BLOCKCHAIN VÀ ĐO LƯỜNG PHÁP ĐỊNH :

CÁC ỨNG DỤNG VÀ KHẢ NĂNG

                                                                                                                                                   Wilson S.Melo Jr.

                                                                      Brazinlian National Institute of Metrology, Quality and Technology

                                                                                                            OIML Boulletin LXII. Number 3. July 2021 

 1 Lời nói đầu 

Khái niệm chuyển đổi số trong đo lường liên quan đến quá trình áp dụng và tích hợp ngày càng tăng một tập hợp lớn các công nghệ mới [1]-[8]. Chúng ta gọi chúng là “Công nghệ 4.0”, trong sự tham chiếu rõ ràng tới cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư và tới các ý tưởng, quá trình, phương pháp và công cụ mới của nó [9]. Thực vậy, Công nghiệp 4.0 là chuyển đổi số của công nghiệp thế kỷ 21 dưới ảnh hưởng của 9 “trụ cột” công nghệ : dữ liệu lớn (big data), điện toán đám mây (cloud computing), tự động hóa robot (robot automation), tích hợp ngang và dọc (horizontal and vertical integration), internet vạn vật (the Internet of Things (IoT)), sản xuất phụ gia (additive manufacturing), thực tế tăng cường (augmented reality), mô phỏng (simulation), và an ninh mạng (cybersecurity). Tuy nhiên, điều đáng chú ý là những công nghệ này cũng đang làm biến đổi các lĩnh vực khác bên cạnh công nghiệp. Điện lưới thông minh (smart grids), giao tiếp xe cộ (vehicular communication) (ví dụ V2V và V2I), y tế điện tử (e-health), và thành phố thông minh (smart cities) là những ví dụ về các hệ thống phức tạp sinh ra từ chuyển đổi số trong sản xuất/phân bố năng lượng, vận chuyển, chăm sóc sức khỏe, và quản lý không gian đô thị [9]. Như vậy chúng ta có thể thấy những công nghệ này đang tạo ra một “xã hội 4.0” đích thực từ khi chuyển đổi số có những áp dụng sâu sắc trong tất cả các hoạt động của con người. Do đó, đo lường pháp định cũng là một mục tiêu của những công nghệ này và sẽ trải qua những thay đổi quan trọng trong nhiều năm sắp tới [7].

Thông tin là nhiên liệu nguyên tố trong chuyển đổi số [7], [9]. Vì vậy, các công nghệ có khả năng quản lý thông tin và tích hợp các công nghệ khác đang nổi lên như là các công cụ hiệu quả và đột phá. Blockchain là một trong những công nghệ này. Trong thập kỷ trước, blockchain đã lôi cuốn sự chú ý của các bên liên quan trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chủ yếu là do thành công về mặt diễn đạt như là một nền tảng của tiền điện tử [10]-[13]. Tuy nhiên, blockchain có thể làm nhiều hơn việc quản lý các ví bitcoin. Thực vậy, người ta có thể mô tả blockchain như là một nhà tích hợp thực sự giữa các công nghệ số khác nhau như điện toán đám mây, dữ liệu lớn, và IoT. Các chủ đề sau đây tóm tắt quan niệm này :                                                                                                                                                                                                                                                + Áp dụng blockchain dựa vào một mạng lưới thiết bị ngang hàng độc lập làm việc hợp tác chặt chẽ, thường là trong môi trường dựa trên điện toán đám mây.

+ Blockchain làm việc như là các hệ thống lưu trữ dữ liệu tin cậy và không thể thay đổi, như vậy chúng cũng có thể hỗ trợ và củng cố các ứng dụng dữ liệu lớn.

+ Blockchain sử dụng các liên hệ thông minh để tự động hóa quy trình làm việc, cho phép tích hợp ngang và dọc giữa các hệ thống khác nhau.

