất hiện mỗi khi một ví tiền mã hóa được mở ra ngày nay. Mỗi lần chạm trong giao dịch của John Doe để ủy quyền thanh toán đều gợi lại tư duy đại số mà al-Kindi đã khởi xướng — thu thập thống kê, mô hình hóa sự không chắc chắn, tin vào toán học thay vì những huyền thoại. Sự kết hợp giữa chủ nghĩa kinh nghiệm và lý thuyết của ông đã giúp phát triển chính khái niệm rằng tính bảo mật và xác minh có thể được thiết kế kỹ thuật, một lời hứa cơ bản bảo chứng cho mọi mục ghi sổ cái blockchain ngày nay.

Khởi đầu mang tính khai sáng của Khoa học Mật mã

Khi Leon Battista Alberti viết mô tả về đĩa mật mã của riêng mình vào năm 1467, và khi Blaise de Vigenère phổ biến tác phẩm Traicté des Chiffres vào năm 1586, họ không chỉ đơn thuần là đang giải trí với những thủ thuật thông minh. Họ đang chính thức hóa mối quan hệ giữa khóa và thông điệp, giới thiệu phương pháp thay thế đa bảng chữ cái có thể ngăn chặn các cuộc tấn công vét cạn (bằng tay).

Đối với các học giả thời bấy giờ, điều đó có nghĩa là ngoại giao bí mật; còn đối với một nhà đầu tư tiền mã hóa ngày nay, nó báo hiệu cho các khóa xoay vòng (revolving keys) giúp bảo vệ API của sàn giao dịch khỏi bot.

Công trình quan trọng tiếp theo xuất hiện vào cuối những năm 1850, khi Charles Babbage sử dụng khái niệm về các chỉ số và công bố thuật toán của mình; tuy nhiên, điều này đã bị lu mờ khi cuốn Handbuch của Friedrich Kasiski được xuất bản dưới tựa đề Die Geheimschriften und die Dechiffrir-Kunst, trong đó ông mô tả phương pháp giải mã bằng cách tìm các mẫu lặp lại trong bản rõ (một độ dài khóa).

Toán học của họ chỉ ra rằng không một khóa nào được phép lặp lại mà không dẫn đến những hệ quả, một trực giác mà người dùng tiền mã hóa thông thường vốn đã quen thuộc khi, chẳng hạn, một ví điện tử yêu cầu họ không được tái sử dụng mật khẩu hoặc cụm từ khôi phục (seed phrase).

Trong một bài tiểu luận năm 1883 mang tên La Cryptographie Militaire, Kerckhoffs đã lập luận rằng một hệ thống mật mã phải an toàn ngay cả khi mọi thứ về hệ thống đó đều được công khai — ngoại trừ khóa. Châm ngôn đó vẫn còn vang vọng trong văn hóa hợp đồng thông minh mã nguồn mở, nơi các kiểm toán viên và nhà nghiên cứu mũ trắng công khai mã nguồn của họ để mọi người cùng xem xét, sao cho tính bảo mật đến từ các khóa và toán học, chứ không phải từ sự che giấu (obscurity).

Các nhà thống kê và ngôn ngữ học sau đó đã mài giũa những hiểu biết này thành các chương trình giảng dạy, khi hệ thống bưu chính và cáp quốc tế lan rộng khắp thế giới. Phương pháp phân tích tần suất thực tế đã được nhà giải mã quân đội Pháp Étienne Bazeries ghi lại vào những năm 1890 và ở bên kia bờ Đại Tây Dương, Elizabeth và William Friedman đã thiết lập các chương trình giáo dục tiêu chuẩn hóa, coi các mã là những tín hiệu cần được đong đếm. Những chương trình đó đã tạo ra kỳ vọng rằng mật mã học sẽ được giảng dạy, thử nghiệm và cải tiến thay vì chỉ được thừa kế.

Từ Điện báo đến Turing

Khi các tranh chấp công nghiệp đòi hỏi nhu cầu giao tiếp nhanh chóng, mật mã học đã phát triển song hành cùng với kỹ thuật điện tử.

