Blockchain và ứng dụng trong định danh số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Blockchain ứng dụng định danh số TRỊNH HỒNG ĐỨC duc.th202945M@sis.hust.edu.vn Chun ngành: Tốn Tin Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Đình Hân Bộ mơn: Tốn Tin Viện: Toán ứng dụng Tin học HÀ NỘI, 01/2022 Chữ kí GVHD ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Tên học viên: Trịnh Hoàng Đức Mã học viên: 20202945M Tên đề tài: Blockchain Ứng dụng định danh số Mã đề tài: 2020BTOANTIN-KH09 Hệ : Thạc sĩ khoa học Ngành: Toán Tin Cán hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Đình Hân Đơn vị: Viện Toán ứng dụng Tin học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Chữ kí GVHD Blockchain ứng dụng định danh số LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu đề tài luận văn thạc sĩ: "Blockchain Ứng dụng định danh số", tác giả gặp phải khơng khó khăn, vướng mắc Song, nhờ có giúp đỡ thầy cơ, tác giả hồn thành đề tài theo kế hoạch Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn - PGS.TS Nguyễn Đình Hân tận tình hướng dẫn, hỗ trợ bảo suốt thời gian tìm hiểu đề tài Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới TS Vũ Thành Nam cho tác giả lời khuyên, chia sẻ hữu ích giúp tác giả thực đề tài tác giả muốn bày tỏ cảm ơn đến thầy Viện Tốn Ứng dụng Tin học, Đại học Bách Khoa Hà Nội dìu dắt, dạy bảo thời gian tác giả theo học chương trình thạc sĩ Nhờ có thầy cơ, tác giả có hành trang kiến thức vững cho việc nghiên cứu đề tài Cuối cùng, giới hạn kiến thức khả lý luận thân cịn nhiều thiếu sót hạn chế, kính mong dẫn đóng góp thầy, cô để luận văn tốt nghiệp tác giả hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Học viên thực Trịnh Hồng Đức TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Đề tài: Blockchain ứng dụng định danh số Tác giả luận văn: Trịnh Hồng Đức Khóa: 2020B Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Đình Hân Từ khoá: Blockchain, Định danh số, Định danh số tự chủ Nội dung tóm tắt: a Lý chọn đề tài Theo dịng lịch sử cơng nghệ, Internet phát triển mạnh mẽ lan rộng khắp giới Internet cho bước phát triển bậc giúp người kết nối với nhau, giúp người ham học hỏi tiếp xúc với kiến thức bổ ích dễ dàng giảm thiểu chi phí, cải thiện hiệu làm việc cho nhiều hoạt động kinh doanh người Tuy nhiên, bên cạnh tác động tích cực Internet đem đến nhiều hệ lụy không mong muốn cho xã hội người, hệ lụy vấn đề bảo mật định danh số Định danh số hiểu hoạt động quản lý sử dụng danh tính người giới thực vào Internet Những đối tượng gọi hacker lợi dụng nhiều kẽ hở mơi trường Internet để lừa đảo, chiếm đoạt danh tính người khác để lấy tài sản họ sử dụng danh tính chiếm để thực mục đích phi pháp khác Vì vậy, ta cần giải pháp cho hệ thống định danh số nhằm bảo vệ người dùng trước công mạng b Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận văn nghiên cứu mơ hình định danh số giúp đảm bảo an tồn thơng tin cho người dùng Internet Từ đó, giúp nhà phát triển dịch vụ Internet