Cơ chế hoạt động bên trong của các trình xác thực phân tán

Phân mảnh khóa xác thực và tạo khóa phân tán (DKG)

DKG
Trong mô hình trình xác thực Ethereum truyền thống, một khóa riêng duy nhất được sử dụng để ký các thông điệp, xác thực các khối và đề xuất khối mới. Khóa này thường được lưu trữ trên một thiết bị đơn lẻ. Nếu thiết bị này gặp sự cố hoặc bị xâm nhập, trình xác thực sẽ đối mặt nguy cơ ngưng hoạt động hoặc bị phạt slashing. DVT giải quyết vấn đề này bằng cách loại bỏ ý niệm duy nhất một thiết bị nắm giữ toàn bộ khóa. Thay vào đó, khóa được tạo ra phân tán ngay từ đầu thông qua quá trình gọi là Tạo khóa phân tán (Distributed Key Generation - DKG).

Trong quá trình DKG, nhiều bên tham gia phối hợp tạo ra khóa riêng mà không bên nào nhìn thấy toàn bộ bí mật. Mỗi thành viên sẽ nhận một phần chia khóa riêng của trình xác thực. Quá trình này sử dụng các thuật toán mật mã tiên tiến để đảm bảo khóa công khai cuối cùng khớp với khóa công khai BLS (Boneh–Lynn–Shacham) được sử dụng bởi lớp đồng thuận Ethereum. Các phần khóa được liên kết lẫn nhau theo toán học, về sau có thể hợp tác tạo ra các chữ ký hợp lệ đại diện cho trình xác thực.

Việc phân mảnh khóa thông qua DKG là nền tảng bảo mật chính của DVT. Do không bên nào kiểm soát toàn bộ khóa, hệ thống trình xác thực trở nên chống chịu xâm phạm một cách tự nhiên. Dù một node bị tấn công hoặc bị mất kết nối, nhóm vẫn vận hành liên tục miễn là đáp ứng đủ ngưỡng phần khóa cần thiết để ký.

Chữ ký ngưỡng BLS và tính toán đa bên (MPC)

Sau khi các phần khóa đã được phân phối, cụm trình xác thực thực hiện nhiệm vụ ký, đề xuất khối và xác thực, nhưng không bao giờ phục hồi lại khóa riêng hoàn chỉnh. Đây là lúc các chữ ký ngưỡng BLS và tính toán đa bên đảm nhận vai trò then chốt.

Thuật toán chữ ký BLS, được Ethereum sử dụng ở lớp đồng thuận, hỗ trợ ký theo ngưỡng. Trong DVT, số thành viên cần phối hợp để sinh ra chữ ký được xác định trước. Chẳng hạn, ở cụm năm node, chỉ cần ba node bất kỳ hợp tác là có thể tạo chữ ký hợp lệ. Ngưỡng này được thiết lập khi sinh khóa và quyết định mức độ chịu lỗi của trình xác thực.

Toàn bộ quy trình ký được xử lý bằng tính toán đa bên an toàn (MPC). Mỗi thành viên dùng phần khóa của mình để ký thông điệp. Những chữ ký thành phần này sau đó được tổng hợp thành chữ ký BLS đầy đủ, có thể gửi lên chuỗi beacon của Ethereum. Trong suốt quá trình, khóa riêng hoàn chỉnh không bao giờ được phục dựng hay để lộ.

MPC đảm bảo trình xác thực vận hành an toàn, kể cả khi có các thành viên không tin cậy hoặc không ổn định. Cơ chế này giúp các node độc lập có thể vận hành như một trình xác thực thống nhất dưới góc nhìn mạng lưới, nhờ vào các bảo chứng mật mã. Tính trừu tượng này đảm bảo DVT tương thích hoàn toàn với Ethereum mà không phải thay đổi bất cứ quy tắc hay giao thức nào.

Điều phối dựa trên gossip và khả năng tương thích với client

Một cụm DVT bao gồm nhiều node vận hành như một client trình xác thực phân tán. Các node này liên tục trao đổi nhằm đồng bộ trạng thái, phối hợp nhiệm vụ và chia sẻ thông tin như đề xuất khối, xác thực và chữ ký thành phần. Để thực hiện điều này, phần lớn các hệ thống DVT sử dụng tầng giao tiếp ngang hàng dựa trên nguyên lý truyền gossip.

