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

Chia sẻ:

Để đảm bảo tính hợp lệ của giao dịch, bảo mật blockchain dựa trên 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 dùng rộng rãi nhất là Proof of Work (PoW) và Proof of Stake (PoS). Bài này xem xét điểm mạnh, điểm yếu của từng cơ chế và lý do Ethereum 2.0 chọn PoS.

Bài viết bạn đang đọc là bản dịch Google của bài gốc tiếng Anh 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 gốc để hiểu chính xác và toàn diện hơn.

Proof of Work (Bằng chứng làm việc)

Bitcoin giới thiệu PoW; một số tiền điện tử khác áp dụng. Miner (thợ mỏ/người khai thác) giải bài toán phức tạp để xác thực giao dịch và nối khối mới. Người giải đầu tiên nhận tiền mới tạo và phí giao dịch.

Giống thợ mỏ vàng khai thác vàng từ quặng qua đá cứng và tinh chế, thợ mỏ PoW đối mặt khó khăn kỹ thuật. Thợ mỏ vàng thành công được trả theo lượng vàng thu được.

Ưu điểm của PoW

Ưu điểm của PoW:

Tính bảo mật cao: cơ chế an toàn nhất hiện nay nhờ mạnh mẽ và phục hồi trước tấn công, do sức mạnh tính toán cao.
Phi tập trung: nhiều thợ đào, nên một thực thể khó kiểm soát hoặc thao túng mạng.
Công bằng: nhiều người có thể tham gia, có cơ hội công bằng xác thực và kiếm thưởng. Nhiều sức mạnh tính toán hơn thì khả năng giải bài toán và thêm khối cao hơn.
Hồ sơ theo dõi đã chứng minh: dùng rộng rãi và thử nghiệm theo thời gian, đáng tin cậy.
Chống tấn công Sybil: danh tính giả cần sức mạnh tính toán đáng kể để xác thực giao dịch và thêm khối.

Nhược điểm của PoW

PoW có nhược điểm. Bitcoin chỉ là một trong nhiều loại tiền điện tử dùng PoW.
Tiêu thụ năng lượng cao: cần lượng lớn sức mạnh tính toán, gây tiêu thụ năng lượng cao và lo ngại môi trường. CoinShares ước tính 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: độ khó tăng khiến thợ đào nhỏ khó cạnh tranh với nhóm lớn, tập trung sức mạnh khai thác.
Tấn công 51%: một thực thể hoặc nhóm kiểm soát hơn 50% sức mạnh tính toán có thể thao túng giao dịch. Cointelegraph đưa tin Bitcoin Gold bị tấn công 51% vào tháng 5 năm 2018, bội chi khoảng 18 triệu đô la BTG; Bittrex loại đồng tiền khỏi danh sách.
Xử lý giao dịch chậm: yêu cầu tính toán cao làm chậm xử lý, nhất là khi mạng tắc nghẽn cao điểm.
Sử dụng tài nguyên không hiệu quả: PoW tiêu tốn năng lượng, gây lo ngại. Nghiên cứu Đại học Cambridge ước tính mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của Bitcoin nhiều hơn toàn bộ Argentina https://www.bbc.com/news/technology-56012952
Tác động môi trường: năng lượng khai thác Bitcoin góp phần phát thải khí nhà kính và biến đổi khí hậu. Nhu cầu năng lượng tăng có thể gây căng thẳng cho nguồn không 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 giải quyết một số hạn chế của PoW. Người xác thực giữ lượng tiền điện tử cụ thể trong ví "đặt cược". Họ được chọn để xác thực giao dịch và thêm khối theo số tiền điện tử nắm giữ.

Ví dụ thực tế tương tự PoS:

Biểu quyết trong họp cổ đông: quyền biểu quyết tỷ lệ với số cổ phần. Nhiều cổ phần hơn thì nhiều cổ phần và ảnh hưởng hơn.
Tiền đặt cọc thuê nhà: khoản cọc bảo đảm cho hư hỏng hoặc tiền thuê chưa trả. Khoản cọc thường tỷ lệ với tiền thuê hàng tháng, như cổ phần người xác thực tỷ lệ với tiền điện tử nắm giữ.
Danh tiếng trên thị trường trực tuyến: trên eBay hoặc Amazon, danh tiếng người bán dựa trên lịch sử bán hàng và đánh giá, là thế chấp cho sự đáng tin cậy và chất lượng.
Danh tiếng trên mạng xã hội: trên Twitter hoặc Instagram, danh tiếng người dùng dựa trên bài đăng và tương tác, là thế chấp cho sự đáng tin cậy và giá trị.