có thêm lựa chọn cho hệ thống họ mà Blockchain ứng dụng định danh số vừa có tính bảo mật mạnh mẽ lại tiết kiệm chi phí xây dựng, phát triển bảo trì hệ thống c Phương pháp nghiên cứu Ở đây, tác giả lựa chọn công nghệ Blockchain làm trọng tâm hướng nghiên cứu tính phi tập trung liệu Blockchain chìa khóa để giải vấn đề nhức nhối kho liệu tập trung Bên cạnh đó, tác giả quan tâm đến tiêu chuẩn đánh giá hệ thống định danh số làm sở để nhìn nhận tính hiệu hệ thống định danh số dựa công nghệ Blockchain d Bố cục luận văn Luận văn tác giả chia làm ba chương Nôi dung khái quát chương bao gồm: • Chương 1: Cơ sở lý thuyết Tác giả trình bày khái niệm Blockchain, bối cảnh lịch sử đời Blockchain, móng xây dựng nên Blockchain mật mã học, lý thuyết trị chơi khoa học máy tính Tiếp đó, tác giả trình bày khía niệm định danh số, mơ hình truyền thống nói chung sử dụng tiêu chuẩn bảo mật để đánh giá hệ thống định danh số tốt • Chương 2: Mơ hình định danh số tự chủ Xa mơ hình định danh số thông thường, chương tác giả trình bày mơ hình định danh số tự chủ - tên gọi mơ hình định danh mà người dùng tác nhân nắm giữ quản lý danh tính họ: thể thông tin không tài khoản mật ta biết thông thường Ở cuối chương hai, tác giả đưa so sánh mơ hình định danh tự chủ so với mơ hình định danh truyền thống • Chương 3: Mô thử nghiệm hệ thống định danh số Tác giả giới thiệu công cụ sử dụng, Hyperledger-Indy HyperledgerIndy tảng định danh số Hyperledger phát triển Tiếp theo Blockchain ứng dụng định danh số đó, tác giả hướng dẫn sử dụng công cụ Indy hoạt động khiến máy tính trở thành phần hệ thống blockchain nói chung hay sử dụng sản phẩm hệ thống định danh số nói riêng Ở cuối chương ba, tác giả tiến hành cài đặt thử nghiệm hệ thống giả lập dựa kiến trúc Indy để hiểu rõ chế hoạt động hệ thống e Kết đạt Trong luận văn "Blockchain ứng dụng định danh số", tác giả trình bày sở kiến thức blockchain, hệ thống định số truyền thống, hệ thống định danh tự chủ từ mơ xây dựng hệ thống định danh tự chủ nhằm thử nghiệm kết Kết thử nghiệm cho thấy mơ hình hồn tồn khả thi triển khai thực tế Trong luận văn này, tác giả giải quyêt vấn đề sau: • Giới thiệu blockchain móng xây dựng nên blockchain gồm mật mã học, lý thuyết trò chơi kiến trúc máy tính • Trình bày mơ hình định danh truyền thống nhược điểm làm mơ hình có tính bảo mật • Tìm hiểu mơ hình định danh tự chủ dựa công nghệ blockchain làm rõ tác dụng mơ hình việc khắc phục tồn hệ thống định danh truyền thống • Mơ lại hệ định danh tự chủ dựa tảng Hyperledger-Indy thử nghiệm Mục lục Cơ sở lý thuyết 1.1 Blockchain 1.2 Định danh số 15 Mơ hình định danh số tự chủ 23 2.1 Hệ thống định danh số tự chủ gì? 23 2.2 Kiến trúc chung 26 2.3 Tương tác thành phần 28 2.4 Các ưu điểm hệ thống định đanh tự chủ 31 Mô thử nghiệm hệ thống định danh số 34 3.1 Nền tảng công cụ sử dụng 34 3.2 Cài đặt Indy 37 3.3 Kịch thử nghiệm 39 3.4 Kết 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Danh sách hình vẽ 1.1 Giao dịch qua bên thứ ba 1.2 