Thuật toán đồng thuận là một thủ tục được sử dụng trong khoa học máy tính trong đó những người tham gia mạng thống nhất về trạng thái của mạng hoặc trạng thái của một giá trị dữ liệu đơn lẻ và thiết lập niềm tin giữa các đồng nghiệp không xác định trong mạng. 

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

Đừng để bản chất kỹ thuật của bài viết này làm bạn bối rối– việc tìm kiếm “sự đồng thuận” ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta– đó là một quan niệm rất con người, nhưng chỉ được áp dụng cho một thứ gì đó có thể được 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 tâm. 

Trong các hệ thống phi tập trung như Bitcoin, chúng tôi có một mạng bao gồm hàng trăm, hàng nghìn và thậm chí hàng trăm nghìn công cụ khai thác 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 các thành viên, Alex, giới thiệu 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 ấy không (kết quả sẽ là “sự đồng thuận”) 

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

Kevin: “Ừ, anh chàng tuyệt vời. Làm thế nào bạn gặp anh ấy?

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

Kevin: “Tuyệt, nhưng các meme của anh ấy cực kỳ kỳ lạ.”

John: “Bạn không hiểu văn hóa meme.”

José: “Vâng, bạn không dành nhiều thời gian để lướt qua TikTok—Tôi nghĩ chúng khá hài hước.”

Trong ví dụ này, một “sự đồng thuận” đã đạt được về việc liệu Bob có hòa nhập tốt với nhóm bạn hay không. thường có một sự đồng thuận cần thiết về quan điểm ngay cả khi không có các cam kết hoặc hợp đồng cụ thể được thực hiện. Một người tham gia, Kevin, miễn cưỡng về việc cho Bob vào nhóm, nhưng José, Alex và John rất tuyệt với Bob.

Trong trường hợp này, nếu chúng ta hệ thống hóa ví dụ trên thành một thuật toán đồng thuận: Thì sẽ có 3 câu “anh ấy rất tuyệt” và 1 “anh ấy rất tuyệt nhưng tôi không chắc về XYZ” vẫn dẫn đến kết quả là “anh ấy rất tuyệt”. Phần lớn thắng, vì vậy Bob sẽ đi chơi với những đứa trẻ tuyệt vời bất chấp ý kiến ​​​​của Kevin. 

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

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

Bằng chứng về công việc là gì?

Proof of Work (PoW) là thuật toán đồng thuận phổ biến nhất và lâu đời nhất đi kèm với việc tạo ra Bitcoin vào năm 2009 bởi Satoshi Nakamoto. Một hệ thống PoW bao gồm một mạng lưới toàn cầu gồm những người khai thác—được gọi là các nút mạng— cạnh tranh để giải các câu đố toán học. Người khai thác giải thành công câu đố sẽ giành được quyền thêm một khối mới vào chuỗi khối và nhận phần thưởng được trả bằng tiền điện tử mới được tạo. 

Bằng chứng về công việc về cơ bản là cách của người khai thác đưa ra bằng chứng rằng họ đã cung cấp sức mạnh tính toán để đạt được sự đồng thuận của mạng và xác thực tính xác thực của từng khối. Hơn nữa, mỗi khối (giao dịch) được sắp xếp theo thứ tự tuần tự, loại bỏ nguy cơ chi tiêu gấp đôi.

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

Khi một người khai thác giải được một câu đố, anh ta tìm thấy một khâm mạng (viết tắt của số được sử dụng một lần) tạo ra hàm băm có giá trị thấp hơn hoặc bằng giá trị do độ khó của mạng đặt. 

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

Nhược điểm của PoW

Những người khai thác cần cung cấp sức mạnh tính toán đáng kể để giải các câu đố. Nhưng vì quá trình tính toán rất phức tạp nên lượng năng lượng mà một Antminer S9 tiêu thụ thường nằm trong khoảng 1400 – 1500 watt mỗi giờ với tốc độ băm là 14.5 TH/s. S19, một phiên bản mạnh mẽ hơn, tiêu thụ 3250 watt mỗi giờ với tốc độ băm 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 giàn khai thác ở một địa điểm hàng ngày. Tiêu thụ năng lượng cao và hủy hoại môi trường là những lời chỉ trích chính rút ra từ bằng chứng công việc. 

Nói một cách dễ hiểu, trước khi Ethereum chuyển sang Proof of Stake, những người khai thác Ethereum trên toàn thế giới đã tiêu thụ khoảng 10 TWh/năm, giống như ở Cộng hòa Séc.

