Các Loại Thuật Toán Đồng Thuận Khác Nhau

Một thuật toán đồng thuận là một quy trình được sử dụng trong khoa học máy tính, trong đó các thành viên của một mạng lưới phân tán đồng ý về trạng thái của mạng hoặc trạng thái của một giá trị dữ liệu duy nhất và thiết lập lòng tin giữa các đồng nghiệp không quen biết trong mạng lưới.

Các thuật toán đồng thuận được thiết kế để các thành viên của một chuỗi khối thống nhất để xác thực một giao dịch trên mạng, thay đổi các thông số mạng, quyết định nút nào đáng tin cậy để xử lý các khối mới và các chức năng quan trọng khác.

Đừng để tính kỹ thuật của bài viết này làm bạn bối rối—việc tìm kiếm “sự đồng thuận” quanh ta ở khắp mọi nơi—đó là một khái niệm rất con người, nhưng chỉ được áp dụng cho những thứ có thể tự động hóa.

Để bắt đầu, trong các hệ thống tập trung, các nhiệm vụ đồng thuận được thực hiện bởi một cơ quan trung ương.

Trong các hệ thống phi tập trung như Bitcoin, chúng ta có một mạng lưới bao gồm hàng trăm, hàng nghìn và thậm chí hàng trăm nghìn thợ mỏ hoặc nút tham gia để thực hiện một hoặc nhiều nhiệm vụ và cung cấp một hệ sinh thái đáng tin cậy và hiệu quả.

Suy nghĩ về sự đồng thuận phi tập trung với ví dụ này, giả sử bạn đang ở trong một nhóm bốn người bạn, và một trong những thành viên, Alex, giới thiệu một người thứ năm, Bob. Khi Bob rời đi, rất có thể, nhóm sẽ bắt đầu nói về Bob (đây là giao thức) để xem họ có thích anh ta không (kết quả sẽ là “sự đồng thuận”)

José: “Bob có vẻ là một người tuyệt.”

Kevin: “Ừ, người tuyệt. Cậu gặp anh ta như thế nào?”

Alex: “Anh ấy học trong một trong những lớp tài chính của tôi hồi đại học; chúng tôi đã chia sẻ mẹo giao dịch crypto, và anh ấy cuối cùng trở thành một người khá hài hước.”

Kevin: “Tuyệt, nhưng meme của anh ấy thì thật sự kỳ quái.”

John: “Cậu chỉ không hiểu văn hóa meme.”

José: “Ừ, cậu không dành nhiều thời gian lướt TikTok—tôi nghĩ chúng khá vui.”

Trong ví dụ này, một “sự đồng thuận” đã được đạt được về việc Bob có hòa nhập tốt vào nhóm bạn hay không. Thường có một sự đồng thuận cần thiết về ý kiến ngay cả khi không có các cam kết hoặc hợp đồng cụ thể nào được thực hiện. Một thành viên, Kevin, do dự về việc cho Bob vào nhóm, nhưng José, Alex, và John thì đều đồng ý với Bob.

Trong trường hợp này, nếu chúng ta mã hóa ví dụ trên thành một thuật toán đồng thuận: Thì sẽ là 3 “anh ấy tuyệt” và 1 “anh ấy tuyệt nhưng tôi không chắc về XYZ” vẫn dẫn đến “anh ấy tuyệt.” Đa số chiến thắng, vì vậy Bob sẽ được tham gia với những người bạn tuyệt vời mặc dù ý kiến của Kevin.

Bitcoin, ví dụ, được xây dựng để tìm kiếm sự đồng thuận về việc liệu các giao dịch mới có hợp lệ (“tuyệt”) hay không.

Ở đây, chúng ta sẽ xem xét các loại thuật toán đồng thuận blockchain phổ biến nhất — và không phổ biến nhất — trên các mạng công cộng và riêng tư.

Chứng minh công việc là gì?