Giao dịch ngang hàng 1.3 Giao dịch cổ phiếu qua bên thứ ba 1.4 Giao dịch ngang hàng 1.5 Kiến trúc Blockchain 1.6 Khởi tạo ban đầu 1.7 Giao dịch thứ 1.8 Giao dịch thứ hai 1.9 Hệ thống tập trung 1.10 Hệ thống phi tập trung 1.11 Hệ thống phi tập trung kết nối tất node 1.12 Nền tảng Blockchain 1.13 Hàm băm 10 1.14 Các tướng quân Byzantine 11 1.15 Con trỏ băm cho block 12 1.16 Cách thức lưu trữ giá trị băm Blockchain 13 1.17 Phát lỗi block bị công 13 1.18 Cây Merkle 14 1.19 Blockchain cấu trúc Cây Merkle 14 1.20 Mơ hình định danh số 17 1.21 Mơ hình định danh số đơn giản 18 1.22 Mơ hình định danh số liên kết 19 2.1 Kiến trúc chung hệ định danh số tự chủ dựa blockchain 28 2.2 Quản lý trường hợp xin việc 29 2.3 Tương quan Issuer User 30 Blockchain ứng dụng định danh số 2.4 Tương quan Issuer User 31 3.1 Cơ chế xử lý đồng thuận RBFT 36 3.2 Cơ chế vận hành RBFT Indy 37 3.3 Tương tác thực thể 40 3.4 Trang thông tin Alice lúc khởi tạo 44 3.5 Thông tin khởi tạo Node 45 3.6 Mẫu đăng ký chứng 47 3.7 Giao diện quản lý đại học Faber 48 3.8 Faber gửi yêu cầu kết nối đến Alice 48 3.9 Thư yêu cầu kết nối với Alice gửi từ Faber 49 3.10 Alice kết nối thành công với Faber 49 3.11 Faber cấp chứng học thuật cho Alice 50 3.12 Alice kiểm tra hòm thư xác nhận từ Faber 51 3.13 Alice gửi yêu cầu kết nối đến ACME 51 3.14 Tập đoàn ACME chấp nhận yêu cầu kết nối từ Alice 52 3.15 Tập đoàn ACME chép mẫu yêu cầu xem chứng từ đại học Faber 52 3.16 ACME gửi yêu cầu xem chứng Alice 53 3.17 Alice cho phép tập đoàn ACME xem chứng 54 3.18 ACME xem chứng học thuật Alice 55 Danh sách bảng 2.1 Ưu điểm hệ định danh tự chủ so với hệ định danh truyền thống 33 3.1 Yêu cầu phần cứng cho Node tham gia Hyperledger-Indy 38 3.2 Yêu cầu phần cứng cho môi trường thử nghiệm 39 3.3 Đặc tả chức hệ thống 41 Blockchain ứng dụng định danh số 3.3.5 Tiến hành thử nghiệm Bước 1: Tạo mẫu chứng cho sinh viên đại học Faber Chọn Issuing trang quản lý Faber (http://localhost:3002 ) Tại đây, hệ thống cho ta nhìn thấy mẫu chứng đăng ký hình 3.6 Các thuộc tính cần có: • name: Họ tên người học • degree: Chuyên ngành học • status: Tình trạng học (tốt nghiệp hay chưa) • year: Năm bắt đầu học • average: Thời gian học • ssn: Dùng mã số sinh viên đại học bách khoa Hà Nội (viết tắt Social Security Number ) Bước 2: Tạo kết nối Faber Alice Ta truy cập vào trang quản lý Faber đia https://localhost:3002 Giao diện hiển thị hình 3.7 Ở giao diện Faber, ta chọn nút "Send New Connection Request" nhập DID Alice vào ô địa Cuối cùng, ta chọn nút "Send Connection Request" hình 3.8 để gửi yêu cầu Tiếp sau đó, ta vào trang Messages Alice Ở đây, ta thấy thư yêu cầu kết nối từ phía Faber hình 3.9 Chú ý: Alice cần chắn DID yêu cầu Faber Sau chắn, ta chọn nút "Accept" có thư hình 3.9 quay lại trang Credentials Alice thấy có tài khoản Faber cấp Điều có nghĩa Alice kết nối thành cơng với đại học Faber Kết thể hình 3.10 Bước 3: Alice nhận thông tin chứng tốt nghiệp từ Faber Ta vào trang Issuing Faber từ địa