Trong mạng gossip, các node truyền thông điệp tới một nhóm node lân cận, rồi các node này tiếp tục phân phối thông tin. Mô hình phân tán này giúp giảm nghẽn thông tin và tránh tình trạng một node trở thành điểm nghẽn trong kết nối. Giao thức gossip có khả năng chịu lỗi và phân mảnh mạng rất tốt, đặc biệt phù hợp cho điều phối trình xác thực phân tán.

Client trình xác thực phân tán — chẳng hạn Charon của Obol hoặc phần mềm node của SSV.Network — tích hợp logic phối hợp ký, phục hồi lỗi và theo dõi mức độ tham gia. Các client này thiết kế tương thích với các bộ phần mềm trình xác thực Ethereum chính như Prysm, Lighthouse, Teku và Nimbus. Nhờ vậy, mỗi node trong cụm DVT có thể sử dụng client đồng thuận Ethereum tiêu chuẩn và song song thực thi logic DVT.

Yếu tố quyết định việc áp dụng là khả năng tương thích client. Nhà vận hành không cần thay đổi hạ tầng để triển khai DVT mà vẫn dùng phần mềm quen thuộc, đồng thời nâng cao khả năng chịu lỗi và chia sẻ trách nhiệm. Kiến trúc plug-and-play này giúp DVT dễ dàng tích hợp vào các hoạt động staking hiện tại mà không làm tăng độ phức tạp vận hành.

Độ trễ, quy mô quorum và giả định phần lớn trung thực

DVT giúp tăng cường phân quyền và khả năng chịu lỗi, nhưng cũng phát sinh các đánh đổi nhất định. Một trong số đó là độ trễ. Ở trình xác thực truyền thống, ký được thực hiện tức thì trên máy địa phương. Còn trong DVT, quá trình ký phải phối hợp qua nhiều node, mỗi node phải gửi chữ ký thành phần trước khi có kết quả cuối cùng. Quá trình này tạo thêm chi phí giao tiếp và có thể phát sinh trễ khi mạng bị tắc hoặc có thành viên phản hồi chậm.

Để giảm thiểu, hệ thống DVT xác lập một quorum — số lượng node tối thiểu cần để sinh chữ ký. Quy mô quorum cân bằng giữa an toàn và tính sống (liveness): quorum nhỏ giúp tăng tốc và linh hoạt với node chậm nhưng giảm khả năng chịu lỗi; quorum lớn giúp tăng khả năng chịu lỗi nhưng khiến quá trình ký chậm và dễ trễ hơn.

Ví dụ, trong cụm DVT 5 trên 7, chỉ cần năm node trực tuyến, phản hồi là đủ tạo chữ ký. Thiết lập này chịu được tối đa hai node ngắt kết nối hoặc không phản hồi. Nếu ba node trở lên gặp sự cố, trình xác thực không thể ký và có nguy cơ bị phạt downtime. Nhóm cần cân nhắc kỹ các thông số này tùy theo khẩu vị rủi ro và vị trí node phân bổ địa lý.

Nền tảng của mọi hoạt động DVT là giả định phần lớn node trung thực. Giao thức giả định đủ số node tuân thủ quy tắc, hành động vì lợi ích mạng lưới. Nếu quá nhiều node bị chiếm quyền kiểm soát hoặc câu kết làm trái, họ có thể tạo chữ ký sai hoặc cố ý ngăn trình xác thực tham gia. Dù ít gặp ở cụm vận hành chuẩn, rủi ro này vẫn cần lường trước trong xây dựng mô hình đe dọa và kế hoạch hoạt động.

Trên thực tế, cụm DVT thường do các nhà vận hành độc lập hoặc các tập thể staking có lợi ích chung thành lập, từ đó giảm khả năng thông đồng và gia tăng an toàn hệ thống. Khi công nghệ tiến bộ, các cơ chế điều phối, mô hình tin cậy và hệ thống danh tiếng mới sẽ tiếp tục xuất hiện, góp phần củng cố bảo đảm cho xác thực phân tán.