Chứng minh công việc (PoW) là thuật toán đồng thuận phổ biến nhất và lâu đời nhất được ra mắt cùng với sự ra đời của Bitcoin vào năm 2009 bởi Satoshi Nakamoto. Một hệ thống PoW bao gồm một mạng lưới toàn cầu các thợ mỏ —được gọi là các nút mạng— cạnh tranh để giải các câu đố toán học. Thợ mỏ nào giải quyết thành công câu đố sẽ giành quyền thêm một khối mới vào chuỗi khối và nhận được phần thưởng được trả bằng tiền điện tử mới được tạo ra.

Chứng minh công việc về cơ bản là cách mà thợ mỏ thể hiện chứng cứ rằng họ đã cung cấp sức mạnh tính toán để đạt được sự đồng thuận mạng và xác thực tính chính xác của mỗi khối. Hơn nữa, mỗi khối (giao dịch) được sắp xếp theo thứ tự tuần tự, loại bỏ rủi ro chi tiêu kép.

Cho đến nay, PoW đã là cơ chế đồng thuận an toàn nhất cho các chuỗi khối tiền điện tử. Việc thay đổi mạng lưới sẽ yêu cầu một kẻ tấn công phải khai thác lại tất cả các khối hiện có trong chuỗi. Càng phát triển, chuỗi khối càng khó để độc quyền hóa sức mạnh tính toán của mạng vì nó sẽ yêu cầu tiêu thụ năng lượng khổng lồ và thiết bị đắt tiền.

Khi một thợ mỏ giải một câu đố, anh ta tìm một nonce (viết tắt của số được sử dụng một lần) tạo ra một băm với giá trị thấp hơn hoặc bằng giá trị được đặt bởi độ khó của mạng.

Nonce là một phần trung tâm trong các hệ thống PoW vì nó sẽ cho phép thợ mỏ tạo ra một tiêu đề khối được băm bằng hàm băm SHA-256, điều này có nghĩa là đặt một số tham chiếu cho một khối trong một chuỗi. Tiêu đề khối cũng chứa một dấu thời gian và băm của khối trước đó.

Những nhược điểm của PoW

Các thợ mỏ cần cung cấp một sức mạnh tính toán đáng kể để giải các câu đố. Nhưng vì các phép tính rất phức tạp, lượng năng lượng mà một S9 Antminer tiêu thụ thường nằm trong khoảng từ 1400 – 1500 watt mỗi giờ cho một hashrate là 14.5 TH/s. S19, một phiên bản mạnh mẽ hơn, tiêu thụ 3250 watt mỗi giờ với hashrate là 110 TH/s.

Với một số phép toán, chúng ta có thể tính toán lượng năng lượng mà các trung tâm dữ liệu hoặc công ty khai thác tiêu thụ với hàng trăm hoặc hàng nghìn dàn khai thác ở một địa điểm trong một ngày. Tiêu thụ năng lượng cao và thiệt hại môi trường là chỉ trích chính đối với chứng minh công việc.

Để đặt điều này vào bối cảnh, trước khi Ethereum chuyển sang Chứng minh cổ phần, các thợ mỏ Ethereum trên toàn thế giới tiêu thụ khoảng 10 TWh/năm, tương đương với Cộng hòa Séc.

Âm thanh lớn cũng gây hại cho mức độ nghe của con người —trên 80 dBa. Đây là lý do tại sao các dàn khai thác thường được giữ trong tầng hầm hoặc các cơ sở khai thác để tránh làm phiền các hoạt động hàng ngày.

Chứng minh cổ phần là gì?

Chứng minh cổ phần (PoS) là thuật toán đồng thuận phổ biến thứ hai. Thay vì thợ mỏ, các chuỗi khối PoS có các người xác thực mạng sử dụng các đồng tiền/tokens của họ như bằng chứng cho cam kết của họ với mạng thay vì sức mạnh tính toán.

Staking có nghĩa là “khóa” tài sản crypto trong một khoảng thời gian trên một nền tảng chuỗi khối, mà đổi lại, thưởng cho người dùng bằng nhiều tiền điện tử hơn.

