Proof of Work (PoW) là gì? Giải thích về cơ chế đồng thuận của Bitcoin

Proof of Work (PoW) là một cơ chế đồng thuận trên blockchain nhằm tăng độ chính xác của việc xác thực thông tin mạng lưới thông qua việc thưởng cho các thợ đào khi họ cung cấp công suất tính toán cho toàn bộ hệ thống. Vậy Proof of Work là gì? Hãy cùng Mytour tìm hiểu về cơ chế đồng thuận của Bitcoin trong bài viết dưới đây nhé.

Proof of Work (PoW) là gì?

Proof of Work là một thuật toán được áp dụng trong cơ chế đồng thuận của mạng lưới blockchain. Cơ chế đồng thuận Proof of Work từng là phương pháp phổ biến để xác minh giao dịch và tạo ra các block mới. Các thợ đào (miner) cần phải cạnh tranh để hoàn thành giao dịch trên mạng lưới để nhận thưởng.

Khi người sử dụng tiền điện tử muốn chuyển đổi token cho nhau trên blockchain được xây dựng dựa trên mô hình PoW, hệ thống mạng lưới của blockchain này sẽ sử dụng một sổ sách phân quyền để đưa các giao dịch vào một block cụ thể. Tuy nhiên, quá trình xác nhận giao dịch và sắp xếp block đòi hỏi sự tham gia của con người.

Công việc quan trọng này, được gọi là 'đào' block, thường do các thợ đào (miner) thực hiện. Nguyên lý cốt lõi của quá trình trong cơ chế PoW là giải quyết một 'phương trình toán học phức tạp', với mục tiêu tìm ra cách giải quyết nhanh và hiệu quả nhất.

Thế nào là “phương trình toán học phức tạp”?

'Phương trình toán học phức tạp' là một loại thuật toán đòi hỏi khả năng tính toán mạnh mẽ từ máy tính để giải quyết.

Các vấn đề về đào block trong cơ chế Proof of Work bao gồm:

• Hàm Băm: Đây là quá trình tìm kiếm giá trị băm dựa trên kết quả của hàm.
  
  
• Phân Tích Số Nguyên: Bài toán này liên quan đến việc tìm một số biết nó là tích của hai số khác.
  
  
• Giai Đoạn Giải Đáp Puzzle: Nếu server cảm thấy mình đang bị tấn công DDoS, nó sẽ cần phải tính toán lại giá trị băm của một số node theo thứ tự nhất định. Trong trường hợp này, bài toán sẽ là để 'tìm một chuỗi các giá trị băm'.
  

Câu trả lời cho phương trình toán học PoW được gọi là 'giá trị băm'.

Với sự phát triển của mạng lưới, yêu cầu về sức mạnh tính toán ngày càng cao. Điều này tăng tốc độ cần thiết về khả năng băm (hash power) để giải quyết bài toán và đào block. Do đó, độ phức tạp của thuật toán đào token tăng lên, trở thành một trong những vấn đề nhạy cảm nhất trên blockchain hiện nay.

Cấu trúc của Proof of Work blockchain

Blockchain là các sổ sách phân tán ghi lại tất cả các giao dịch của Bitcoin, tương tự như cách bạn nhập các giao dịch vào một bảng tính. Mỗi block tương tự như một ô trong bảng tính. Thông tin như số tiền giao dịch, địa chỉ ví, thời gian và ngày tháng được ghi lại và mã hóa vào phần đầu của mỗi block – một số thập lục phân tạo ra thông qua hash của blockchain.

Băm

Hash từ block hiện tại được lưu trữ và sử dụng trong block tiếp theo. Điều này tạo ra một cuốn sổ sách gồm các block mắc nối với nhau mà không thể bị thay đổi vì thông tin từ mỗi block được bao gồm trong hash của block mới nhất. Đây là nơi mà Proof of Work phát huy tác dụng. 

Băm là một con số hexa được mã hóa gồm 64 chữ số. Với công nghệ hiện đại, 1 băm có thể được tạo ra trong vài mili giây với một lượng dữ liệu lớn. Công việc của các thợ đào là cố gắng tính toán kết quả đó, điều này mất rất nhiều thời gian theo thuật ngữ của máy tính.

Khai thác là quá trình xác minh các giao dịch thông qua việc giải quyết băm và nhận phần thưởng.

Số Ngẫu Nhiên

Băm bao gồm một chuỗi các số gọi là số ngẫu nhiên, viết tắt của 'number used once' (số chỉ sử dụng một lần). Khi một thợ đào - chương trình trên node làm việc để giải quyết băm - bắt đầu khai thác, nó tạo ra 1 băm từ thông tin công khai có sẵn bằng cách sử dụng một số ngẫu nhiên bằng 0.

Giải quyết băm

Nếu băm nhỏ hơn mục tiêu mạng hiện tại, thợ đào đã thành công trong việc giải quyết băm đó. Mục tiêu mạng là một kết quả toán học của một công thức được chuyển đổi thành một số hexa quy định độ khó trong việc khai thác.

Nếu băm lớn hơn mục tiêu, chương trình khai thác sẽ thêm một giá trị bằng 1 vào số ngẫu nhiên và tạo ra một băm mới. Toàn bộ mạng lưới các thợ đào cố gắng giải quyết băm theo cách này.

Trên blockchain của Bitcoin, thợ đào thành công giải quyết băm sẽ nhận được phần thưởng cho công việc đã làm.

Các thành phần của cơ chế Proof of Work

Thợ đào - người khai thác

Các chuỗi khối sử dụng PoW dựa vào một mạng lưới phân tán các máy tính gọi là node. Những node này có trách nhiệm quan trọng là chấp nhận các lô giao dịch từ các node khác và đề xuất hoặc xác nhận các khối giao dịch mới cho toàn bộ mạng lưới.

Trong ngữ cảnh này, các node thường được gọi là những người khai thác, vì họ đóng góp năng lực tính toán và tài nguyên để kiếm tiền ảo cơ bản của mạng lưới.

'Work' trong PoW đại diện cho năng lực tính toán mà các node đóng góp để xác nhận một khối giao dịch mới. Sức mạnh này được thể hiện trong hàm băm mật mã SHA-256, tạo ra sự khác biệt cho PoW so với các cơ chế đồng thuận khác.

Một thuật toán quan trọng, được gọi là điều chỉnh độ khó, đảm bảo mạng lưới mất một khoảng thời gian cố định để xác nhận các khối giao dịch mới. Điều chỉnh này diễn ra khoảng mỗi 2016 khối (khoảng 2 tuần) để duy trì thời gian khối ổn định là 10 phút. Đáng chú ý, việc cá nhân người tham gia khai thác gia nhập hoặc rời khỏi mạng lưới không ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ khó trong các khoảng thời gian ngắn.

Phần thưởng - phần thưởng block

Người khai thác sẽ nhận được phần thưởng khi họ tìm ra một băm dưới ngưỡng được đặt ra bởi mạng lưới. Khi phát hiện một băm khối hợp lệ, người khai thác sẽ chia sẻ thông tin này với các khai thác khác để xác nhận và tích hợp nhanh chóng vào bản sao blockchain của họ. Quá trình xác nhận này ngăn chặn các hành vi gian lận như lặp lại chi tiêu (double-spending).

Hiện nay, người khai thác nhận được một phần thưởng cố định là 6,25 BTC/block, cùng với các phí giao dịch từ người dùng. Cấu trúc thưởng này là động lực cho người khai thác cạnh tranh để tham gia vào hệ thống PoW, khuyến khích tính trung thực, vì mọi cố gắng can thiệp vào hệ thống sẽ dẫn đến lãng phí tài nguyên.

Lượng thưởng này giảm một nửa sau mỗi 210.000 khối (khoảng 4 năm). Sự giảm này, được gọi là chu kỳ giảm phần, tạo ra lo ngại về nguy cơ làm giảm động lực của người khai thác nếu giá của Bitcoin không đủ đào kịp. Tuy nhiên, khi người khai thác rời mạng lưới, mức độ khó cũng điều chỉnh, giảm chi phí đào Bitcoin.

Nền kinh tế về đào Bitcoin không hề đơn giản. Có rất nhiều yếu tố tài chính tác động khiến người khai thác tiếp tục hoạt động, ngay cả khi không có lợi nhuận rõ ràng.

Tại sao cần sự phức tạp như vậy trong Proof of Work?

Độ chính xác và tốc độ của Blockchain phụ thuộc đáng kể vào cơ chế Proof of Work.

Tuy nhiên, độ phức tạp của bài toán không nên vượt quá mức vì nếu vượt quá, quá trình tạo khối mới sẽ mất rất nhiều thời gian. Điều này có thể dẫn đến việc giao dịch chậm trễ, đợi mãi cho đến khi được xác nhận và gây ra trục trặc trong quá trình hoạt động. Nếu bài toán không thể được giải quyết trong thời gian hợp lý, mạng lưới sẽ trở nên không ổn định.

Tuy nhiên, nếu bài toán quá dễ, mạng lưới sẽ dễ bị tấn công DDoS, spam và những vấn đề khác.

Thêm vào đó, phản hồi từ thuật toán cũng cần đơn giản để dễ dàng kiểm tra và chấp nhận. Không phải tất cả các node đều có khả năng xác định xem tất cả các quá trình tính toán đã được thực hiện đúng theo quy trình. Trong trường hợp đó, bạn sẽ phải tin tưởng vào quyết định từ các node khác và có thể vi phạm tính minh bạch, một trong những yếu tố quan trọng nhất của Blockchain.

Ưu điểm của Proof of Work

Proof of Work (PoW) đem lại nhiều lợi ích quan trọng, bảo vệ chống lại tấn công từ chối dịch vụ (DDoS) và giảm thiểu rủi ro trong quá trình đào tiền.

Bảo vệ chống tấn công DDoS: PoW đặt ra giới hạn cao đối với mạng lưới. Điều này đòi hỏi bất kỳ hành động nào cũng phải vượt qua trước hết. Do đó, để tấn công mạng lưới, người tấn công phải sử dụng một lượng lớn năng lực máy tính và mất nhiều thời gian tính toán. Mặc dù có thể tấn công, nhưng với chi phí rất lớn.

Khả năng đào block: Quan trọng không phải số tiền trong ví, mà là khả năng năng lực máy tính để giải quyết bài toán đào block. Vì vậy, trên mạng lưới blockchain, người có tiền không chắc chắn có quyền.

Nhược điểm của Proof of Work

PoW mang nhược điểm về chi phí cao, lãng phí năng lực máy tính và nguy cơ tấn công 51%.

Chi phí cao: Đào tiền đòi hỏi thiết bị máy tính chuyên dụng với thuật toán phức tạp, chi phí lớn đối với cá nhân. Do đó, hoạt động này thường được thực hiện bởi nhóm thợ đào, sử dụng thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng, làm tăng chi phí khai thác.

Lãng phí năng lực máy tính: Thợ đào tạo block mới qua công việc tính toán mạnh mẽ, tiêu tốn nhiều điện năng. Tuy nhiên, công việc này không có ứng dụng rộng rãi ở các lĩnh vực khác.

Nguy cơ tấn công 51%: Nguy cơ này xảy ra khi một nhóm người dùng kiểm soát đa số khả năng khai thác.

Tấn công 51%, hay còn được biết đến là tấn công đa số, xảy ra khi một nhóm người dùng chiếm đa số khả năng khai thác trên mạng lưới. Điều này cho phép kẻ tấn công kiểm soát và thay đổi hầu hết các sự kiện trên mạng lưới. Họ có thể độc quyền việc tạo block mới, thu thập toàn bộ phần thưởng và thậm chí đảo ngược các giao dịch.

Ví dụ: Nếu Alice chuyển tiền cho Bob qua Blockchain và bị tấn công 51%, giao dịch có thể bị ngăn chặn. Cuộc tấn công này có thể kích hoạt một hard fork, tạo ra hai chuỗi block song song. Một chuỗi sẽ có nhiều thợ đào hơn (chuỗi 51%) và sẽ khai thác nhiều block hơn. Cuối cùng, chuỗi dài hơn sẽ được chấp nhận và chuỗi ngắn hơn sẽ bị loại bỏ, làm cho giao dịch trở nên vô hiệu.

Mặc dù kẻ tấn công có thể đảo ngược giao dịch, nhưng thực hiện cuộc tấn công này đòi hỏi sự tập trung lượng lớn khả năng khai thác. Thông tin về tấn công 51% khiến người dùng cảm thấy nghi ngờ về tính phân quyền của mạng lưới, gây suy giảm giá trị của blockchain này. Điều này dẫn đến mất mát tài sản đáng kể cho người dùng.

Tóm lại

Đó là cùng bạn tìm hiểu về cơ chế đồng thuận Proof of Work, hy vọng qua bài viết này, bạn đã có cái nhìn tổng quan hơn về thuật ngữ Proof of Work cũng như thu thập được những thông tin hữu ích.