Các thuật toán đồng thuận trong Blockchain

Các mạng lưới tiền mã hóa khác nhau ở cách tổ chức hoạt động. Vì có tính phi tập trung, cần phải triển khai một sổ cái phân tán. Điều này là cần thiết để đối soát các giao dịch trong khi tránh phát sinh thêm chi phí.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào các thuật toán blockchain phổ biến để tìm hiểu chức năng của chúng và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và bảo mật.

Thuật toán đồng thuận blockchain là gì?

Cơ chế đồng thuận là một quy trình mà qua đó tất cả các peer trong một mạng đạt được sự đồng ý chung về trạng thái hiện tại của sổ cái phân tán. Vì vậy, các thuật toán đồng thuận đảm bảo độ tin cậy trong mạng blockchain và thiết lập các mối quan hệ đáng tin cậy giữa những đối tác không quen biết trong môi trường điện toán phân tán. Một giao thức thương lượng bảo đảm rằng mỗi khối mới được thêm vào chuỗi khối là phiên bản chân lý duy nhất được tất cả các node trong chuỗi đó thống nhất. Các mô hình đồng thuận của blockchain bao gồm một số mục tiêu cụ thể, như đạt được thỏa thuận, hợp tác, bình đẳng giữa các node, và sự tham gia bắt buộc của mỗi node trong quá trình thương lượng. Vì vậy, thuật toán đồng thuận nhằm tìm ra một sự đồng thuận chung mang lại lợi ích cho toàn bộ mạng. Hơn nữa, thuật toán này thực hiện:

• tần suất tạo khối;
• tránh rủi ro bị ghi nợ thêm tiền;
• kiểm tra dữ liệu trong khối.

Nói đơn giản, thuật toán đồng thuận giúp tránh lỗi trong các mạng phi tập trung. Hơn nữa, nhiệm vụ của cơ chế này là triển khai các điều kiện cùng có lợi cho tất cả người tham gia.

Các thuật toán đồng thuận: các loại

Các đồng tiền số được phát triển trên nhiều blockchain khác nhau. Các thuật toán đồng thuận cũng khác nhau trên những blockchain đó.

Hơn 90% thị trường tiền mã hóa dựa trên ba thuật toán hòa hợp chính:

Proof of Work (PoW)

Proof of Stake (PoS)

Delegated Proof of Stake (DPoS)

Tuy nhiên, chúng ta sẽ không chỉ xem xét các cơ chế nền tảng mà còn cả một số cơ chế khác, dù chưa được nhiều dự án áp dụng, nhưng lại rất đáng để khám phá và có thể đóng vai trò lớn trong tương lai của chúng ta.

1. Proof of Work (PoW)

Thuật toán đồng thuận này được dùng để chọn miner sẽ tạo ra khối tiếp theo trong chuỗi. Bitcoin, Litecoin, và nhiều “mastodon” khác của ngành blockchain sử dụng PoW trong hoạt động của họ. Ý tưởng chính của thuật toán này là giải một bài toán toán học ngẫu nhiên phức tạp do blockchain tạo ra và phát tán lời giải. Một đặc điểm của thuật toán này là độ khó khi giải bài toán, nhưng có thể dễ dàng kiểm tra lại. Bài toán mật mã này đòi hỏi rất nhiều sức mạnh tính toán, và do đó node nào giải được trước phần còn lại sẽ được tạo khối tiếp theo. PoW nhằm đảm bảo rằng một cuộc tấn công vào mạng sẽ cực kỳ tốn kém và đòi hỏi chi phí năng lượng cao, vì các miner tiêu thụ năng lượng để cung cấp dịch vụ đo lường và bảo mật mạng. Những nhược điểm của cơ chế này được xem là khả năng mở rộng hạn chế và thông lượng thấp.

2. Proof of Stake (PoS)

Có lẽ đây là lựa chọn thay thế phổ biến nhất cho PoW: ngay cả Ethereum gần đây cũng đã chuyển từ cơ chế đồng thuận PoW sang PoS. Trong loại thuật toán đồng thuận này, thay vì đầu tư vào thiết bị đắt tiền để giải một bài toán phức tạp, các “validator” đầu tư vào coin của mạng, khóa một phần coin của họ làm tiền đặt cược (staking). Sau đó, tất cả các validator bắt đầu kiểm tra các khối, đặt cược vào khối mà họ tin rằng có thể được thêm vào chuỗi. Dựa trên các khối thực tế được thêm vào blockchain, tất cả validator nhận phần thưởng tỷ lệ với tỷ lệ của họ, và tỷ lệ của họ cũng tăng tương ứng. Cuối cùng, để tạo một khối mới, validator được chọn dựa trên phần sở hữu kinh tế của họ trong mạng. Vì vậy, thuật toán PoS khuyến khích các validator thông qua cơ chế khuyến khích để đạt được đồng thuận. Ưu điểm của cơ chế này được xem là khả năng mở rộng tốt hơn ở mức cơ bản và tiềm năng tiết kiệm năng lượng so với PoW. Nhược điểm bao gồm rủi ro tập trung hóa, từ đó dẫn đến giảm mức độ bảo mật. Ethereum, Peercoin, Lisk, PIVX, và các blockchain khác hoạt động trên PoS.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

