Proof of Work vs Proof of Stake: Tìm hiểu cơ chế đồng thuận trong công nghệ blockchain

Để đảm bảo tính hợp lệ của giao dịch, tính bảo mật của blockchain dựa trên các cơ chế đồng thuận như đã thảo luận trong bài viết của Huân tại https://vulehuan.com/vi/blog/2023/03/bao-mat-blockchain-vai-tro-cua-ma-hoa-va-dong-thuan-trong-viec-ngan-chan-hack-va-gian-lan-31.html. Hai cơ chế được sử dụng rộng rãi nhất là Proof of Work (PoW) và Proof of Stake (PoS). Bài đăng trên blog này sẽ xem xét điểm mạnh và điểm yếu của từng cơ chế và giải thích lý do Ethereum 2.0 chọn PoS.

Bài viết bạn đang đọc là phiên bản được Google dịch của bài viết gốc bằng tiếng Anh có sẵn tại https://vulehuan.com/en/blog/2023/03/proof-of-work-vs-proof-of-stake-understanding-the-consensus-mechanisms-in-blockchain-technology-32.html. Tôi khuyến khích bạn tham khảo bài viết gốc để hiểu chính xác và toàn diện hơn về chủ đề này.

Proof of Work (Bằng chứng làm việc)

Cơ chế đồng thuận Proof of Work (PoW) lần đầu tiên được Bitcoin giới thiệu và đã được một số loại tiền điện tử khác áp dụng. PoW hoạt động bằng cách thuyết phục những người tham gia mạng, còn được gọi là miner (thợ mỏ/ người khai thác), giải quyết các vấn đề toán học phức tạp để xác thực giao dịch và nối các khối mới vào blockchain. Người khai thác đầu tiên giải quyết vấn đề sẽ kiếm được phần thưởng dưới dạng tiền mới được tạo và phí giao dịch.

Giống như những người khai thác cần giải các bài toán phức tạp để xác thực các giao dịch trong PoW, trong đời thực, những người thợ ở mỏ vàng phải khai thác vàng từ quặng. Quá trình này liên quan đến việc đối mặt với những khó khăn kỹ thuật như khai thác qua đá cứng, tinh chế kim loại và thu được vàng nguyên chất. Sau đó, người khai thác vàng thành công sẽ được trả công bằng tiền dựa trên lượng vàng thu được.

Ưu điểm của PoW

Đây là một số ưu điểm của PoW:

• Tính bảo mật cao: PoW được coi là cơ chế đồng thuận an toàn nhất được sử dụng hiện nay vì tính mạnh mẽ và khả năng phục hồi trước các cuộc tấn công do sức mạnh tính toán cao cần thiết để giải quyết các vấn đề toán học.
• Phi tập trung: PoW khuyến khích nhiều người tham gia trở thành thợ đào, dẫn đến một mạng phi tập trung ít bị kiểm soát hoặc thao túng bởi một thực thể duy nhất.
• Công bằng: PoW tạo cơ hội cho một số lượng lớn người tham gia tham gia mạng và trở thành người khai thác bằng cách mang đến cơ hội công bằng cho tất cả mọi người xác thực giao dịch và kiếm phần thưởng. Công cụ khai thác càng có nhiều sức mạnh tính toán thì khả năng giải quyết vấn đề toán học và thêm một khối vào blockchain càng cao.
• Hồ sơ theo dõi đã được chứng minh: PoW đã được sử dụng rộng rãi bởi nhiều loại tiền điện tử khác nhau và đã được thử nghiệm theo thời gian, khiến nó trở thành một phương pháp đáng tin cậy và đáng tin cậy để bảo mật blockchain.
• Khả năng chống tấn công Sybil: PoW chống lại các cuộc tấn công Sybil, trong đó một thực thể duy nhất tạo ra một số danh tính giả để chiếm lấy mạng, vì mỗi danh tính yêu cầu sức mạnh tính toán đáng kể để xác thực giao dịch và thêm khối.