Vào năm 1917, các tập tài liệu của William F. Friedman từ Phòng thí nghiệm Riverbank đã hệ thống hóa phương pháp phân tích mật mã thống kê, tách biệt việc thiết kế mật mã khỏi việc giải mã và để lại cho thế giới chỉ số trùng khớp (index of coincidence). Những tài liệu này đã dạy các nhà phân tích cách xem xét các bảng xác suất, một thói quen vẫn còn vang vọng đến tận ngày nay mỗi khi công cụ quản trị rủi ro của một sàn giao dịch đánh giá một nỗ lực đăng nhập.

Cuốn sách tiết lộ mọi thứ "The American Black Chamber" năm 1931 của Herbert Yardley là một cuốn cẩm nang đã kích thích sự khao khát khám phá các bí mật của công chúng, đồng thời vạch trần các trạm chặn thu tín hiệu và khơi mào cuộc tranh luận toàn cầu đầu tiên về quyền riêng tư đối với bảo mật.

Những người đam mê tiền mã hóa ngày nay đang tái hiện lại cuộc tranh chấp đó mỗi khi các nhà lập pháp tranh luận về các quy tắc yêu cầu khả năng truy xuất nguồn gốc của tiền trên mạng lưới blockchain khi nó được neo giá vào một giá trị trong thế giới thực thông qua các đồng stablecoin.

Cùng năm đó, kỹ sư Gilbert Vernam đã đăng ký một loại mật mã điện báo tại AT&T và vào năm 1919, Mauborgne đã mở rộng điều này thành nguyên lý bản mã dùng một lần (one-time pad). Không lâu sau đó, vào năm 1949, Claude Shannon đã chứng minh rằng hệ thống của Vernam mang lại sự bảo mật tuyệt đối nếu các khóa là ngẫu nhiên và có độ dài ít nhất bằng thông điệp nhưng không bao giờ được tái sử dụng. Đó là lý do tại sao các ví phần cứng lại đặc biệt khắt khe về các trình tạo số ngẫu nhiên bảo mật: nếu không có nguồn entropy cao, bản mã dùng một lần sẽ trở thành một "cửa sau" cho nhiều người dùng.

Những năm giữa hai cuộc thế chiến và Thế chiến II đã mang đến cho chúng ta bài báo năm 1936 của Alan Turing, "Về các con số có thể tính toán được" (On Computable Numbers) và công trình của ông tại Bletchley Park vào những năm 1940, cùng với phân tích Enigma sớm hơn vào năm 1932 của Marian Rejewski. Những cỗ máy lý thuyết của Turing đã giới thiệu ý tưởng về các thuật toán như những quy trình cơ học, từ đó dẫn đến các máy tính lưu trữ chương trình thực hiện việc xác thực chữ ký blockchain trên chip silicon.

Khi một layer-2 rollup kiểm tra hàng nghìn giao dịch mỗi giây, nó đang thực thi chuỗi các chứng minh của Turing về những gì máy móc có thể tính toán được.

Tác phẩm "Lý thuyết Truyền thông trong các Hệ thống Bảo mật" năm 1949 của Claude Shannon đã khép lại giai đoạn này. Bằng cách đặt tính bảo mật vào bối cảnh lý thuyết thông tin, ông đã giới thiệu các khái niệm như sự xáo trộn (confusion), sự khuếch tán (diffusion) và entropy. Người dùng tiền mã hóa thông thường sẽ bắt gặp những khái niệm này khi AES-GCM bảo mật các phiên HTTPS mà qua đó họ nhận dữ liệu giá (price feeds) cho ứng dụng của mình, hoặc khi một ví lạnh không giải phóng khóa bất kể bạn nhập sai mã PIN bao nhiêu lần.

Cuốn sách "Cybernetics" (Điều khiển học) năm 1948 của Norbert Wiener đã giới thiệu toán học về phản hồi và điều khiển, mở đường cho các mô-đun bảo mật thích ứng mà ngày nay đang điều chỉnh các ngưỡng bất thường bên trong các bảng điều khiển giám sát hợp đồng thông minh.