Cơ chế DPoS là sự phát triển từ PoS, nhưng là một loại thuật toán đồng thuận khác dựa trên hệ thống bỏ phiếu. Thay vì chọn ngẫu nhiên từng node riêng lẻ để thực hiện kiểm tra, cộng đồng người nắm giữ token sử dụng phần sở hữu (tiền cược) của mình để bỏ phiếu cho một số lượng node đáng tin cậy đã được chọn, thường được gọi là các đại biểu. Họ chịu trách nhiệm kiểm tra giao dịch và duy trì mạng, đồng thời được thưởng bằng một phần phí giao dịch. DPoS có thể được so sánh với nền dân chủ đại diện - người tham gia bỏ phiếu cho một đại diện đáng tin cậy để bảo vệ mạng thay mặt họ. Cử tri có thể thay thế các đại biểu nếu họ hành động trái với lợi ích của đa số các bên liên quan. Thuật toán DPoS được Dan Larimer phát minh và được sử dụng trong các dự án mà nó ra đời, như BitShares, Steem, và EOS, nhưng cũng được ưa chuộng trong các mạng khác, như Tezos, và Ark. Ưu điểm của DPoS là khả năng mở rộng cao và mức phân bổ lạm phát rộng hơn (phân phối đồng đều hơn các token mới phát hành giữa các validator), còn nhược điểm là bảo mật chưa đủ và xu hướng tập trung hóa ngày càng rõ trong mạng.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET là một trong những thuật toán đồng thuận công bằng nhất, chọn khối tiếp theo chỉ bằng các phương thức trung thực. Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều blockchain riêng tư và doanh nghiệp, đặc biệt là Hyperledger. Trong thuật toán này, mỗi validator trong mạng đều có cơ hội thực sự để tạo khối của mình. Tất cả các node làm điều này bằng cách chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên và thêm xác nhận về thời gian chờ của họ vào khối. Các khối được tạo ra sẽ được chuyển đến mạng để các thành viên còn lại xem xét. Người chiến thắng là validator có giá trị bộ đếm thời gian nhỏ nhất trong phần bằng chứng. Khối của node validator chiến thắng được thêm vào blockchain. Có các kiểm tra bổ sung trong thuật toán để ngăn một node cụ thể luôn thắng cuộc bầu chọn bằng cách tạo ra giá trị bộ đếm thời gian thấp nhất. Về ưu điểm: có thể kể đến hiệu suất cao và mức tiêu thụ tài nguyên thấp; về nhược điểm: mức độ bảo mật thấp và phụ thuộc vào bên thứ ba phát triển bộ hướng dẫn cho bộ xử lý.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA là một thuật toán đồng thuận dựa trên uy tín, sử dụng giá trị của danh tính và danh tiếng của các validator khối. Vào tháng 3 năm 2017, nhóm phát triển Ethereum do Gavin Wood dẫn đầu đã đề xuất PoA như một giải pháp cho các cuộc tấn công spam trên mạng thử nghiệm Ropstein của Ethereum. PoA trông giống PoS, ngoại trừ việc validator thay vì coin thì đem danh tiếng của mình ra thế chấp. Các node/validator đáng tin cậy được chọn bởi những người lãnh đạo mạng, khiến PoA chỉ hữu ích cho các blockchain riêng tư. Được sử dụng trong VeChain Thor, Microsoft Azure, và những hệ thống khác. Ưu điểm: tốc độ giao dịch cao, khả năng mở rộng, và chi phí duy trì mạng thấp. Nhược điểm: từ bỏ tính phi tập trung, và hành vi độc hại có thể xảy ra từ các thành viên mạng, điều gần như không thể ngăn chặn.

6. Proof of Capacity (PoC)

Trong cơ chế đồng thuận Proof of Capacity, các validator đầu tư dung lượng ổ cứng của họ thay vì đầu tư vào thiết bị đắt tiền hoặc đốt coin. Càng có nhiều phương tiện để kiểm tra dung lượng trên ổ cứng, họ càng có nhiều cơ hội tham gia đào khối tiếp theo và nhận phần thưởng cho khối đó. Việc sử dụng lưu trữ thay vì tính toán với ASICS giúp các blockchain trên PoC tiết kiệm năng lượng hơn nhiều. PoC có các dự án như Filecoin, Storj, và Burstcoin. Ưu điểm rõ ràng của cách tiếp cận này là hiệu quả năng lượng, còn nhược điểm nằm ở mức độ bảo mật chưa đủ do bị phơi nhiễm trước các cuộc tấn công.

Ngoài ra còn có các thuật toán đồng thuận khác, chẳng hạn như:

• Proof of Activity;
• Proof of Space and Time;
• Proof of Weight;
• Proof of Storage;
• Proof of Importance;
• Proof of Participation;
• Proof of History;
• Leased Proof of Stake;
• Proof of Burn;
• Practical Byzantine Fault Tolerance.

Nhưng việc sử dụng chúng hiện tại có thể được xem nhiều hơn là các trường hợp riêng lẻ và những đổi mới, và đây có thể là chủ đề cho một bài viết riêng.

Tóm tắt

Mỗi thuật toán được trình bày đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng, cũng như những ứng dụng có thể có. Xét theo khía cạnh này, có thể cho rằng chúng không cạnh tranh với nhau. Điều quan trọng là lựa chọn một cách hợp lý theo yêu cầu của mạng lưới kinh doanh. 

Việc triển khai PoW là an toàn và phi tập trung. PoW là một cơ chế đồng thuận tuyệt vời cho tiền mã hóa. Tuy nhiên, nó hoàn toàn không phù hợp cho mạng xã hội và các trò chơi blockchain. 

Trong ngành blockchain còn non trẻ, điều quan trọng là tiếp tục nghiên cứu để khám phá các kiến trúc blockchain mới. Các cơ chế đồng thuận mới sẽ mở ra những lựa chọn mới cho việc sử dụng công nghệ blockchain và tiền mã hóa nói riêng.