Proof of Work [PoW] là gì? Tông hợp thông tin về Proof of Work [PoW]

Sự ra đời của Bitcoin gắn liền với Proof of Work [PoW]. Kể từ khi được giới thiệu vào năm 2008, PoW hiện vẫn là một trong những thuật toán ứng dụng nhiều nhất trong các dự án tiền điện tử. Tuy nhiên trước sự phát triển của Proof of Stake [PoS], vị thế của PoW không còn vững chắc như lúc ban đầu. Thuật toán này dần bộc lộ nhược điểm về mức tiêu tốn năng lượng, tốn thời gian khai thác.

Thuật toán Proof of Work [PoW] là gì? 

Proof of Work [PoW] hay còn được biết đến với tên gọi bằng chứng công việc. Đây chính là thuật toán đầu tiên hình thành trong thế giới mạng Blockchain. PoW giữ nhiệm vụ xác nhận giao dịch, sản xuất các khối và lưu chúng vào cuốn sổ cái Blockchain.

Proof of Work [PoW] giữ một vai trò quan trọng trong quá trình khai thác coin

PoW giữ một vai trò quan trọng trong quá trình khai thác coin. Bitcoin được biết đến là dự án đi đầu trong việc ứng dụng PoW. Người tiên phong ra thuật toán này cũng đồng thời là “cha đẻ” của đồng Bitcoin, Satoshi Nakamoto.

Satoshi đã đề cập chi tiết PoW trong sách trắng Bitcoin. Tuy vậy, ông không phải là người trực tiếp sáng tạo ra Proof of Work bởi thuật toán đồng thuận này đã ra đời từ trước đó khá lâu.

Lịch sử ra đời của Proof of Work 

PoW lần đầu được đề xuất vào năm 1993 bởi hai nhà khoa học Cynthia Dwork và Moni Naor. Nhằm đối phó lại các cuộc tấn công, hành vi lạm dụng mạng internet. Đến năm 1999, Markus Jakobsson chính thức gọi tên thuật toán này bằng thuật ngữ “Proof of Work”. Tuy nhiên, cũng kể từ thời điểm đó PoW chưa thực sự khó ứng dụng nào quá nổi bật.

PoW lần đầu được đề xuất vào năm 1993 bởi hai nhà khoa học Cynthia Dwork và Moni Naor

Năm 2004, nhà khoa học máy tính chuyên về mật mã Hal Finney lại đề xuất một hệ thống mang tên RPoW, PoW đã được tái sử dụng. RPoW hoạt động theo cách thức nhận về một RPoW bất biến không thể thay đổi nếu chỉ dựa vào token proof of work. Quá trình này sau đó sẽ tạo ra một token có thể trao đổi giữa từng người dùng với nhau.

Có thể xem RPoW như một bước tạo tiền đề cho sự phát triển của nền công nghiệp tiền điện tử sau này. PoS bắt đầu được thế giới biết đến nhiều hơn khi Satoshi giới thiệu dự án tiền điện tử Bitcoin vào năm 2008. Ngày 12/10/2009, Hal Finney là người đầu tiên trên thế giới tham gia giao dịch Bitcoin khi nhận 10 BTC từ Satoshi Nakamoto.

Cơ chế hoạt động của Proof of Work 

Blockchain giống như xương sống của mỗi dự án tiền điện tử, nó gần tương tự như một cuốn sổ cái kỹ thuật. Giao dịch sẽ được gộp thành từng khối. Chúng như một tín hiệu xác nhận giao dịch. 

Sơ đồ mô tả cơ chế hoạt động của thuật toán Proof of Work 

Tiếp đó, người dùng lại tiếp tục tạo khối để đưa vào nhóm khối ứng viên (một node – nút mạng). Giao dịch chỉ hợp lệ khi khối ứng viên đó trở thành khối xác nhận. Có nghĩa khi đó giao dịch đã chính thức cập nhật vào mạng Blockchain.

Để tham gia vào quá trình tạo khối, PoS sẽ yêu cầu đội ngũ thợ đào đóng góp tài nguyên. Cụ thể ở đây chính là hệ thống máy tính sở hữu cấu hình mạnh cùng ganh đua giải các bài toán. Quy trình giải toán này còn gọi là băm dữ liệu.

Băm dữ liệu có thể hiểu là quá trình chuyển dữ liệu khối sang hàm băm để tạo thành một block hash. Mà mỗi block hash lại mang tính duy nhất, tương tự như dấu vân tay làm nhiệm vụ nhận diện dữ liệu đầu vào trên mỗi khối. Gần như không một bên tham gia nào có thể đảo ngược block hash để lấy hoặc điều chỉnh dữ liệu đầu vào.

Trong thuật toán PoW, người dùng cần phải cung cấp dữ liệu sở hữu block hash trùng khớp với những điều kiện cho trước. Dữ liệu cần đưa qua hàm băm nhằm kiểm tra xem nó có đúng với điều kiện cho trước hay không. 

Trong trường không khớp, người dùng phải điều chỉnh dữ liệu để tạo ra một block hash mới. Tuy nhiên việc thay đổi dù chỉ là một ký tự nhỏ nhất cũng sẽ ảnh hưởng đến kết quả.