Các hệ thống phòng thủ bằng học máy (machine learning) đang giám sát hành vi giao dịch ảo (wash trading) mang ơn các vòng lặp phản hồi của Wiener cũng nhiều như đối với các thế hệ GPU hiện nay.

Khóa công khai và Niềm tin kỹ thuật số

Trước khi internet có thể tự động hóa giá trị, chúng ta cần tạo ra các mã hóa đối xứng mà các chip silicon có thể xử lý. Các báo cáo kỹ thuật của IBM về mã hóa khối (block ciphers) do Horst Feistel công bố năm 1971 đã dẫn đến Tiêu chuẩn Mã hóa Dữ liệu (DES) của NIST vào năm 1977. Hàm lặp (per-round function) và cơ chế lập lịch của DES đã gieo mầm cho các cuộc thi AES ngày nay, đảm bảo rằng một giao dịch stablecoin giữa các châu lục vẫn được giữ riêng tư trong các đường truyền TLS.

Không lâu sau đó, Ralph Merkle đã công bố luận án năm 1979 về cây băm một chiều và mang đến cho chúng ta cấu trúc cây Merkle (Merkle tree), thứ mà hiện nay cho phép các nút (nodes) xác minh các bằng chứng bao hàm (inclusion proofs) mà không cần phải tải về mọi khối dữ liệu.

Các tiêu đề khối được kiểm tra bởi mọi light client và sàn giao dịch NFT trong EVM vốn dựa vào các cấu trúc cây đó.

Sau đó là cuộc cách mạng: bài báo New Directions in Cryptography năm 1976 của Whitfield Diffie và Martin Hellman đã bổ sung việc trao đổi khóa công khai, trong khi các câu đố do Ralph Merkle đề xuất đã cung cấp mảnh ghép thứ ba còn thiếu. Ngay lập tức, những người lạ có thể cùng thống nhất một bí mật thông qua các kênh mở. Đối với một chủ sở hữu ví thông thường, điều kỳ diệu đó chính là quá trình bắt tay diễn ra đằng sau mỗi lần quét mã QR để kết nối ứng dụng di động với tiện ích mở rộng trên trình duyệt.

RSA được giới thiệu vào năm 1977 khi Ron Rivest, Adi Shamir và Leonard Adleman xuất bản bài báo A Method for Obtaining Digital Signatures and Public-Key Cryptosystems. Thuật toán này dựa trên việc sử dụng các số nguyên tố lớn và kể từ đó đã trở thành nền tảng cho chữ ký điện tử, các bản cập nhật phần mềm và chứng chỉ SSL mà các trang web giao dịch tiền mã hóa hàng đầu gia hạn hàng năm. Ngay cả các dịch vụ lưu ký đang triển khai các mô-đun bảo mật phần cứng cũng dựa vào RSA và các biến thể đường cong elip làm gốc tin cậy của họ.

Các giao thức xác thực cũng phát triển song song. Mã hóa là một phiên bản của giải pháp cho vấn đề này, và hóa ra vào năm 1978, bài báo Using Encryption for Authentication của Roger Needham và Michael Schroeder đã đề xuất các luồng thách thức-phản hồi (challenge-response) rất giống với cơ chế vé Kerberos, ngoại trừ việc nó ra đời sớm hơn một thập kỷ. Ngân hàng di động và các sàn giao dịch tập trung tiếp tục sử dụng các phương thức cấp vé được phát triển từ hệ thống đó để đồng bộ hóa các phiên làm việc một cách an toàn.

Thập niên 1980 đã làm đa dạng hóa bộ công cụ này. Chữ ký logarit rời rạc năm 1985 của Taher ElGamal là nguồn gốc cho cả Thuật toán Chữ ký Số năm 1994 và cơ chế đa chữ ký dựa trên Schnorr ngày nay. Vào năm 1985, mật mã đường cong elip đã được Neal Koblitz và Victor Miller phát minh độc lập, cung cấp cho các blockchain như Bitcoin một sơ đồ chữ ký nhỏ gọn.

Bài báo về chữ ký mù năm 1983 của David Chaum và các giao thức mật mã cho email không thể truy vết của ông hai năm sau đó là những tiền thân của tiền kỹ thuật số từ rất lâu trước khi Satoshi Nakamoto tái phát minh ra nó.