PoW vs. PoS: Những khác biệt chính

Trong PoS, người dùng có thể stake một phần tài sản của họ chỉ với mục đích tạo ra thu nhập thụ động. Lựa chọn khác là trở thành người xác thực. Khác với các hệ thống PoW, các người xác thực không cạnh tranh để tạo ra các khối mới vì họ được chọn ngẫu nhiên bởi một thuật toán. Càng nhiều đồng tiền/tokens mà người dùng stake, cơ hội của họ trở thành người xác thực và tạo ra các khối mới trong chuỗi khối càng lớn.

Trong các hệ thống PoW, thời gian tạo ra các khối mới được xác định bởi độ khó khai thác; càng nhiều người tham gia vào mạng, sức mạnh băm càng lớn, tức là, sức mạnh tính toán cần thiết để khai thác các khối mới. Ngược lại, các chuỗi khối PoS có thời gian tạo khối cố định được chia thành các khoảng thời gian —thời gian cần thiết để tạo ra một khối— và các kỷ nguyên, là các đơn vị thời gian bao gồm các khoảng thời gian.

Để giải thích rõ hơn, một khoảng thời gian trong Ethereum gồm 12 giây, đó là khoảng thời gian mà mạng cần để tạo ra một khối, và 32 khoảng thời gian tạo thành một kỷ nguyên. Do đó, một kỷ nguyên là 6.4 phút. Mỗi khoảng thời gian trong một chuỗi khối PoS có một số lượng người xác thực đã được xác định trước, những người bỏ phiếu về tính hợp lệ của khối được đề xuất. Nếu khối hợp lệ, nó sẽ được thêm vào chuỗi, và người đề xuất khối và các người chứng nhận sẽ nhận phần thưởng bằng ETH.

Các chuỗi khối PoS trừng phạt các tác nhân độc hại vì đã tấn công mạng bằng các cuộc tấn công kiểu 51%, được gọi là slashing, trong đó các người xác thực trung thực loại bỏ người xác thực độc hại khỏi mạng và rút tiền của họ. Điều này làm nản lòng các tác nhân độc hại khỏi việc tấn công mạng vì số tiền cần thiết để stake là khá cao. Trong trường hợp của Ethereum, là 32 ETH.

Ưu điểm của PoS:

• Tiêu thụ năng lượng ít hơn so với PoW
• Phù hợp hơn để làm việc với các giải pháp layer-2 hơn PoW
• Có khả năng đạt được thông lượng cao hơn vì sự đồng thuận được thiết lập trước khi các khối được thông qua.
• Rẻ hơn so với các chuỗi khối PoW vì không cần phần cứng đặc biệt để tạo ra các khối mới.

Nhược điểm của PoS

• Các hệ thống PoS vẫn có thể bị tập trung hóa nếu các người xác thực có nhiều token stake có thể ảnh hưởng đến mạng.
• Ít được chứng minh về mặt bảo mật hơn so với các chuỗi khối PoW.

Chứng minh thời gian đã trôi qua là gì?

Chứng minh thời gian đã trôi qua (PoH) là một thuật toán đồng thuận được Solana blockchain giới thiệu và bao gồm việc đặt dấu thời gian cho tất cả các sự kiện trên mạng để chứng minh rằng chúng đã xảy ra vào một thời điểm nhất định. PoH có thể được mô tả như một chiếc đồng hồ mật mã xác nhận các giao dịch theo thứ tự tuần tự.

Solana kết hợp phương pháp PoH của mình với PoS. Do đó, các thành viên trong mạng cần phải stake SOL để trở thành các người xác thực và xử lý các khối mới, và cơ chế PoH xác minh tính hợp lệ của những giao dịch xảy ra trong thời gian thực. Nói cách khác, PoH duy trì tính bảo mật, trong khi PoS mang lại một mạng lưới các người xác thực có thể xác minh các dấu thời gian và xác nhận các giao dịch.