+ Một trong những đặc điểm chính của blockchain là tạo niềm tin giữa các bên không tin tưởng lẫn nhau, tăng cường an ninh mạng.

Khả năng áp dụng blockchain cho các quá trình chuyển đổi số là không tính đếm được [11], [13]. Trong một khảo sát gần đây về các áp dụng dựa trên cơ sở blockchain, Dai et al. [11] trích dẫn các dự án đang tiến hành trong những lĩnh vực khác nhau ví dụ như mua bán năng lượng, quản lý vòng đời xe, và bảo vệ dữ liệu bệnh nhân trong bệnh viện. Ta có thể nhận thấy tất cả những áp dụng này đều đang mở rộng trong “thế giới mạng” (ở đó thông tin chỉ là một giá trị số hóa) và đang tích hợp trong “thế giới hữu hình” (ở đó thông tin liên quan đến những yếu tố cụ thể và các đại lượng vật lý). Phát hiện này giới thiệu một thách thức mới (và nhiều cơ hội) mà chúng ta có thể tổng hợp trong các trình bày dưới đây: 

+ Đo lường pháp định cần blockchain khi mà nhiều quá trình liên quan đến mua bán hàng hóa, sức khỏe con người, an toàn cộng đồng, và môi trường sẽ trở thành những áp dụng dựa trên cơ sở blockchain;

+ Blockchain cần đo lường pháp định hỗ trợ vì nhiều thông tin thế giới-thực đòi hỏi chuyển đổi thành những phép đo các đại lượng vật lý.

Bài báo này đề xuất một khái niệm là có mối liên hệ cộng sinh có ích giữa đo lường pháp định và blockchain. Chúng tôi trình bày bằng chứng hỗ trợ ý tưởng này bằng cách mô tả một số phát hiện nghiên cứu về các áp dụng dựa trên cơ sở blockchain trong phạm vi liên quan đến các hệ thống đo theo quy định. Những ví dụ này chứng minh blockchain có thể nâng cao các hoạt động đo lường pháp định, giảm chi phí và cải thiện hiệu lực của nó. Hơn nữa, blockchain phụ thuộc vào thông tin tin cậy từ thế giới thực, và các hệ thống đo chịu sự kiểm soát luật pháp là những thiết bị được chỉ định nhiều nhất để lấp đầy khoảng trống này. Chúng tôi kết luận blockchain có thể là một công cụ đặc biệt để làm nhanh chuyển đổi số của đo lường pháp định, đưa các hoạt động của nó tới trình độ công nghệ mới.

2 Blockchain trong một tóm tắt ngắn gọn

Ta có thể định nghĩa blockchain như là một cấu trúc dữ liệu chỉ-nối thêm được phân phối (a distributed append-only data structure) (gọi là sổ cái) có thể lưu trữ dữ liệu và phần mềm tự-thực thi gọi là hợp đồng thông minh [10], [11], [13]. Những đặc điểm này tạo cho blckchain không chỉ là một giải pháp lưu trữ mà còn là một nền tảng dịch vụ-định hướng hoàn chỉnh. Hơn nữa, blockchain cung cấp một cơ chế để đạt được sự tin tưởng giữa các bên không tin tưởng lẫn nhau không cần có bên thứ ba được tin tưởng (a third strusted party - TTP). Khía cạnh cuối cùng này dẫn đến hai nguyên nhân chính để chấp nhận blockchain : a) không sẵn có TTP để dùng, hoặc b) chi phí về TTP quá cao [14].

Sự thực hiện blockchain dựa vào mạng lưới người ngang hàng xuất phát từ các tổ chức độc lập đảm bảo độ tin cậy của thông tin. Hình 1 trình bày cơ chế cơ bản của blockchain, bao gồm những khách hàng đang gửi giao dịch tới mạng để thiết lập những giao dịch này vào hộp và tái tạo các hộp này giữa tất cả những người ngang hàng đang tham gia. Quá trình quyết định hộp tiếp theo được gọi là đồng thuận. Mạng cũng đảm bảo thứ tự giao dịch bằng mật mã khớp nối từng hộp tới hộp trước đó, tạo ra “chuỗi các hộp” (“chain of blocks”).