Tiếng ồn lớn cũng gây hại cho thính giác của con người—trên 80 dBa. Đây là lý do tại sao các giàn khai thác thường được giữ trong tầng hầm hoặc cơ sở khai thác để tránh làm phiền các hoạt động hàng ngày.

Proof of Stake là gì?

Proof of Stake (PoS) là thuật toán đồng thuận phổ biến thứ hai. Thay vì các công cụ khai thác, các chuỗi khối PoS có các trình xác nhận mạng sử dụng tiền/mã thông báo của họ làm bằng chứng cho cam kết của họ với mạng thay vì sức mạnh tính toán. 

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

PoW so với PoS: Sự khác biệt chính

Trong PoS, người dùng có thể đặt cược một phần tài sản của họ với mục đích duy nhất là tạo thu nhập thụ động. Tùy chọn khác đang trở thành trình xác thực. Không giống như các hệ thống PoW, trình xác thực không cạnh tranh để tạo khối mới vì chúng được thuật toán chọn ngẫu nhiên. Cổ phần của người dùng càng nhiều xu/mã thông báo thì cơ hội trở thành người xác thực và tạo khối mới trong chuỗi khối của họ càng cao. 

Trong các hệ thống PoW, thời gian tạo khối mới được xác định bởi độ khó khai thác; càng nhiều người tham gia vào mạng thì hashpower 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 vị trí —thời gian cần thiết để tạo một khối— và các kỷ nguyên, là đơn vị thời gian bao gồm các vị trí. 

Để giải thích điều này rõ hơn, một vị trí trong Ethereum bao gồm 12 giây, là khoảng thời gian cần thiết để mạng tạo một khối và 32 vị trí tạo ra một kỷ nguyên. Do đó, một kỷ nguyên là 6.4 phút. Mỗi vị trí trong chuỗi khối PoS có một số lượng trình xác nhận được xác định trước, những người bỏ phiếu về tính hợp lệ của khối được đề xuất. Nếu khối hợp lệ, khối đó sẽ được thêm vào chuỗi và người đề xuất khối cũng như người chứng thực sẽ nhận được 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 theo kiểu 51%, được gọi là cắt giảm, trong đó những người xác thực trung thực loại bỏ trình xác nhận độc hại khỏi mạng và rút số dư của họ. Điều này không khuyến khích các tác nhân độc hại tấn công mạng vì số lượng tiền đặt cược cần thiết là khá cao. Trong trường hợp của Ethereum, 32 ETH.

Ưu điểm của PoS:

• Ít tốn năng lượng hơn so với PoW
• Phù hợp hơn để làm việc với các giải pháp lớp 2 so với PoW
• Có khả năng đạt được thông lượng cao hơn do sự đồng thuận được thiết lập trước khi các khối được thông qua.
• Ít tốn kém hơn so với các chuỗi khối PoW vì nó không yêu cầu phần cứng ưu tú để tạo các khối mới.

Nhược điểm của PoS

• Các hệ thống PoS vẫn có thể tập trung hóa nếu trình xác thực có số lượng lớn mã thông báo được đặt cọc có thể ảnh hưởng đến mạng. 
• Ít được chứng minh về mặt bảo mật so với các chuỗi khối PoW.

Bằng chứng về lịch sử là gì?

Proof of History (PoH) là một thuật toán đồng thuận được trình bày bởi chuỗi khối Solana và bao gồm việc đặt dấu thời gian cho tất cả các sự kiện trên mạng để chứng minh rằng chúng đã diễn 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 phương pháp tiếp cận PoH với PoS. Do đó, những người tham gia mạng phải đặt cược SOL để trở thành người xác thực và xử lý các khối mới và cơ chế PoH xác minh tính hợp lệ của các giao dịch đó diễn ra trong thời gian thực. Nói cách khác, PoH duy trì tính bảo mật, trong khi PoS mang đến một mạng lưới các trình xác thực có thể xác minh dấu thời gian và xác nhận giao dịch.

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

Mặc dù Solana là một trong những chuỗi khối nhanh nhất trong ngành, nhưng nó thường xuyên bị ngừng hoạt động. Kể từ khi ra mắt vào năm 2020, mạng đã trải qua khoảng 2022 lần ngừng hoạt động, XNUMX trong số đó xảy ra vào năm XNUMX. Lý do chính của những lần ngừng hoạt động này là do “nút được định cấu hình sai”.