Tuy nhiên, Solana hy sinh tính phi tập trung để cung cấp thông lượng giao dịch nhanh chóng. Chuỗi khối dựa vào một kiến trúc bán tập trung trong đó một nút duy nhất được bầu làm lãnh đạo chịu trách nhiệm thực hiện một nguồn thời gian duy nhất, tức là, đồng hồ PoH, và tất cả các nút khác phải tuân theo các chuỗi thời gian tương ứng. Các lãnh đạo được bầu định kỳ qua các cuộc bầu cử PoS.

Mặc dù Solana là một trong những chuỗi khối nhanh nhất trong ngành, nhưng nó thường xuyên gặp phải thời gian chết. Kể từ khi ra mắt vào năm 2020, mạng đã trải qua khoảng mười lần thời gian chết, năm trong số đó xảy ra vào năm 2022. Nguyên nhân chính của những sự cố này là một “nút được cấu hình sai.”

Chứng minh cổ phần ủy quyền là gì?

Chứng minh cổ phần ủy quyền (DPoS) là một biến thể của khái niệm PoS trong đó cộng đồng đóng vai trò trung tâm.

Trong các chuỗi khối DPoS, các thành viên trong cộng đồng stake tiền điện tử của họ để bỏ phiếu cho các nhân chứng hoặc đại diện tiếp theo cho việc sản xuất khối. Để làm điều này, người dùng phải gom các token của họ vào quỹ staking của chuỗi khối và sau đó liên kết tiền với một người đại diện cụ thể.

DPoS được phát triển bởi cựu CTO của EOS, Dan Larimer, người đã triển khai thuật toán này trên BitShares vào năm 2015. Larimer và các người ủng hộ DPoS khác đã nói rằng DPoS mở rộng phạm vi dân chủ vì chính cộng đồng chọn người xác thực tiếp theo. Ngày nay, các chuỗi khối như TRON và Cardano sử dụng DPoS.

Tuy nhiên, chỉ trích đối với DPoS là phương pháp của nó ưu ái cho những người dùng giàu có. Những người có nhiều token có thể có ảnh hưởng lớn hơn trong mạng. Vitalik Buterin là một trong những người đầu tiên chỉ trích DPoS, tuyên bố trong một bài đăng blog rằng thuật toán đồng thuận này khuyến khích các nhân chứng lập cartel và hối lộ cử tri để có được sự hỗ trợ.

Chứng minh quyền lực là gì?

Chứng minh quyền lực (PoA) là một thuật toán đồng thuận trong đó chỉ các thành viên có quyền mới có thể tương tác với chuỗi khối, thực hiện giao dịch, thực hiện hoặc đề xuất thay đổi các thông số mạng, xem lịch sử giao dịch, v.v.

Thuật ngữ này được đặt ra bởi Gavin Wood, một nhà phát triển chuỗi khối đồng sáng lập Ethereum, Polkadot, và Kusama Network.

Trong một chuỗi khối PoA, mọi thứ đều liên quan đến danh tiếng —các thành viên mạng đang stake danh tính của họ thay vì đồng tiền. Họ cung cấp một mức độ mở rộng và thông lượng cao hơn vì nó chỉ phụ thuộc vào một số lượng hạn chế các người xác thực. Chúng ta có thể nghĩ rằng đây là một mô hình tập trung mạnh mẽ, nhưng các chuỗi khối PoA thường là riêng tư và phù hợp hơn với các doanh nghiệp và tổ chức sử dụng công nghệ chuỗi khối để nâng cao các hệ thống kinh doanh và hoạt động.

Chứng minh thời gian đã trôi qua là gì?

Chứng minh thời gian đã trôi qua (PoET) là một thuật toán đồng thuận khác hoạt động tốt nhất với các chuỗi khối riêng tư.

Thuật toán PoET lần đầu tiên được giới thiệu bởi các nhà phát triển phần mềm Intel và được triển khai vào Hyperledger Sawtooth, nhắm đến các chuỗi khối riêng tư và các tổ chức.

Thuật toán này có thể không được phổ biến như các chuỗi khối khác vì nó không được định nghĩa một cách đầy đủ. Nhưng ý tưởng là trình bày một động cơ kiểu Nakamoto sẵn có cho phép các chuỗi khối riêng tư chọn nhà sản xuất khối tiếp theo. Và chúng khác nhau như thế nào? Vâng, thuật toán tạo ra một “thời gian chờ ngẫu nhiên” cho mỗi nút mạng, và trong thời gian đó nút phải “ngủ.” Nút có thời gian chờ ngắn nhất sẽ thức dậy đầu tiên và giành quyền sản xuất một khối trong chuỗi.

Vì vậy, điểm khác biệt chính là các thợ mỏ trong PoET không chạy 24/7 và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Hơn nữa, trong một mạng PoW, các thợ mỏ cạnh tranh để băm tiêu đề khối tiếp theo, trong khi trong PoET thì đó là một hệ thống lựa chọn ngẫu nhiên hơn.

Câu hỏi thường gặp về các thuật toán đồng thuận:

Ethereum có trở nên nhanh hơn không sau khi chuyển sang PoS?

Một hiểu lầm phổ biến là Ethereum sẽ tự động mở rộng ngay khi nó trở thành một chuỗi khối dựa trên PoS. Tuy nhiên, sự chuyển đổi này được thực hiện để tăng cường Ethereum bằng cách:

• Giảm tiêu thụ năng lượng
• Giảm rào cản gia nhập bằng cách loại bỏ yêu cầu phần cứng
• Cho phép các hình phạt kinh tế cho hành vi sai trái của nút
• Giới thiệu một mô hình mới cho việc phát hành token
• Và một hạ tầng tốt hơn để làm việc với các giải pháp Layer-2 của Ethereum.

Các chuỗi khối không cần quyền và có quyền là gì?

Một chuỗi khối không cần quyền đề cập đến một chuỗi khối công cộng mà bất kỳ ai cũng có thể thực hiện giao dịch, xem lịch sử giao dịch, stake đồng tiền, trở thành người xác thực, v.v. Ngược lại, trong các chuỗi khối có quyền (riêng tư), chỉ những thành viên có quyền mới có thể truy cập mạng để thực hiện giao dịch, tương tác với các nút mạng, theo dõi hoạt động trên chuỗi, v.v.

Liệu PoW có phải là thuật toán đồng thuận an toàn nhất không? PoW có một số nhược điểm, nhưng cho đến nay, nó đã là cách duy nhất được chứng minh và tin cậy nhất để duy trì sự đồng thuận và bảo mật của mạng trong một chuỗi khối.

Những suy nghĩ cuối cùng: giải thích về thuật toán đồng thuận

Chuỗi khối là một công nghệ có khả năng giải quyết nhiều thách thức và điểm đau trong các ngành khác nhau, không chỉ ngân hàng và tài chính. Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế của riêng nó. Do đó, các nhà phát triển đã tạo ra nhiều loại và phiên bản thuật toán đồng thuận khác nhau để giải quyết các vấn đề phổ biến, chẳng hạn như tập trung hóa, thiếu khả năng mở rộng, và thông lượng thấp.

Nhưng để nói về tương lai của các thuật toán chuỗi khối là điều khó khăn do một thách thức: Tam giác Blockchain. Được Vitalik Buterin chỉ ra lần đầu tiên, nó tuyên bố rằng các mạng chuỗi khối không thể cung cấp hai trong ba lợi ích: phi tập trung, bảo mật và khả năng mở rộng. Có một số nền tảng chuỗi khối, như Fantom và Solana, đã triển khai các phiên bản hợp nhất của các thuật toán đồng thuận của riêng họ nhằm cố gắng giải quyết tam giác blockchain, nhưng cho đến nay không có ai thực sự thành công.

Các phương pháp kỹ thuật khác đã được thực hiện để nâng cao các thuộc tính của chuỗi khối, và một trong những phương pháp phổ biến nhất là layer-2, là các chuỗi được kết nối với layer-1, ví dụ, Arbitrum với Ethereum, và sharding, chia toàn bộ chuỗi khối thành nhiều mạng nhỏ hơn. Buterin coi sharding là cách tiếp cận tốt nhất để cung cấp ba thuộc tính của một chuỗi khối hoàn hảo.