Theo Cachin và Vukolic [10], bốn quy tắc kỹ thuật hoạt động như là nền tảng trong cấu trúc của blockchain là : mật mã, đồng thuận, tái tạo, logic kinh doanh. Mật mã  cần thiết để đảm bảo tính xác thực và toàn vẹn của thông tin đối với từng giao dịch 

Hình 1. Cơ chế cơ bản của blockchain  (1) khách hàng gửi các giao dịch; (2) những người ngang hàng đạt được sự đồng thuận về các hộp mới; (3) mạng lan truyền các hộp mới.

kể từ khi người gửi đánh dấu các yêu cầu của họ, và những người ngang hàng cũng đánh dấu hiệu lực từng hộp. Đồng thuận là vấn đề kinh điển trong khoa học máy tính và nó cần thiết để xác định thứ tự tổng thể của giao dịch và  từng nội dung hộp [12]. Tiếp theo, tái tạo là chìa khóa để lan truyền các hộp và đạt được sự nhất quán dữ liệu trong tất cả những người ngang hàng. Cuối cùng, logic kinh doanh đến từ các hợp đồng thông minh, trong thực tế, chúng là các phần mềm được nhúng vào blockchain. Các hợp đồng thông minh cung cấp một cơ chế linh hoạt để tự động hóa quy trình làm việc, áp dụng kinh doanh kiểu blockchain.                                                        

Ngày nay, có một sự đa dạng về áp dụng blockchain, chúng ta gọi chúng là các nền tảng (platform) [15],[16]. Chấp nhận một nền tảng blockchain thường là một quyết định khôn ngoan do sự phức tạp của việc áp dụng blockchain từ điểm xuất phát. Tuy nhiên, mỗi nền tảng blockchain có đặc điểm riêng và thậm chí là triết lý hoạt động riêng của nó. Có hai loại nền tảng chính theo phân loại thực tế : blockchain cho phép (hoặc blockchain riêng tư) và blockchain không-cho phép (cũng được gọi là blockchain công cộng) [10],[13]. Hai loại này khác nhau ở chỗ blockchain cho phép cần có sự nhận dạng của người ngang hàng tham gia vào sự đồng thuận, còn blockchain không-cho phép thì không cần. Sự khác nhau này cũng ảnh hưởng đến cơ chế đồng thuận trong mạng. Blockchain cho phép có thể chấp nhận các giao thức đồng thuận dựa vào bỏ phiếu, thường nó thực hiện tốt hơn các giao thức đồng thuận dựa vào bằng chứng. Ngược lại, blockchain không-cho phép tạo thành các nền tảng truy cập-tự do được phân quyền cao và là lý tưởng đối với ví tiền điện tử và các áp dụng đào tạo [10], [12].

Các giao thức đồng thuận dựa vào phiếu bầu phụ thuộc vào số đại biểu theo quy định cần thiết cuả nghững người ngang hàng có khả năng quyết định thứ tự các giao dịch và tạo ra bất kỳ hộp mới nào. Hiện nay, các giao thức đồng thuận chịu-lỗi (fault-tolerant consensus protocols) là sự lựa chọn hứa hẹn nhất, đặc biệt là về độ tin cậy và hiệu suất. Người ta phân loại các giao thức này thành chịu lỗi-sự cố (CFT - crash-fault tolerant) và chịu lỗi-phức tạp (BFT – byzantine-fault tolerant). Trong thực tế, chúng ta có thể nói đồng thuận BFT tin cậy hơn CFT vì BFT bao gồm tất cả các đặc điểm của CFT. Tuy nhiên, BFT cũng phức tạp hơn và chịu đựng được các cuộc tấn công thông đồng của không quá một phần ba những người ngang hàng tích hợp số đại biểu tối thiểu cần thiết đồng thuận, trong khi chịu lỗi CFT chịu đựng được không quá một nửa những người ngang hàng thỏa hiệp.