Bằng chứng cổ phần được ủy quyền là gì?

Bằng chứng 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 cộng đồng đóng góp tiền điện tử của họ để bỏ phiếu cho các nhân chứng hoặc đại biểu tiếp theo cho việc sản xuất khối. Để làm điều này, người dùng phải gộp các mã thông báo của họ vào nhóm đặt cược của chuỗi khối và sau đó liên kết tiền với một đại biểu được chỉ định. 

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

Tuy nhiên, những lời chỉ trích dành cho DPoS là phương pháp của nó có lợi cho người dùng giàu có. Những người có số lượng lớn mã thông báo có thể có ảnh hưởng lớn hơn trong mạng. Vitalik Buterin là một trong những người đầu tiên gièm pha DPoS, tuyên bố trong một blog đăng bài rằng thuật toán đồng thuận này khuyến khích các nhân chứng thành lập các tập đoàn và mua chuộc cử tri để được hỗ trợ.

Bằng chứng về thẩm quyền là gì?

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

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

Trong một chuỗi khối PoA, mọi thứ đều là về danh tiếng — những người tham gia mạng đang đặt cược danh tính của họ thay vì tiền xu. Chúng cung cấp khả năng mở rộng và thông lượng cao hơn vì nó chỉ dựa vào một số lượng trình xác thực hạn chế. Chúng tôi có thể nghĩ rằng đây là một mô hình tập trung cao độ, 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 doanh nghiệp và hệ thống vận hành. 

Bằng chứng về thời gian đã trôi qua là gì?

Proof of Elapsed Time (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 trình bày bởi các nhà phát triển phần mềm Intel và được triển khai để Răng cưa Hyperledger, được nhắm mục tiêu vào các tổ chức và chuỗi khối riêng tư.

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

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

Câu hỏi thường gặp về thuật toán đồng thuận: 

Ethereum sẽ trở nên nhanh hơn khi nó đã chuyển đổi sang PoS?

Một quan niệm sai lầm phổ biến là Ethereum sẽ tự động mở rộng quy mô ngay bây giờ vì nó là một chuỗi khối dựa trên PoS. Tuy nhiên, quá trình chuyển đổi này đã được thực hiện để tăng cường Ethereum bằng cách:

• Giảm tiêu thụ năng lượng
• Hạ thấp các rào cản gia nhập bằng cách loại bỏ các yêu cầu phần cứng
• Cho phép xử phạt kinh tế đối với hành vi sai trái của nút
• Giới thiệu một mô hình mới để phát hành mã thông báo 
• Và một cơ sở hạ tầng tốt hơn để hoạt động với các giải pháp Ethereum Layer-2.

Chuỗi khối không được phép và được phép là gì?: 

Chuỗi khối không được phép đề cập đến một chuỗi khối công khai trong đó bất kỳ ai cũng có thể thực hiện giao dịch, xem lại lịch sử giao dịch, đặt cọc tiền, trở thành người xác thực, v.v. Mặt khác, trong các chuỗi khối được phép (riêng tư), chỉ những thành viên được phép 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.

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

Suy nghĩ cuối cùng: giải thích thuật toán đồng thuận

Blockchain là một công nghệ có khả năng giải quyết nhiều thách thức và điểm yếu trong các ngành khác nhau, không chỉ ngân hàng và tài chính. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm riêng. Do đó, các nhà phát triển đã tạo ra nhiều loại và phiên bản thuật toán đồng thuận 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: Bộ ba bất khả thi của chuỗi khối. Lần đầu tiên được Vitalik Buterin vạch ra, nó nêu rõ sự bất lực của các mạng blockchain trong việc cung cấp hai trong số ba lợi ích: phân cấp, bảo mật và khả năng mở rộng. Có một số nền tảng blockchain, như Fantom và Solana, đã triển khai các phiên bản thuật toán đồng thuận kết hợp của riêng họ trong nỗ lực giải quyết bộ ba bất khả thi của chuỗi khối, nhưng cho đến nay chưa có phiên bản nào 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 lớp 2, là các chuỗi được kết nối với lớp 1, ví dụ: Arbitrum với Ethereum và sharding, phân chia toàn bộ chuỗi khối thành nhiều mạng nhỏ hơn. buterin cho là sharding là cách tiếp cận tốt nhất để cung cấp ba thuộc tính của một chuỗi khối hoàn hảo.