Tiền điện tử và nền tảng blockchain phổ biến dùng PoS:

Ethereum (ETH): lớn thứ hai theo vốn hóa thị trường; Ethereum 2.0 đang chuyển từ PoW sang PoS.
Cardano (ADA): nền tảng phi tập trung dùng PoS, thiết kế làm giải pháp thay thế an toàn và bền vững hơn PoW.
Polkadot (DOT): nền tảng đa chuỗi dùng PoS, cho phép tương tác giữa các mạng blockchain.
Binance Coin (BNB): do sàn Binance tạo; dùng PoS cho nhiều chức năng trên nền tảng.
Cosmos (ATOM): mạng phi tập trung gồm các blockchain độc lập dùng PoS, cho phép tương tác.
Tezos (XTZ): nền tảng dùng PoS, nhằm cung cấp giải pháp thay thế an toàn và hiệu quả hơn PoW.
Avalanche (AVAX): nền tảng phi tập trung xây dựng dApps, dùng PoS và xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây.

Ưu điểm của PoS

Ưu điểm của PoS:

Hiệu quả năng lượng: PoS dùng ít năng lượng hơn đáng kể, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí hơn. Theo Chỉ số tiêu thụ năng lượng Bitcoin của Digiconomist, mạng Bitcoin dùng PoW tiêu thụ khoảng 129,09 TWh mỗi năm tính đến tháng 3 năm 2023. Mạng Cardano dùng PoS ước tính khoảng 0,6 TWh mỗi năm, ít hơn đáng kể. Ethereum đang chuyển từ PoW sang PoS, dự kiến giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng. PoS tiết kiệm năng lượng hơn nhiều.
Giảm tập trung hóa: chọn người xác thực theo lượng tiền điện tử, không theo sức mạnh tính toán.
Gia tăng tham gia: người dùng kiếm thưởng bằng nắm giữ và đặt cược tiền điện tử.
Tính ổn định: đồng thuận dựa trên thỏa thuận các bên; thợ mỏ không cần cạnh tranh, giảm phân nhánh.
Quản trị: người xác thực có tiếng nói theo lượng tiền nắm giữ và cổ phần, cho phép quản trị phi tập trung.
Khả năng mở rộng: PoS xử lý nhiều giao dịch mỗi giây hơn. Theo blocktivity.info, EOS luôn trong nhóm blockchain hàng đầu về khối lượng và tốc độ, thường xử lý nhiều giao dịch mỗi giây hơn Bitcoin và Ethereum, hai mạng dùng PoW.

Nhược điểm của PoS

Nhược điểm của PoS:

Rủi ro tập trung: người xác thực lớn hơn có thể chiếm ưu thế. Ví đặt cược yêu cầu đủ tiền, nên có thể loại trừ người tham gia nhỏ.
Phân phối ban đầu: nếu số ít người giữ tỷ lệ lớn tổng nguồn cung, mạng dễ bị tấn công hơn.
Không có gì bị đe dọa: người xác thực có thể xác thực nhiều phiên bản xung đột vì không cần tài nguyên tính toán đáng kể, khác thợ mỏ PoW phải tính toán phức tạp. Điều này gây khó đồng thuận và làm mạng kém an toàn.
- Ví dụ: bầu cử cho phép bỏ phiếu cho nhiều ứng cử viên; người thắng có nhiều phiếu nhất; không có hình phạt khi bỏ phiếu cho nhiều hơn một người; cử tri được khuyến khích bỏ phiếu cho tất cả. Họ không mất gì.
- Nếu người xác thực thấy hai phiên bản blockchain với lịch sử khác nhau, bình thường họ chỉ xác thực phiên bản nhiều công việc nhất (chuỗi dài nhất). Trong PoS, họ có thể xác thực cả hai mà không cần thêm tài nguyên, khiến blockchain chia thành nhiều nhánh.
Tấn công tầm xa: người xác thực có thể quay ngược thời gian, tạo blockchain mới từ điểm trước đó, tạo giao dịch gian lận, chi tiêu gấp đôi và đánh cắp tiền. Đây là điểm yếu tiềm ẩn của PoS. Kẻ tấn công cố viết lại toàn bộ lịch sử.
PoW cũng dễ bị tấn công tầm xa. Nhưng khả năng thành công giảm khi chuỗi hợp pháp tiếp tục phát triển, vì kẻ tấn công tốn nhiều tính toán hơn để tạo chuỗi thay thế vượt chuỗi hợp pháp. Vì vậy, PoW thường yêu cầu thêm số xác nhận (hoặc khối) trước khi giao dịch được coi là cuối cùng và không thể đảo ngược.
Khó nâng cấp: PoW có thể nâng cấp bằng cách đổi thuật toán khai thác; nâng cấp PoS khó hơn. Đổi cơ chế đồng thuận cần hard fork, có thể gây tranh cãi và chia rẽ cộng đồng.