Khi các khóa 56-bit của DES trở nên dễ bị tấn công, việc NIST áp dụng thuật toán Rijndael vào năm 2001 đã dần lan tỏa để mang lại mức độ bảo mật 128-bit và sau đó là 256-bit cho tất cả mọi người.

AES-GCM hiện đang mã hóa các lệnh gọi JSON-RPC mà các ứng dụng ví phát ra, một minh chứng cho khả năng phục hồi cấp độ tiêu dùng mà các cuộc thi của chính phủ có thể mang lại.

Lý thuyết đã bắt kịp với phần mềm tiêu dùng vào những năm 1990. Gói Pretty Good Privacy của Phil Zimmermann vào năm 1991 đã mang mã hóa đầu cuối đến với máy tính cá nhân, và cùng năm đó, Paul Kocher đã xuất bản một bài báo cho Bellcore vạch trần các cuộc tấn công định thời (timing attacks), yêu cầu các nhà thiết kế phần cứng phải che giấu các kênh kề (side channels). Proof-of-work như một biện pháp chống thư rác đã được chính thức hóa bởi "Hashcash" của Adam Back vào năm 1997; sau đó nó mới phát triển để bảo vệ sự đồng thuận phi tập trung. Trong khi đó, bài báo về định giá thông qua xử lý năm 1992 của Cynthia Dwork và Moni Naor là một bản xem trước của các thị trường phí mà mọi nhà giao dịch tiền mã hóa đều tham gia khi sử dụng các dapp trên chuỗi.

Các hàm băm cũng đã phát triển. Các hoạt động thời gian không đổi (constant time operations) đã được đưa vào các blockchain hiện đại thông qua việc nhận diện các lỗi thiết kế từ công trình năm 1993 của Bart Preneel về các hàm nén một chiều, việc áp dụng SHA-256 vào năm 2000, và Curve25519 của Dan Bernstein vào năm 2005 với các chữ ký Ed25519 nối tiếp vào năm 2012. Chữ ký BLS (được giới thiệu bởi Dan Boneh, Ben Lynn và Hovav Shacham vào năm 2001) gần đây đã được triển khai để tổng hợp các trình xác thực trong cơ chế đồng thuận của Ethereum và giảm bớt các thông báo cồng kềnh.

Những bài báo này không chỉ là những kiến thức cổ xưa; chúng đang vận hành âm thầm trong mọi chiếc ví.

Dưới đây là một vài ví dụ phản ánh quan điểm đó trong đời sống tiền mã hóa hàng ngày:

1. Các mã xác thực hai yếu tố (2FA) có nguồn gốc từ cùng một hệ thống số học mô-đun như giao thức trao đổi khóa Diffie-Hellman, cho phép ví nóng đồng bộ hóa bảo mật với điện thoại.

2. Các bể nạp và rút tiền từ danh mục lưu trữ lạnh sử dụng kỹ thuật làm mù Chaumian (Chaumian blinding), đồng thời dựa vào các chuỗi hàm băm Lamport để đối soát các giao dịch rút tiền mà không làm lộ khóa ký.

3. Việc kiểm toán hợp đồng thông minh sử dụng các mô hình tấn công Kocher và giới hạn tốc độ kiểu Hashcash để hạn chế bot, đảm bảo các bảng điều khiển staking vẫn duy trì khả năng phản hồi trong các giai đoạn thị trường biến động.

Những ranh giới hậu lượng tử và đời sống hàng ngày

Và rồi vào tháng 10 năm 2008, Satoshi Nakamoto đã giới thiệu với thế giới bản sách trắng có tiêu đề Bitcoin: Hệ thống tiền điện tử ngang hàng — khắc sâu các cây Merkle cùng với Hashcash và chữ ký số vào một nền kinh tế. Khối nguyên thủy (genesis block) đầu tiên được khởi chạy vào tháng 1 năm 2009, và chứng minh rằng các động lực kinh tế có thể được sử dụng để duy trì một sổ cái kế toán mà không cần đến cơ quan trung ương. Chuỗi liên kết các nghiên cứu đó vẫn tạo nên nền tảng cho mỗi thao tác chạm để kiểm tra số dư trên một nền tảng play-to-earn.