Nhược điểm của PoW

• PoW cũng có một số nhược điểm cần xem xét. Để làm rõ, Huân đã đề cập đến Bitcoin trước đó trong bài viết trên blog này, nhưng điều quan trọng cần lưu ý là Bitcoin chỉ là một ví dụ về nhiều loại tiền điện tử sử dụng cơ chế đồng thuận PoW.
• Tiêu thụ năng lượng cao: PoW yêu cầu một lượng lớn sức mạnh tính toán, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng cao và các vấn đề về môi trường. Một báo cáo của CoinShares ước tính rằng chi phí điện trung bình để khai thác Bitcoin là 0,05 đô la mỗi kilowatt giờ https://www.nytimes.com/interactive/2021/09/03/climate/bitcoin-carbon-footprint-electricity.html
• Tập trung khai thác: Khi độ khó khai thác tăng lên, các công ty khai thác quy mô nhỏ gặp khó khăn trong việc cạnh tranh với các nhóm khai thác lớn, dẫn đến việc tập trung hóa sức mạnh khai thác.
• Dễ bị tấn công 51%: Một cuộc tấn công 51% có thể xảy ra khi một thực thể hoặc nhóm đơn lẻ kiểm soát hơn 50% sức mạnh tính toán của mạng, cho phép họ thao túng các giao dịch. Theo báo cáo của Cointelegraph, Bitcoin Gold đã trải qua một cuộc tấn công 51% vào tháng 5 năm 2018, dẫn đến bội chi khoảng 18 triệu đô la BTG. Vụ việc đã dẫn đến việc loại bỏ đồng tiền này khỏi danh sách của Bittrex.
• Xử lý giao dịch chậm: Yêu cầu tính toán cao của PoW có thể dẫn đến thời gian xử lý giao dịch chậm, đặc biệt là trong thời gian tắc nghẽn mạng cao điểm.
  
• Sử dụng tài nguyên không hiệu quả: Bản chất sử dụng nhiều năng lượng của PoW dẫn đến việc sử dụng tài nguyên không hiệu quả, đây là một nguyên nhân gây lo ngại. Theo một nghiên cứu của Đại học Cambridge, mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của Bitcoin được ước tính nhiều hơn toàn bộ đất nước Argentina https://www.bbc.com/news/technology-56012952
• Tác động môi trường của PoW cũng là một mối quan tâm. Mức tiêu thụ năng lượng cần thiết để khai thác Bitcoin góp phần phát thải khí nhà kính và biến đổi khí hậu. Ngoài ra, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng để cung cấp năng lượng cho tiền điện tử dựa trên PoW cũng có thể dẫn đến sự căng thẳng đối với các nguồn năng lượng không thể tái tạo https://www.jbs.cam.ac.uk/insight/2022/a-deep-dive-into-bitcoins-environmental-impact/

Proof of Stake (Bằng chứng cổ phần)

PoS là một cơ chế đồng thuận được tạo ra để giải quyết một số hạn chế của PoW. PoS hoạt động bằng cách bắt buộc những người tham gia mạng, được gọi là người xác thực, duy trì một lượng tiền điện tử cụ thể trong ví "đặt cược". Trình xác thực được chọn để xác thực giao dịch và thêm các khối mới vào blockchain dựa trên số lượng tiền điện tử mà họ nắm giữ.

Dưới đây là một số ví dụ trong cuộc sống thực tương tự như cách thức hoạt động của PoS:

• Biểu quyết trong cuộc họp cổ đông - Trong cuộc họp cổ đông của công ty, quyền biểu quyết thường tỷ lệ thuận với số cổ phần nắm giữ. Các cổ đông có nhiều cổ phần hơn có nhiều "cổ phần" hơn trong công ty và do đó có nhiều ảnh hưởng hơn đối với các quyết định của công ty.
• Tiền đặt cọc cho các thỏa thuận cho thuê - Khi cho thuê bất động sản, chủ nhà có thể yêu cầu người thuê đặt cọc bảo đảm để thế chấp trong trường hợp hư hỏng hoặc tiền thuê chưa trả. Kích thước của khoản tiền gửi thường tỷ lệ thuận với tiền thuê hàng tháng, tương tự như cách cổ phần của người xác thực trong mạng PoS tỷ lệ thuận với lượng tiền điện tử mà họ nắm giữ.
• Danh tiếng trên thị trường trực tuyến - Trong các thị trường trực tuyến như eBay hoặc Amazon, danh tiếng của người bán thường dựa trên lịch sử bán hàng và đánh giá của họ. Điều này hoạt động như một hình thức thế chấp để đảm bảo rằng người bán đáng tin cậy và cung cấp sản phẩm chất lượng.
• Danh tiếng trên các nền tảng truyền thông xã hội - Trong các nền tảng truyền thông xã hội như Twitter hoặc Instagram, danh tiếng của người dùng thường dựa trên lịch sử các bài đăng và mức độ tương tác của họ. Điều này hoạt động như một hình thức thế chấp để đảm bảo rằng người dùng đáng tin cậy và tăng thêm giá trị cho nền tảng.

Dưới đây là một số ví dụ về các loại tiền điện tử và nền tảng blockchain phổ biến sử dụng PoS, mặc dù còn nhiều ví dụ khác:

• Ethereum (ETH): Tiền điện tử lớn thứ hai theo vốn hóa thị trường, Ethereum 2.0 hiện đang chuyển từ PoW sang PoS.
• Cardano (ADA): Nền tảng blockchain phi tập trung sử dụng PoS và được thiết kế để trở thành giải pháp thay thế an toàn và bền vững hơn cho PoW.
• Polkadot (DOT): Nền tảng blockchain đa chuỗi sử dụng PoS và cho phép khả năng tương tác giữa các mạng blockchain khác nhau.
• Binance Coin (BNB): Một loại tiền điện tử được tạo bởi sàn giao dịch Binance, BNB sử dụng PoS cho các chức năng khác nhau trên nền tảng Binance.
• Cosmos (ATOM): Một mạng phi tập trung gồm các blockchain độc lập sử dụng PoS và cho phép khả năng tương tác giữa các blockchain khác nhau.
• Tezos (XTZ): Một nền tảng blockchain sử dụng PoS và nhằm mục đích cung cấp giải pháp thay thế an toàn và hiệu quả hơn cho PoW.
• Avalanche (AVAX): Một nền tảng phi tập trung để xây dựng dApps sử dụng PoS và có thể xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây.

Ưu điểm của PoS

Dưới đây là một số ưu điểm của cơ chế đồng thuận Proof of Stake (PoS):

• Hiệu quả năng lượng: PoS yêu cầu ít năng lượng hơn đáng kể so với PoW, khiến nó trở nên thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí hơn. Theo Chỉ số tiêu thụ năng lượng Bitcoin của Digiconomist, mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của mạng Bitcoin sử dụng PoW là khoảng 129,09 TWh (terawatt-giờ) tính đến tháng 3 năm 2023. Ngược lại, mức tiêu thụ năng lượng của mạng Cardano sử dụng PoS ước tính vào khoảng 0,6 TWh mỗi năm, ít hơn đáng kể so với mức tiêu thụ năng lượng của mạng Bitcoin. Tương tự, mạng Ethereum đang trong quá trình chuyển đổi từ PoW sang PoS, dự kiến sẽ giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của nó. Những thống kê này chỉ ra rằng PoS tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với PoW.
  
• Giảm tập trung hóa: PoS giảm rủi ro tập trung hóa vì các trình xác thực được chọn dựa trên lượng tiền điện tử mà họ nắm giữ, thay vì sức mạnh tính toán.
• Gia tăng sự tham gia của mạng: PoS khuyến khích nhiều người dùng tham gia vào mạng hơn vì họ có thể kiếm được phần thưởng bằng cách nắm giữ và đặt cược tiền điện tử.
• Tính ổn định: PoS giảm rủi ro phân nhánh trong blockchain vì cơ chế đồng thuận dựa trên thỏa thuận của các bên liên quan và không cần thợ mỏ cạnh tranh để nhận phần thưởng.
• Quản trị: PoS cho phép quản trị phi tập trung vì những người xác thực có tiếng nói trong quá trình ra quyết định dựa trên số lượng tiền điện tử mà họ nắm giữ và cổ phần.
• Khả năng mở rộng: PoS cho phép khả năng mở rộng lớn hơn PoW vì nó có thể xử lý nhiều giao dịch hơn mỗi giây. Theo blocktivity.info, một trang web theo dõi hoạt động của blockchain, EOS luôn được xếp hạng trong số các blockchain hàng đầu về khối lượng giao dịch và tốc độ xử lý, thường xử lý nhiều giao dịch hơn mỗi giây so với Bitcoin và Ethereum, cả hai đều sử dụng cơ chế đồng thuận PoW.