https://localhost:3002 Ở phần Relationship, chắn địa DID Alice mẫu chứng 46 Blockchain ứng dụng định danh số Hình 3.6: Mẫu đăng ký chứng 47 Blockchain ứng dụng định danh số Hình 3.7: Giao diện quản lý đại học Faber Hình 3.8: Faber gửi yêu cầu kết nối đến Alice 48 Blockchain ứng dụng định danh số Hình 3.9: Thư yêu cầu kết nối với Alice gửi từ Faber Hình 3.10: Alice kết nối thành công với Faber 49 Blockchain ứng dụng định danh số mẫu vừa tạo bước Chọn nút "Submit Query" để Faber chứng học thuật cho Alice Q trình biểu diễn hình 3.11 Hình 3.11: Faber cấp chứng học thuật cho Alice Để kiểm tra xem Alice nhận chứng học thuật chưa, ta vào trang Credential Alice từ địa https://localhost:3000 Ở đây, ta nhìn thấy thơng tin chứng hình 3.12 Bước 4: Alice gửi yêu cầu ứng tuyển đến tập đoàn ACME Từ địa https://localhost:3000 Alice, ta chọn yêu cầu kết nối đến tập đoàn ACME Hành động tương tự hành động hình 3.8 Faber muốn kết nối với Alice Hoạt động kết nối từ phía Alice thể hình 3.13 Để tập đồn ACME kết nối với với Alice, ta vào trang Messages từ địa https://localhost:3003 ACME chọn nút "Accept" hình 3.14 Ở bước này, ta coi Alice gửi thành công yêu cầu ứng tuyển đến làm việc tập đoàn ACME Tập đoàn ACME biết Alice học đại học Faber Giờ đây, ACME cần biết thông tin học thuật Faber Ta cần vào trang Proof-Request từ địa https://localhost:3001 Faber để xem mẫu yêu cầu xem chứng học thuật hình 3.15 Mẫu yêu cầu xem chứng hiển thị bên phải hình 3.15 50 Blockchain ứng dụng định danh số Hình 3.12: Alice kiểm tra hịm thư xác nhận từ Faber Hình 3.13: Alice gửi yêu cầu kết nối đến ACME 51 Blockchain ứng dụng định danh số Hình 3.14: Hình 3.15: Tập đồn ACME chấp nhận u cầu kết nối từ Alice Tập đoàn ACME chép mẫu yêu cầu xem chứng từ đại học Faber 52 Blockchain ứng dụng định danh số Tiếp theo, tập đoàn ACME tiến hành kiểm tra chứng học thuật Alice Ta truy cập vào trang Proof-Request từ địa https://localhost:3001 ACME Ở bên trái hình, chắn địa DID thuộc Alice Endpoint DID Tiếp theo đó, ta chọn chứng Other dán mẫu yêu cầu xem chứng sang bên phải hình Cuối cùng, ta chọn nút "Submit Query" bên trái hình Quá trình thể hình 3.16 Hình 3.16: ACME gửi yêu cầu xem chứng Alice Hãy ghi nhớ Alice tác nhân quản lý thông tin cá nhân họ, kể Faber không quyền giữ thông tin Vì thế, tập đồn ACME phải chờ Alice chấp thuận xem chứng học thuật Ta chấp thuận yêu cầu từ tập đoàn ACME vào trang Message Alice để mở thư chọn "Accept" hình 3.17 53 Blockchain ứng dụng định danh số Hình 3.17: Alice cho phép tập đoàn ACME xem chứng Ở bước cuối này, tập đồn ACME nơi Alice xin ứng tuyển cơng việc xem chứng học thuật Alice Ta vào trang Relationships từ địa https://localhost:3003 ACME để xem thơng tin hình 3.18 54 Blockchain ứng dụng định danh số Hình 3.18: ACME xem chứng học thuật Alice 55 Blockchain ứng dụng định danh số 3.4 Kết Qua kịch thử nghiệm, ta thấy khả tương tác ba loại thực thể tham gia hệ thống môi trường Internet: Alice (người dùng), Faber (bên cung cấp chứng ) ACME (bên sử dụng chứng để cung cấp dịch vụ) Ở thời điểm bắt đầu, thực thể riêng rẽ chưa có liên kết tương tác Qua trình tương tác lẫn nhau, thao tác thực mô q trình thực tế tương tác mơi trường Internet (tạo tài khoản, cung cấp thông tin định danh, sử dụng dịch vụ cung cấp) Các thông tin trao đổi qua thư ln dùng khóa gọi DID, nhằm đảm bảo tính bảo mật Các thông tin trao đổi hạn chế tối đa thông tin cần thiết Kết cuối cùng, thực thể có nhận thơng tin cần thiết để phục vụ nhiệm vụ Quá trình xác thực, lưu trữ thông tin thực nhờ Node chạy ẩn blockchain Indy 56 KẾT LUẬN Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu tìm hiểu hệ thống định danh tự chủ blockchain Hệ thống định danh tự chủ cho phép cải thiện đáng kể hạn chế tồn hệ thống định danh truyền thống: tính bảo mật, khả cho phép người dùng tự quản lý thông tin mình, tính tồn vẹn liệu cho phép thực thể tham gia hệ thống chia sẻ thơng tin vừa nhanh chóng vừa đáng tin cậy Về nội dung, chương 1, tác giả trình bày nội dung Blockchain Hệ thống định danh Blockchain xây dựng dựa ý tưởng xác thực hoạt động trao đổi thông tin tảng công nghệ gồm Bảo mật, Lý thuyết trò chơi Cấu trúc liệu Khoa học máy tính Bên cạnh đó, tác giả trình bày kiến trúc chung hệ thống định danh số phiên Định danh số dùng thực tế Tiếp nối đến chương 2, tác giả tập trung vào Hệ thống định danh tự chủ Hệ thống định danh tự chủ có ưu điểm vượt trội giúp cải thiện hạn chế tồn Hệ thống định danh truyền thống Ở chương hai, tác giả tập trung trình bày cách sử dụng Blockchain giúp hỗ trợ hệ định danh tự chủ Ở chương cuối cùng, tác giả sâu vào hệ thống Hyperledger Indy - hệ thống định danh tự chủ dựa tảng Blockchain phát triển Hyperledger Hyperledger-Indy cung cấp cho người dùng tham gia hệ thống kể dạng node hay ứng dụng, giúp tổ chức ứng dụng để xây dựng hệ thống cho để kết nối tốt mơi trường Internet 57 Tài liệu tham khảo [1] Bikramaditya Singhal, Gautam Dhameja, Priyansu Sekhar Panda (2018), Beginning Blockchain, NXB Apress, Mỹ, pp 4-15, pp 32-122 [2] OASIS, Profiles for the OASIS Security Assertion Markup Language (SAML) V2.0 (2005), OASIS Standard [3] Fiona Carmichael (2008), Nhập mơn Lý thuyết trị chơi, NXB Hồng Đức, Hà Nội, pp 4-10 [4] Paul A Grassi, Digital Identity Guidelines (2017), NIST Special Publication 800-63-3, pp 9-18 [5] Allende López, Marcos, Self-Sovereign Identity: The Future of Identity: SelfSovereignity, Digital Wallets, and Blockchain (2020), LACChain Global Alliance digital identity working group, pp 25-36 [6] Gilani, Komal, Bertin, Emmanuel, Hatin, Julien, Crespi, Noel (2020) A Survey on Blockchain-based Identity Management and Decentralized Privacy for Personal Data 97-101 10.1109/BRAINS49436.2020.9223312, pp 2-5 [7] Zwitter AJ, Gstrein OJ and Yap E (2020) Digital Identity and the Blockchain: Universal Identity Management and the Concept of the “SelfSovereign” Individual Front Blockchain 3:26 doi: 10.3389/fbloc.2020.00026, pp 14-18 [8] R.Dhamija and Dusseault (2008), "The Seven Flaws of Identity Management: Usability and Security Challenges", IEEE Secur Priv., vol 6, no 2, pp 24-29 [9] A.Abraham (2017), Self-Sovereign Identity management, Styria: EGovernment Innovationszentrum; Graz University of Technology, pp 6-14 58 Blockchain ứng dụng định danh số [10] S.El Haddouti, M Kettani (2019), "Analysis of Identity Management System Using Blockchain Technology", 1-7.10.1109/COMMNET, pp 1-3 [11] G Zyskind, O Nathan, A.Pentland (2015), "Decentralizing Privacy: Using Blockchain to Protect Personal Data", 2015 IEEE Security and Privacy Workshops, Sand Jone, CA, pp 180-184 [12] Muhle, A Gruner, T Gayvoronskaya, C Meinel (2018), "A survey on ensential components of self-soverign identity", Computer Science Review, vol 30, pp 80-86 [13] F Paci, E.Bertino, A Squicciarini, J Woo (2009), "An Overview of VeryIDX - A Privacy-Preserving Digital Identity Management System for Mobile Devices", Journal of Software, 4(7), pp 1-11 [14] Stokkink, of a Quinten and Blockchain-Based Pouwelse, J.A Self-Sovereign (2018), Identity", "Deployment 1336-1342, 10.1109/Cybermatics_2018.2018.00230, pp 2-4 [15] LifeID project (2018), "An open-source, blockchain-based platform for selfsovereign identity", LifeID, Tech Rep., Mar 2018, pp 11-14 [16] M.Ali, J.C.Nelson, R.Sea, M.J.Freedman (2015), "Blockstack: Design and Implementation of a Global Naming System with Blockchains", pp 184-185 [17] P Dunphy, F Peticolas (2018), "A First Look at Identity Management Schemes on the Blockchain", IEEE Security & Privacy, vol 16, no 4, pp 20-29 [18] Finck, M (2018), Blockchains and Data Protection in the European Union European Data Protection Law, pp 17-35 [19] Hyperledger Foundation, Hyperledger Architecture, Volume 1: Introduction to Hyperledger Business Blockchain Design Philosophy and Consensus (2017), pp 23-24 [20] Hyperledger Foundation, Hyperledger Architecture, Volume 2: Smart Contracts (2018), pp 9-10 59 Chỉ mục AAL, 20, 21 Hệ thống tập trung, Blockchain, 3, 4, 7–10, 12, 13, 15 IAL, 21, 22 Bài toán tướng quân Byzantine, Lý thuyết trị chơi, 7–11 11 Mã hóa cơng khai, CSP, 16–18, 22 Các tướng quân Byzantine, 11 Người dùng hợp lệ, 17, 18 Cân Nash, 10 Người đăng ký, 16, 17 Cây Merkle, 13, 14 Người đăng nhập, 17 RP, 18, 22 Danh tính số, 15, 16 Xác thực số, 15 Hàm băm, 9, 10, 12, 13 Hệ thống phi tập trung, 6, Định danh số, 17 60 ... Kết đạt Trong luận văn "Blockchain ứng dụng định danh số" , tác giả trình bày sở kiến thức blockchain, hệ thống định số truyền thống, hệ thống định danh tự chủ từ mơ xây dựng hệ thống định danh tự... chứng cho Bên xác thực để sử dụng dịch vụ Chú ý: thông tin dạng mã hóa Chẳng hạn: Mã QR 29 Blockchain ứng dụng định danh số Hình 2.3: Tương quan Issuer User 30 Blockchain ứng dụng định danh số. .. chung sử dụng tiêu chuẩn bảo mật để đánh giá hệ thống định danh số tốt • Chương 2: Mơ hình định danh số tự chủ Xa mơ hình định danh số thơng thường, chương tác giả trình bày mơ hình định danh số tự