Cũng trong năm đó, luận văn "Sơ đồ mã hóa đồng cấu toàn phần" của Craig Gentry đã chỉ ra rằng việc thực hiện các tính toán tùy ý trên dữ liệu đã mã hóa là khả thi. Ngày nay, hai mươi năm sau, các sàn giao dịch sử dụng các bằng chứng đồng cấu theo lô để cân đối các cổng nạp/rút tiền pháp định mà không làm tiết lộ thông tin khách hàng cho các bên đối tác. Đối với người dùng, điều này cung cấp một phương thức để chứng minh khả năng thanh toán hoặc thu nhập trong khi vẫn giữ bảo mật các khóa cá nhân.

Tính toán đa bên an toàn (MPC) đã tiến một bước dài kể từ giao thức SPDZ năm 2011 của Nigel Smart và các cộng sự, cho phép các tổ chức lưu ký chia sẻ khóa giữa những người cùng ký được ủy quyền.

Khi một bàn giao dịch phê duyệt một giao dịch chuyển tiền lớn, các phép toán kiểu SPDZ đảm bảo rằng không một nhân viên riêng lẻ nào có thể tiết lộ bí mật.

Nghiên cứu về zero-knowledge (bằng chứng không tri thức) đã tăng tốc ngay sau đó. Bài nghiên cứu năm 2012 của Eli Ben-Sasson, Alessandro Chiesa, Eran Tromer và Madars Virza lần đầu tiên đưa zk-SNARKs đến với cộng đồng blockchain, cuối cùng dẫn đến sự ra đời của Zcash vào năm 2016 và các cầu nối bảo mật hiện nay. Giao thức Sonic năm 2018 của Mary Maller và hệ thống Plonk năm 2019 của Ariel Gabizon đã tối ưu hóa các thuật toán chứng minh, cho phép các ví di động thực hiện xác minh tức thời các giao dịch ẩn danh.

Các bằng chứng phạm vi kích thước logarit đã được giới thiệu trong bài nghiên cứu Bulletproofs năm 2018 của Benedikt Bünz, vốn được tích hợp vào các đồng tiền bảo mật và sàn giao dịch phi tập trung để chứng minh rằng có đủ tài sản thế chấp mà không cần tiết lộ số dư. Việc triển khai Bulletproofs++ sắp tới bởi một số đội ngũ Layer 2 vào năm 2025 sẽ mang lại khả năng giao dịch DeFi bảo mật tốc độ cao trên các thiết bị phần cứng phổ thông.

Những tiến bộ kịp thời cũng đã giúp tối ưu hóa cơ chế đồng thuận. Các nghiên cứu về khả năng chịu lỗi Byzantine đã được tinh chỉnh thêm trong bài nghiên cứu Practical Byzantine Fault Tolerance năm 2001 của Leslie Lamport, Dahlia Malkhi và những người khác, trong khi bài nghiên cứu Algorand năm 2017 của Silvio Micali đã chỉ ra một hướng đi cho cơ chế bằng chứng cổ phần (proof of stake) có khả năng mở rộng. Sự kiện hợp nhất của Ethereum năm 2022 — dựa trên nghiên cứu năm 2017 về Casper FFG — hiện cho phép người dùng thông thường có thể stake thông qua các dịch vụ gộp (pooled services), giúp ẩn đi hàng trang công thức toán học đằng sau một giao diện bảng điều khiển đẹp mắt.

Các kênh thanh toán Layer-2 đã phát triển dưới dạng bài nghiên cứu Lightning Network năm 2015 của Joseph Poon và Thaddeus Dryja cùng các thông số kỹ thuật BOLT sau đó.

Các giao dịch cam kết và giao thức xử phạt của họ thực chất chỉ là những ứng dụng của hợp đồng khóa thời gian băm (HTLC) đã được nghiên cứu từ năm 2000, cho phép những người mua sắm tại cửa hàng hưởng mức phí dưới một xu khi thanh toán bằng thẻ hỗ trợ tiền mã hóa.