Nhược điểm của PoS

Dưới đây là một số nhược điểm của PoS:

• Rủi ro tập trung: Vì các trình xác thực được chọn dựa trên lượng tiền điện tử mà họ nắm giữ, nên có rủi ro là các trình xác thực lớn hơn sẽ chiếm ưu thế hơn trong mạng, dẫn đến việc tập trung hóa. PoS yêu cầu trình xác thực duy trì một lượng tiền điện tử nhất định trong ví đặt cược. Điều này có thể dẫn đến việc tập trung hóa vì chỉ những người có đủ tiền mới có thể tham gia vào quá trình xác nhận, có khả năng loại trừ những người tham gia nhỏ hơn.
• Phân phối ban đầu: Việc phân phối tiền điện tử ban đầu có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính bảo mật và phân cấp của mạng PoS. Nếu một số ít người nắm giữ một tỷ lệ lớn trong tổng nguồn cung, điều đó có thể khiến mạng dễ bị tấn công hơn.
• Vấn đề không có gì bị đe dọa: Vấn đề "không có gì bị đe dọa" đề cập đến khả năng các trình xác thực trong hệ thống PoS xác thực nhiều phiên bản xung đột của blockchain. Điều này có thể xảy ra do trình xác thực không cần sử dụng tài nguyên tính toán đáng kể để xác thực giao dịch và tạo khối mới, không giống như trong các hệ thống PoW nơi công cụ khai thác phải thực hiện các phép tính phức tạp. Điều này có thể gây khó khăn cho việc đạt được sự đồng thuận và có thể dẫn đến mạng trở nên kém an toàn hơn.
  • Hãy tưởng tượng một cuộc bầu cử chính trị mà cử tri có thể bỏ phiếu cho nhiều ứng cử viên, và người chiến thắng là người nhận được nhiều phiếu bầu nhất. Tuy nhiên, không có hình phạt nào khi bỏ phiếu cho nhiều hơn một ứng cử viên và cử tri được khuyến khích bỏ phiếu cho tất cả những người đó. Trong kịch bản này, hệ thống bầu cử dễ gặp phải vấn đề "không có gì bị đe dọa" vì cử tri không có gì để mất khi bỏ phiếu cho tất cả các ứng cử viên.
    