Tấn công tầm xa

Cả PoW và PoS đều có thể bị tấn công tầm xa, nhưng PoS dễ bị hơn. Kẻ tấn công xây dựng lại blockchain từ thời điểm trước đó, rồi tạo chuỗi thay thế dài hơn.

Trong PoW, việc này cần lượng lớn sức mạnh tính toán để vượt chuỗi hiện có và tạo chuỗi dài hơn. Trong PoS, kẻ tấn công có nhiều cổ phần có thể tái tạo chuỗi từ thời điểm sớm hơn nhiều, tạo chuỗi dài hơn và giành quyền kiểm soát.

Ví dụ:

Tấn công lặp lại: kẻ tấn công chặn giao dịch hợp pháp và truyền lại trên mạng khác, khiến người nhận nhận cùng loại tiền hai lần. Tấn công có thể xảy ra trong hard fork khi hai chuỗi có lịch sử giống nhau, cho phép chi tiêu gấp đôi trên cả hai. Nhà phát triển có thể thêm số nhận dạng giao dịch duy nhất hoặc dùng giao thức bảo vệ lặp lại. Ví dụ: Alice gửi một bitcoin cho Bob; kẻ tấn công chặn và phát lại trên blockchain khác. Nếu Bob chấp nhận, anh ta nhận một bitcoin từ cả Alice và kẻ tấn công, và kẻ tấn công có thể rút bitcoin ban đầu trước khi mạng phát hiện chi tiêu gấp đôi.
Tấn công sửa đổi lịch sử: tạo chuỗi mới rẽ nhánh từ điểm trước đó, dài hơn chuỗi gốc, viết lại lịch sử.
Tấn công đánh cắp thời gian: thao túng dấu thời gian giao dịch để tạo nhánh trong lịch sử.
Tấn công điểm kiểm tra: cơ quan tập trung tạo điểm kiểm tra để ngăn tấn công tầm xa. Kẻ tấn công vẫn có thể viết lại lịch sử trước điểm kiểm tra đầu tiên.

Cách ngăn: điểm kiểm tra do cơ quan trung ương tạo cản trở tấn công nhưng thêm tập trung hóa, trái bản chất phi tập trung. Finality gadget đảm bảo tính hợp lệ và hữu hạn của khối, khiến viết lại lịch sử khó hơn. DPoS cho chủ sở hữu tiền ủy quyền biểu quyết cho người xác thực đáng tin cậy để tạo khối, giảm tấn công tầm xa. Kỹ thuật mã hóa như số nhận dạng giao dịch duy nhất hoặc giao thức bảo vệ phát lại ngăn phát lại giao dịch trên mạng khác. Mỗi phương pháp có đánh đổi; nhà phát triển phải cân nhắc để chọn phương pháp phù hợp.

Tại sao Ethereum 2.0 chọn PoS?

Ethereum, tiền điện tử lớn thứ hai, đang nâng cấp lên Ethereum 2.0, chuyển từ PoW sang PoS. Việc chuyển được triển khai năm 2022, mang lại bảo mật tốt hơn, tiêu thụ năng lượng thấp hơn và hỗ trợ tốt hơn cho giải pháp mở rộng mới so với PoW. Thông tin thêm tại https://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos.

PoW và PoS đều đảm bảo tính hợp lệ giao dịch và an ninh mạng. PoW được coi là an toàn nhất nhờ phục hồi trước tấn công, nhưng tiêu thụ năng lượng cao và tập trung sức mạnh khai thác. PoS giải quyết hạn chế này bằng giải pháp tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường hơn. Ethereum 2.0 chọn PoS vì cải thiện khả năng mở rộng, phân cấp và tiêu thụ năng lượng thấp hơn. PoS cũng có thách thức: tập trung quyền lực và yêu cầu tham gia mạng cao để bảo mật. Lựa chọn giữa PoW và PoS phụ thuộc nhu cầu và ưu tiên của mạng.