Sự cấp bách mới nảy sinh cùng với những dự báo về điện toán lượng tử. CRYSTALS-Kyber và CRYSTALS-Dilithium đã được NIST lựa chọn để chuẩn hóa vào năm 2022, với các bản dự thảo FIPS 203 và FIPS 204 được lưu hành tới các nhà cung cấp ngay từ đầu năm 2024. Vào năm 2024, các sàn giao dịch như Coinbase và Binance đã bắt đầu thử nghiệm beta việc bao gói khóa dựa trên Kyber trong các mô-đun phần cứng; trong khi đó, lộ trình phần sụn năm 2025 của Ledger bao gồm các đề xuất về bằng chứng lai RSA/Kyber để một yêu cầu hoán đổi có thể chống lại các đối thủ lượng tử trong tương lai.

Các nghiên cứu được thực hiện trong năm 2024 và 2025 đã phát triển lý thuyết xa hơn, hiện thực hóa và đưa nó vào thực tiễn.

Đầu năm 2024, sơ đồ chữ ký ngưỡng FROST đã được đưa vào dự thảo của IETF và các ví đa chữ ký có thể thực hiện đồng ký với các vòng xác thực hiệu quả. Các nguyên mẫu danksharding của Ethereum được dựa trên bài báo về cam kết đa thức Kate năm 2020 và thông số kỹ thuật Proto-Danksharding năm 2023, cho phép các giải pháp rollup quyết toán thanh toán vào sổ cái toàn cầu cho những người lao động tự do với mức phí hợp lý hơn nhiều.

Nghiên cứu về trừu tượng hóa tài khoản, nơi vô số chi tiết quan trọng đã được đúc kết thành tiêu chuẩn ERC-4337 năm 2023 của Ethereum và đề xuất EIP-7702 năm 2024, chính là yếu tố đưa ví hợp đồng thông minh đến với người dùng phổ thông. Các bài báo của Trail of Bits và Ethereum Foundation đã định lượng hóa kinh tế học của bộ gom nhóm (bundler), nhờ đó chúng ta cuối cùng có thể đưa trình ký sinh trắc học hoặc các nhóm khôi phục xã hội vào DeFi mà không yêu cầu bất kỳ ai phải ghi nhớ cụm từ khôi phục.

Ngày nay, hành trình của những người nắm giữ tiền mã hóa được định hình bởi chính những cột mốc đó. Việc sao lưu ví dựa trên cơ chế chia sẻ bí mật năm 1979 của Shamir, các vùng thực thi an toàn phần cứng triển khai sách trắng về xác thực từ xa SGX năm 2016, và các đội ngũ tuân thủ mật khẩu tham chiếu hướng dẫn Quy tắc Travel Rule năm 2021 của FATF cùng với các chứng thực zero-knowledge từ nghiên cứu năm 2023 tại Electric Coin Company. Khi một DeFi farmer săn tìm lợi nhuận, họ đang nằm trong sự giao thoa giữa chứng minh hình thức, khoa học pháp quy và thiết kế giao diện.

Ngay cả những tác vụ hàng ngày như chuyển USDT trong mạng lưới blockchain TRON cũng bắt nguồn từ những bài báo nghiên cứu đó. Các sàn giao dịch thuê Energy xuất hiện sau bài báo về Máy ảo TRON năm 2018 sử dụng các mô hình định giá dựa trên tài nguyên vốn được đề xuất ban đầu trong các bằng chứng công việc của Dwork và Naor. Những người đang cân nhắc nên thuê Energy TRON từ một pool ủy quyền hay chỉ đơn giản là thuê ngoài sẽ phải cân nhắc về giá cả, quy tắc ủy quyền và uy tín của nhà cung cấp khi tìm kiếm trên các sàn giao dịch Energy TRON.

Trong tương lai gần, các sự hợp tác như bài báo về xác thực khối rút gọn năm 2024 của MIT/Stanford, hay nghiên cứu năm 2025 của Đại Công cụ tính toán chuyển USDT của Netts là một trong nhiều tính năng của nền tảng, cho phép bạn xác định chính xác lượng Energy cần thuê cho giao dịch tiếp theo: