Các Loại Thuật Toán Đồng Thuận Khác Nhau

Thuật toán đồng thuận là một quy trình được sử dụng trong khoa học máy tính, trong đó các bên tham gia của một mạng lưới phân tán đồng ý về trạng thái của mạng hoặc về trạng thái của một giá trị dữ liệu duy nhất và thiết lập niềm tin giữa những đối tác (peer) chưa biết nhau trong mạng.

Các thuật toán đồng thuận được thiết kế sao cho các thành viên của một blockchain đạt được thỏa thuận để xác thực một giao dịch trên mạng, thay đổi các tham số mạng, quyết định những node nào đáng tin cậy để xử lý các block mới, và các chức năng quan trọng khác.

Đừng để tính chất kỹ thuật của bài viết này làm bạn choáng ngợp—“đồng thuận” ở quanh chúng ta mọi nơi—đó là một khái niệm rất con người, nhưng được áp dụng cho một thứ có thể được tự động hóa.

**Để bắt đầu, trong các hệ thống tập trung, các tác 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 gồm hàng trăm, hàng nghìn, thậm chí hàng trăm nghìn thợ đào hoặc node tham gia để thực hiện một hoặc nhiều tác vụ và cung cấp một hệ sinh thái đáng tin cậy, hiệu quả.

Hãy suy nghĩ về cơ chế đồng thuận phi tập trung với ví dụ này: giả sử bạn ở trong một nhóm gồm bốn người bạn, và một trong các thành viên, Alex, giới thiệu một người thứ năm, Bob. Khi Bob rời đi, rất có thể, cả nhóm sẽ bắt đầu bàn tán về Bob (đây là quy trình/protocol) để xem họ có thích anh ấy không (kết quả sẽ là “sự đồng thuận”).

José: “Bob có vẻ là một chàng trai tuyệt vời.”

Kevin: “Ừ, chàng trai đó đúng là tuyệt. Sao bạn gặp anh ấy thế nào?”

Alex: “Anh ấy học trong một trong các lớp tài chính của mình hồi đại học; bọn mình chia sẻ mẹo giao dịch crypto, và cuối cùng anh ấy lại là một người rất hài hước.”

Kevin: “Tốt đấy, nhưng meme của anh ta thì kỳ lạ quá.”

John: “Bạn chỉ là không hiểu văn hóa meme.”

José: “Ừ, bạn không dành nhiều thời gian để lướt TikTok—mình thấy chúng khá buồn cười.”

Trong ví dụ này, một “sự đồng thuận” đã đạt được về việc liệu Bob có hòa nhập tốt vào nhóm bạn hay không. Thường sẽ có một sự đồng thuận cần thiết về quan điểm ngay cả khi không có các cam kết hoặc hợp đồng cụ thể nào được đưa ra. Một người tham gia, Kevin, ngần ngại trong việc cho Bob vào nhóm, nhưng José, Alex và John thì thoải mái với Bob.

Trong trường hợp này, nếu chúng ta mã hóa ví dụ ở trên thành một thuật toán đồng thuận: khi đó sẽ là 3 “anh ấy ổn/đáng mến” và 1 “anh ấy ổn nhưng mình chưa chắc về XYZ”, nhưng vẫn dẫn đến kết quả “anh ấy ổn”. Số đông thắng, nên Bob sẽ được tham gia chơi với lũ bạn “cool” bất chấp ý kiến của Kevin.

Chẳng hạn, Bitcoin được xây dựng để tìm ra sự đồng thuận về việc các giao dịch mới có hợp lệ hay không (“cool”).

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

Proof of Work là gì?

**Proof of Work (PoW) là thuật toán đồng thuận phổ biến nhất và lâu đời nhất, ra đời cùng với sự tạo lập của Bitcoin vào năm 2009 bởi Satoshi Nakamoto. **Một hệ thống PoW bao gồm một mạng lưới toàn cầu gồm các thợ đào—được gọi là các node mạng—cạnh tranh để giải các câu đố toán học. Người thợ đào giải được câu đố thành công sẽ giành quyền thêm một block mới vào blockchain và nhận phần thưởng dưới dạng một loại tiền mã hóa mới được tạo ra.

Về cơ bản, proof of work là cách một thợ đào chứng minh rằng họ đã cung cấp năng lực tính toán để đạt được sự đồng thuận của mạng và xác thực tính xác thực của từng block. Hơn nữa, mỗi block (giao dịch) được sắp xếp theo thứ tự tuần tự, loại bỏ rủi ro chi tiêu hai lần.

Cho đến nay, PoW đã là cơ chế đồng thuận an toàn nhất đối với các blockchain tiền mã hóa. Việc thay đổi mạng sẽ yêu cầu kẻ tấn công phải re-mine lại tất cả các block hiện có trong chuỗi. Blockchain càng lớn thì càng khó để độc quyền sức mạnh tính toán của mạng, vì việc đó sẽ đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng khổng lồ và thiết bị đắt tiền.

Sau khi một thợ đào giải được câu đố, họ sẽ tìm được nonce (viết tắt của “number used once” — số được dùng một lần) tạo ra một hash có giá trị thấp hơn hoặc bằng mức được đặt bởi độ khó của mạng.

Nonce là một phần cốt lõi của các hệ thống PoW vì nó cho phép thợ đào tạo ra một tiêu đề block (block header) được băm với hàm băm SHA-256, nghĩa là đưa một số tham chiếu cho một block trong chuỗi. Block header cũng chứa một dấu thời gian và hash của block trước đó.

Các nhược điểm của PoW

Các thợ đào cần cung cấp một lượng lớn năng lực tính toán để giải các câu đố. Nhưng do các phép tính rất phức tạp, lượng điện mà một S9 Antminer tiêu thụ thường nằm trong khoảng 1400 – 1500 watt mỗi giờ cho hashrate 14.5 TH/s. S19, phiên bản mạnh hơn, tiêu thụ 3250 watt mỗi giờ với hashrate 110 TH/s.

Chỉ với một chút toán học, chúng ta có thể tính lượng năng lượng mà các trung tâm dữ liệu hoặc công ty khai thác tiêu thụ khi có hàng trăm hoặc hàng nghìn dàn khai thác (mining rigs) tại cùng một địa điểm mỗi ngày. Mức tiêu thụ năng lượng cao và tác hại đến môi trường là lời chỉ trích chính đối với proof of work.

Để hình dung rõ hơn, Trước khi Ethereum chuyển sang Proof of Stake, các thợ đào Ethereum trên toàn thế giới đang tiêu thụ khoảng 10 TWh/yr, tương đương với Cộng hòa Séc.

Tiếng ồn lớn cũng ảnh hưởng xấu đến thính giác của con người — trên 80 dBa. Vì vậy, các dàn khai thác thường được đặt trong tầng hầm hoặc cơ sở khai thác để tránh làm xáo trộn các hoạt động hằng ngày.

Proof of Stake là gì?

Proof of Stake (PoS) là thuật toán đồng thuận phổ biến thứ hai. Thay vì thợ đào, các blockchain PoS có các trình xác thực (network validators) sử dụng tiền/ token của họ làm bằng chứng cho cam kết của họ với mạng, thay vì dùng năng lực tính toán.

Staking nghĩa là “khóa” các tài sản crypto trong một khoảng thời gian trên nền tảng blockchain, và đổi lại, phần thưởng sẽ trả cho người dùng bằng nhiều tiền mã hóa hơn.

PoW vs. PoS: Các khác biệt chính

Trong PoS, người dùng có thể stake một phần tài sản chỉ nhằm mục đích tạo thu nhập thụ động. Phương án còn lại là trở thành validator. Không giống như các hệ thống PoW, các validator không cạnh tranh để tạo ra các block mới vì họ được thuật toán chọn ngẫu nhiên. Số coin/token mà người dùng stake càng nhiều thì cơ hội trở thành validator và tạo các block mới trong blockchain càng cao.

Trong các hệ thống PoW, thời gian tạo ra các block mới được xác định bởi độ khó khai thác (mining difficulty); khi càng nhiều người tham gia vào mạng thì hashpower càng lớn, tức là năng lực tính toán cần thiết để khai thác các block mới. Ngược lại, các blockchain PoS có thời gian tạo block cố định, được chia thành các slot — khoảng thời gian để tạo ra một block — và các epoch, là các đơn vị thời gian được tạo thành từ các slot.

Để giải thích rõ hơn, một slot trong Ethereum gồm 12 giây, tức là khoảng thời gian để mạng tạo ra một block, và 32 slot tạo thành một epoch. Vì vậy, một epoch là 6.4 phút. Mỗi slot trong một blockchain PoS có một số lượng validator được xác định trước, những người bỏ phiếu về tính hợp lệ của block được đề xuất. Nếu block hợp lệ, nó sẽ được thêm vào chuỗi, và người đề xuất block cũng như các bên xác thực (attestors) nhận phần thưởng bằng ETH.

Các blockchain PoS trừng phạt những tác nhân độc hại khi tấn công mạng bằng các kiểu tấn công như 51% (gọi là slashing), trong đó các validator trung thực sẽ loại validator độc hại khỏi mạng và rút số dư của họ. Điều này khiến các tác nhân độc hại khó tấn công mạng hơn vì số vốn stake yêu cầu khá cao. Trong trường hợp của Ethereum, là 32 ETH.

Ưu điểm của PoS:

• Ít tốn năng lượng hơn so với PoW
• Phù hợp hơn để làm việc với các giải pháp layer-2 hơn so với PoW
• Có khả năng đạt throughput cao hơn vì việc đồng thuận được thiết lập trước khi các block được chuyển tiếp.
• Chi phí thấp hơn so với các blockchain PoW vì không cần phần cứng cấp cao để tạo các block mới.

Nhược điểm của PoS

• Các hệ thống PoS vẫn có thể bị tập trung hóa nếu các validator nắm giữ lượng lớn token được stake có thể ảnh hưởng đến mạng.
• Chứng minh về mặt bảo mật kém hơn so với các blockchain PoW.

Proof of History là gì?

**Proof of History (PoH) là một thuật toán đồng thuận do blockchain Solana giới thiệu và bao gồm việc gắn một dấu thời gian cho tất cả các sự kiện trên mạng để chứng minh chúng đã xảy ra tại một thời điểm nhất định. **PoH có thể được mô tả như một “đồng hồ” mật mã xác nhận các giao dịch theo thứ tự tuần tự.

Solana kết hợp cách tiếp cận PoH của mình với PoS. Do đó, các thành viên của mạng phải stake SOL để trở thành validator và xử lý các block mới, và cơ chế PoH xác minh tính hợp lệ của những giao dịch đó diễn ra theo thời gian thực. Nói cách khác, PoH duy trì bảo mật, trong khi PoS mang đến một mạng lưới validator có thể xác minh các timestamp và xác nhận các giao dịch.

Tuy nhiên, Solana đánh đổi phi tập trung để đổi lấy khả năng xử lý throughput giao dịch cực nhanh. Blockchain dựa trên một kiến trúc bán-tập trung, trong đó một node duy nhất được bầu làm leader chịu trách nhiệm triển khai một “nguồn thời gian” duy nhất, tức là đồng hồ PoH, và tất cả các node còn lại phải tuân theo trình tự thời gian tương ứng. Các leader được bầu định kỳ thông qua các cuộc bầu cử PoS.

Mặc dù Solana là một trong những blockchain nhanh nhất trong ngành, nó vẫn thường xuyên gặp tình trạng ngừng hoạt động (downtime). Kể từ khi ra mắt vào năm 2020, mạng đã gặp khoảng mười lần downtime, trong đó năm lần xảy ra vào năm 2022. Nguyên nhân chính của các sự cố này là một “node được cấu hình sai”.

Delegated Proof of Stake là gì?

Delegated Proof of Stake** (DPoS) là một biến thể của khái niệm PoS, trong đó cộng đồng đóng vai trò trung tâm.**

Trong các blockchain DPoS, các thành viên trong cộng đồng stake các đồng tiền mã hóa của mình để bỏ phiếu cho các witness (nhân chứng) hoặc delegate tiếp theo để sản xuất block. Để làm điều này, người dùng phải gom nhóm các token của họ vào “staking pool” của blockchain và sau đó liên kết số tiền đó tới một delegate được chỉ định.

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 là bên chọn validator tiếp theo. Ngày nay, các blockchain như TRON và Cardano sử dụng DPoS.

Tuy nhiên, chỉ trích đối với DPoS là phương pháp của nó có xu hướng ưu tiên người dùng giàu có. Những người có số lượng token lớn có thể gây ảnh hưởng mạnh hơn lên mạng. Vitalik Buterin là một trong những người phản đối DPoS sớm nhất, ông cho rằng trong một bài blog rằng thuật toán đồng thuận này khuyến khích các witness hình thành cartel (liên minh thao túng) và hối lộ cử tri để giành được sự ủng hộ.

Proof of Authority là gì?

**Proof of Authority (PoA) là một thuật toán đồng thuận trong đó chỉ các thành viên được cấp phép mới có thể tương tác với blockchain, thực hiện giao dịch, tạo hoặc đề xuất thay đổi các tham số mạng, xem xét lịch sử giao dịch, v.v. **

Thuật ngữ này được đặt ra bởi Gavin Wood, một nhà phát triển blockchain, người đồng sáng lập Ethereum, Polkadot và Mạng lưới Kusama.

Trong một blockchain PoA, **mọi thứ đều xoay quanh danh tiếng—các thành viên của mạng đang stake danh tính của họ thay vì stake đồng coin. **Họ cung cấp mức độ mở rộng và throughput cao hơn vì nó chỉ dựa vào một số lượng giới hạn các validator. Chúng ta có thể nghĩ đây là một mô hình thiên về tập trung hóa rất cao, nhưng các blockchain PoA thường là mạng riêng và phù hợp hơn với các doanh nghiệp và tổ chức sử dụng công nghệ blockchain để nâng cao hoạt động kinh doanh và hệ thống vận hành.

Proof of Elapsed Time là gì?

Proof of Elapsed Time (PoET) là một thuật toán đồng thuận khác, hoạt động tốt nhất với các blockchain riêng.

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

Thuật toán này có thể không phổ biến bằng các blockchain khác vì nó chưa được định nghĩa đầy đủ. Nhưng ý tưởng là đưa ra một “cỗ máy” được chuẩn bị sẵn theo phong cách Nakamoto, cho phép các blockchain riêng lựa chọn nhà sản xuất block tiếp theo. Và chúng khác nhau như thế nào? Vâng, thuật toán tạo ra một “thời gian chờ ngẫu nhiên” cho mỗi node trong mạng, và trong thời gian đó node phải “ngủ”. Node có thời gian chờ ngắn nhất sẽ thức dậy trước và giành quyền tạo ra một block trong chuỗi.

Vì vậy, điểm khác biệt chính là các thợ đào trong PoET không chạy 24/7 và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Hơn nữa, trong một mạng PoW, các thợ đào cạnh tranh để băm (hash) tiêu đề block tiếp theo, trong khi ở PoET thì nó giống như một hệ thống lựa chọn ngẫu nhiên hơn.

Câu hỏi thường gặp về Thuật toán Đồng thuận:

Liệu Ethereum có trở nên nhanh hơn bây giờ khi nó đã chuyển sang PoS không?

Một hiểu lầm phổ biến là Ethereum sẽ tự động mở rộng quy mô ngay khi nó là một blockchain dựa trên PoS. Tuy nhiên, quá trình chuyển đổi này được thực hiện để nâng cấp Ethereum bằng cách:

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

**Blockchain permissionless và permissioned là gì?: **

Một blockchain permissionless đề cập đến một blockchain công khai, trong đó bất kỳ ai cũng có thể thực hiện giao dịch, xem lịch sử giao dịch, stake coin, trở thành validator, v.v. Ngược lại, trong các blockchain permissioned (riêng), chỉ những thành viên có quyền mới được truy cập mạng để thực hiện giao dịch, tương tác với các node mạng, theo dõi hoạt động trên chuỗi, v.v.

PoW có phải là thuật toán đồng thuận an toàn nhất không? PoW có những bất lợi của riêng nó, nhưng cho đến nay, nó vẫn là cách được chứng minh và tin cậy nhất để duy trì sự đồng thuận và bảo mật của một mạng trong blockchain.

Những suy nghĩ cuối cùng: Thuật toán đồng thuận được giải thích

Blockchain là một công nghệ có thể giải quyết nhiều thách thức và điểm đau (pain points) trong các ngành công nghiệp khác nhau, không chỉ riêng ngân hàng và tài chính. Tuy nhiên, nó cũng có phần khó khăn của riêng mình. Vì vậy, các nhà phát triển đã tạo ra nhiều loại và nhiều phiên bản thuật toán đồng thuận để giải quyết các vấn đề phổ biến như tập trung hóa, thiếu khả năng mở rộng (scalability) và throughput thấp.

Nhưng để nói về tương lai của các thuật toán blockchain thì khó khăn vì một thách thức: Blockchain Trilemma. Được Vitalik Buterin phác thảo ban đầu, nó nói rằng mạng blockchain không thể cung cấp được hai trong ba lợi ích: phi tập trung, bảo mật và khả năng mở rộng. Có một số nền tảng blockchain, như Fantom và Solana, đã triển khai các phiên bản lai của thuật toán đồng thuận của riêng họ với nỗ lực giải quyết blockchain trilemma, nhưng cho đến nay chưa cái nào thực sự thành công.

Các cách tiếp cận kỹ thuật khác cũng đã được thực hiện để tăng cường các đặc tính của blockchain, và một trong những phổ biến nhất là layer-2, tức là các chuỗi được liên kết với một layer-1, ví dụ Arbitrum với Ethereum, và sharding, tức là chia toàn bộ blockchain thành nhiều mạng nhỏ hơn. Nhưngerin đánh giá sharding là cách tiếp cận tốt nhất để cung cấp cả ba thuộc tính của một blockchain hoàn hảo.