3 Vì sao đo lường pháp định lại  cần các blockchain

Sự tin cậy là một yêu cầu thiết yếu trong đo lường pháp định. Nó cũng là giao điểm chính xác với công nghệ blockchain. Dù đo lường pháp định có các phương pháp hiệu quả để nhận được những phép đo với độ không đảm bảo thấp, nhưng việc sử lý thông tin kỹ thuật số có thể là một vấn đề khi phép đo và thông tin liên quan đến pháp lý là mục tiêu của các cuộc tấn công mạng của những thực thể độc hại [6], [17], [18].

Các nước có mối quan tâm khác nhau đối với vấn đề an ninh mạng của phương tiện đo. Ví dụ, Mỹ có thể quan tâm đến khủng bố mạng chống lại các cơ sở hạ tầng quan trọng phụ thuộc vào cảm biến và độ tin cậy của máy đo. Các nước khác ở châu Âu thường trao đổi các vấn đề về quyền riêng tư mỗi khi máy đo có thể phát hiện thông tin nhạy cảm của người tiêu dùng. Ở nhiều nước đang phát triển, gian lận đo lường là thách thức chính đòi hỏi hành động liên tục của cơ quan được thông báo. Trong tất cả các lĩnh vực này, blockchain có thể làm tăng đáng kể độ tin cậy của phương tiện đo và bảo vệ phần mềm và các đặc trưng liên quan đến luật pháp.

Mặt khác, chuyển đổi số nhanh trong đo lường pháp định [7] làm tăng đòi hỏi đối với các công nghệ đột phá (disruptive technologies) để giảm độ không đảm bảo và tăng cường bảo vệ phương tiện đo [4], [6]. Như đã thảo luận ở trên, blockchain là một trong số các công nghệ đó và rất khó để không đồng ý với xác nhận này. Tuy nhiên có nhiều câu hỏi và nghi ngờ về việc chúng ta cần phải sử dụng blockchain như thế nào để cải tiến hiệu lực của đo lường pháp định.

Áp dụng dựa trên cơ sở-blockchain phổ biến đầu tiên là Bitcoin [15], được đề xuất năm 2008. Vào thập kỷ trước, blockchain phát triển mạnh mẽ phù hợp với tiền điện tử và chỉ vài năm sau, người ta bắt đầu quan tâm đến việc sử dụng blockchain trong các lĩnh vực khác bên cạnh lĩnh vực tài chính. Năm 2017 chúng tôi đã có công trình kỹ thuật đầu tiên đề xuất việc blockchain có thể giúp cải tiến hoạt động đo lường pháp định [19]. Năm 2018, ấn phẩm độc lập của PTB (Viện đo lường quốc gia Đức và INMETRO (Viện đo lường quốc gia Brazil) đã đề xuất các áp dụng và thực nghiệm thực tế đầu tiên dựa trên cơ sở blockchain cho đo lường pháp định [20], [21]. Trong cùng năm, NIST (Viện đo lường quốc gia Mỹ) đã công bố một báo cáo kỹ thuật về blockchain nhưng không đề xuất bất cứ ứng dụng thực tế nào trong lĩnh vực đo lường [13]. Kể từ đó, những ý tưởng khác nhau đã khám phá ra các thuộc tính của blockchain trong những áp dụng liên quan đến việc quản lý máy đo thông minh, đơn giản hóa phê duyệt mẫu, giám sát hiện trường các thiết bị theo quy định [18], [22]-[24]. Trong các phần sau chúng tôi trình bày tóm tắt những công việc này.

                                               ......................(các nội dung tiếp theo xin đọc toàn văn trong file đính kèm)...............................