  • Nếu trình xác thực trong hệ thống PoS được trình bày với hai phiên bản khác nhau của blockchain, mỗi phiên bản có lịch sử giao dịch khác nhau. Trong các trường hợp bình thường, trình xác thực sẽ chỉ xác thực phiên bản blockchain có nhiều công việc nhất (chuỗi dài nhất) được thực hiện trên đó, vì điều này cho thấy rằng hầu hết các tài nguyên tính toán đã được sử dụng để tạo ra nó. Tuy nhiên, trong hệ thống PoS, trình xác thực có khả năng xác thực cả hai phiên bản của blockchain, vì làm như vậy không yêu cầu bất kỳ tài nguyên tính toán bổ sung nào. Điều này dẫn đến tình huống blockchain được chia thành nhiều nhánh, mỗi nhánh có lịch sử giao dịch khác nhau.
• Các cuộc tấn công tầm xa: Trong mạng PoS, về mặt lý thuyết, những người xác thực có thể quay ngược thời gian và tạo một blockchain mới từ điểm trước đó, cho phép họ tạo các giao dịch gian lận. Đây được gọi là "cuộc tấn công tầm xa" và là một điểm yếu tiềm ẩn của PoS. Kẻ tấn công cố gắng viết lại toàn bộ lịch sử blockchain, cho phép chúng chi tiêu gấp đôi và có khả năng đánh cắp tiền. Một số ví dụ về các cuộc tấn công tầm xa bao gồm:
• Các cuộc tấn công sửa đổi lịch sử: Trong một cuộc tấn công sửa đổi lịch sử, kẻ tấn công tạo ra một chuỗi mới rẽ nhánh từ một điểm trước đó trong lịch sử của blockchain. Sau đó, họ làm việc để tạo ra một chuỗi dài hơn ban đầu, viết lại lịch sử của blockchain một cách hiệu quả.
• Các cuộc tấn công đánh cắp thời gian: Trong một cuộc tấn công đánh cắp thời gian, kẻ tấn công thao túng dấu thời gian của các giao dịch để tạo ra một nhánh trong lịch sử của blockchain.
• Thuật toán đồng thuận Proof of Work (PoW) cũng dễ bị tấn công tầm xa. Tuy nhiên, khả năng thành công của một cuộc tấn công tầm xa giảm dần theo thời gian khi chuỗi hợp pháp tiếp tục phát triển, khiến kẻ tấn công tốn kém hơn về mặt tính toán để tạo ra một chuỗi thay thế vượt qua chuỗi hợp pháp. Đây là lý do tại sao các hệ thống PoW thường yêu cầu thêm một số xác nhận (hoặc khối) nhất định vào chuỗi trước khi giao dịch được coi là cuối cùng và không thể đảo ngược.
• Khó nâng cấp: Không giống như PoW, có thể nâng cấp bằng cách thay đổi thuật toán khai thác, việc nâng cấp mạng PoS có thể khó khăn hơn. Điều này là do việc thay đổi cơ chế đồng thuận đòi hỏi phải có một hard fork, điều này có thể gây tranh cãi và dẫn đến sự chia rẽ trong cộng đồng.

Tấn công tầm xa

Cả PoW và PoS đều có thể dễ bị tấn công tầm xa, nhưng PoS có thể dễ bị tấn công hơn. Trong một cuộc tấn công tầm xa, kẻ tấn công có thể cố gắng sửa đổi lịch sử của blockchain bằng cách xây dựng lại nó từ một thời điểm trước đó, sau đó tạo ra một chuỗi thay thế dài hơn.

Trong PoW, kiểu tấn công này sẽ yêu cầu một lượng sức mạnh tính toán đáng kể để vượt qua thành công chuỗi hiện có và tạo ra một chuỗi dài hơn. Ngược lại, trong PoS, kẻ tấn công có số lượng cổ phần lớn có thể có khả năng tái tạo chuỗi từ thời điểm sớm hơn nhiều, sau đó tạo chuỗi dài hơn và do đó giành quyền kiểm soát mạng.

Một số ví dụ về các cuộc tấn công tầm xa có thể xảy ra trong mạng blockchain là:

• Tấn công lặp lại: Tấn công lặp lại là khi kẻ tấn công chặn các giao dịch hợp pháp trên blockchain và truyền lại chúng trên một mạng khác, khiến người nhận nhận được cùng một loại tiền điện tử hai lần. Cuộc tấn công này có thể xảy ra trong một đợt hard fork khi hai chuỗi có lịch sử giao dịch giống hệt nhau được tạo ra, cho phép kẻ tấn công chi tiêu gấp đôi số tiền trên cả hai chuỗi. Để ngăn chặn các cuộc tấn công lặp lại, các nhà phát triển có thể sử dụng các kỹ thuật như thêm số nhận dạng giao dịch duy nhất hoặc sử dụng các giao thức bảo vệ lặp lại. Chẳng hạn, nếu Alice gửi một bitcoin cho Bob trên một blockchain, kẻ tấn công có thể chặn giao dịch và thực hiện lại giao dịch đó trên một blockchain khác. Nếu Bob chấp nhận giao dịch trên blockchain thứ hai, anh ta sẽ nhận được một bitcoin từ cả Alice và kẻ tấn công, và kẻ tấn công có thể rút bitcoin ban đầu từ blockchain đầu tiên trước khi mạng nhận ra chi tiêu gấp đôi.
• Các cuộc tấn công sửa đổi lịch sử: Kẻ tấn công có thể tạo một chuỗi mới rẽ nhánh từ một điểm trước đó trong lịch sử của blockchain và hoạt động để tạo ra một chuỗi dài hơn chuỗi ban đầu, viết lại lịch sử của blockchain một cách hiệu quả.
• Các cuộc tấn công đánh cắp thời gian: Kẻ tấn công có thể thao túng dấu thời gian của các giao dịch để tạo ra một nhánh trong lịch sử của blockchain.
• Các cuộc tấn công điểm kiểm tra: Cơ quan tập trung có thể tạo các điểm kiểm tra trong lịch sử của blockchain để ngăn chặn các cuộc tấn công tầm xa. Tuy nhiên, kẻ tấn công vẫn có thể cố gắng viết lại lịch sử blockchain trước điểm kiểm tra đầu tiên.

Các cuộc tấn công tầm xa vào blockchain có thể được ngăn chặn bằng các phương pháp khác nhau. Một cách tiếp cận là sử dụng các trạm kiểm soát trong đó cơ quan trung ương tạo các trạm kiểm soát trong lịch sử của blockchain để ngăn chặn các loại tấn công này, mặc dù điều này dẫn đến sự tập trung hóa mâu thuẫn với bản chất phi tập trung của blockchain. Các tiện ích cuối cùng cũng có thể được sử dụng để đảm bảo tính hợp lệ và tính hữu hạn của các khối, khiến những kẻ tấn công khó viết lại lịch sử của blockchain hơn. Ngoài ra, các giao thức Bằng chứng cổ phần được ủy quyền (DPoS) cho phép chủ sở hữu tiền xu ủy quyền biểu quyết của họ cho những người xác thực đáng tin cậy để tạo các khối mới, giảm khả năng xảy ra các cuộc tấn công tầm xa. Các kỹ thuật mã hóa như thêm số nhận dạng giao dịch duy nhất hoặc sử dụng các giao thức bảo vệ phát lại cũng có thể được sử dụng để ngăn kẻ tấn công phát lại các giao dịch trên các blockchain hoặc mạng khác nhau. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm của nó và các nhà phát triển phải cân nhắc sự đánh đổi để xác định phương pháp nào phù hợp nhất cho giao thức blockchain cụ thể của họ.

Tại sao Ethereum 2.0 chọn PoS?

Ethereum, loại tiền điện tử lớn thứ hai, đang trong quá trình nâng cấp lên Ethereum 2.0, bao gồm việc chuyển đổi từ cơ chế đồng thuận PoW sang cơ chế đồng thuận PoS. Việc chuyển sang PoS đã được triển khai vào năm 2022 vì nó mang lại khả năng bảo mật được cải thiện, mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn và hỗ trợ tốt hơn để triển khai các giải pháp mở rộng quy mô mới so với kiến trúc PoW trước đây. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập https://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos.

Tóm lại, Proof of Work (PoW) và Proof of Stake (PoS) đều là cơ chế đồng thuận được sử dụng trong công nghệ blockchain để đảm bảo tính hợp lệ của giao dịch và an ninh mạng. PoW được coi là an toàn nhất do khả năng phục hồi trước các cuộc tấn công nhưng có nhược điểm bao gồm mức tiêu thụ năng lượng cao và sức mạnh khai thác tập trung. PoS được phát triển để giải quyết các hạn chế của PoW, cung cấp giải pháp tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường hơn. Ethereum 2.0 đã chọn PoS làm cơ chế đồng thuận do các lợi ích của nó, chẳng hạn như cải thiện khả năng mở rộng, phân cấp và tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Tuy nhiên, PoS cũng có những thách thức của nó, chẳng hạn như khả năng tập trung quyền lực và yêu cầu tham gia mạng cao để bảo mật. Cuối cùng, việc lựa chọn giữa PoW và PoS phụ thuộc vào nhu cầu và mức độ ưu tiên cụ thể của mạng blockchain.