Như vậy khi tham gia tạo khối giống như việc bạn đang tham gia một trò chơi. Khi đó, bạn cần thu thập tất cả các thông tin giao dịch và băm chúng lại với nhau. Nhưng cần nhớ rằng tập dữ liệu đó đều không thể thay đổi. Vậy nên, bạn cần bổ sung phần thông tin biến thiên. Dữ liệu biến thiên này có tên gọi nonce. Chính xác thì nonce sẽ cho phép người dùng thay đổi sau mỗi lần thử dẫn đến việc hình thành những hash khác nhau. Nói chung, toàn bộ quy trình này chính là đào coin.

Đào coin hiểu đơn giản là việc thu thập dữ liệu, tiến hành băm chúng cho đến khi xác định chính xác một hash. Khi đã tìm ra một hash thỏa mãn điều kiện cho trước quy định bởi từng giao thức, người dùng có quyền tạo khối mới.

Tỷ lệ băm hay Hash Rate càng cao thì độ khó trong khai thác lại càng tăng. Cơ chế này đảm bảo rằng các khối mới không tạo ra quá nhanh, kiềm chế mức lạm phát của loại coin đang tiến hành khai thác.

Cách thức chung để giải bài toán phức tạp PoW đề ra trên Blockchain 

PoW đề ra bài toán phức tạp, yêu cầu nhiều bước tính toán. Những bài toán này thường được giải theo 3 cách thức cơ bản.

• Hash Function – hàm băm: Giá trị đầu ra đã được định trước, việc của người dùng là xác định giá trị đầu vào.
• Integer Factorization – phân tích số nguyên: Mỗi chữ số đều bị phân tách thành những số nguyên nhỏ hơn. Sau đó, chúng sẽ được sử dụng trong hệ thống mã hóa public-key, tăng cường tính bảo mật cho toàn mạng.
• Guided tour puzzle protocol – giao thức giải toán: Khi hệ thống máy chủ nghi ngờ sắp có một cuộc tấn công, nó sẽ gửi yêu cầu xác định lại hàm băm. Quy trình này chính là tìm ra chuỗi tương ứng cho chuỗi giá trị hàm băm.

Khi một chuỗi khối trở nên lớn mạnh cũng sẽ kéo theo nhiều thách thức mới. Thuật toán khi đó cần thêm sự hỗ trợ của sức mạnh băm (hash power) để giải quyết những thách thức mới.

Tại sao quá trình giải toán PoW lại phức tạp?

Thời gian tạo khối thường bị kéo dài đối với những bài toán khó tìm lời giải. Nếu độ khó quá phức tạp, các giao dịch có nguy cơ bị đọng lại. 

Quá trình giải toán PoW phức tạp cốt yếu là để duy trì sự vận hành an toàn của hệ thống, kiềm chế lạm phát

Nói chung thời gian giải toán nhanh hay chậm điều ảnh hưởng trực tiếp đến việc hình thành các khối mới. Tuy nhiên nếu như việc giải toán quá dễ, số khối đại được tạo ra nhanh chóng, khiến loại coin khai thác không còn nhiều giá trị. Bên cạnh đó, mạng Blockchain sẽ dễ bị truy cập và tấn công.

Vậy nên, quá trình giải toán do PoW đề ra cần duy trì độ khó ở mức độ nào đó. Nhằm đảm bảo sự vận hành an toàn của hệ thống, kiềm chế lạm phát, tạo tính bình đẳng cho các node tham gia xác thực giao dịch.

Khái niệm về chi tiêu kép 

Chi tiêu kép có nghĩa cùng với một số tiền nhưng lại được chi tiêu đến 2 lần. Trong thế giới tiền điện tử, người dùng thường gặp khó khăn khi phải chi tiêu 2 lần cuối cùng một số tiền. 

Chi tiêu kép có nghĩa cùng với một số tiền nhưng lại được chi tiêu đến 2 lần

Chẳng hạn như: Bạn mình trả tiền cà phê cho nhân viên thu ngân của quán. Tuy nhiên nhân viên này lại khóa sổ, bạn sẽ không thể đến quán cà phê khác và trả một số tiền cuối hóa đơn tương tự.

Trong các mô hình tài sản kỹ thuật số, người dùng cần phải sao chép một tệp tin trước đó. tập tin này có thể gửi cho cùng lúc cho nhiều người.

Tiền kỹ thuật số đơn giản là dữ liệu. Chính vì vậy, người dùng cần ngăn chặn người khác có thể sao chép và tùy ý sử dụng cùng một đơn vị tiền tệ chi tiêu ở những nơi khác nhau. Nếu việc đó xảy ra, đồng tiền bạn đang sở hữu sẽ trở nên vô giá trị.

Tầm quan trọng của PoW đối với mạng Blockchain 

Blockchain là một hệ thống cơ sở dữ liệu quy mô lớn, nơi cho phép mọi người dùng theo dõi và cập nhật. Tại đây người dùng có thể kiểm tra xem số tiền của họ đã được sử dụng hay chưa. 

Sự ra đời của Proof of Work giải quyết thách thức đồng thuận trong một cộng đồng người dùng lớn

Ví dụ: Bạn và 2 người bạn nữa cùng có chung một cuốn sổ cái kế toán. Bất kỳ khi nào một trong 3 người chi tiêu thì đều sẽ phải ghi vào cuốn sổ cái đó. Chẳng hạn như A trả cho B 500k, B trả C 200k.

Tuy nhiên lại xuất hiện rắc rối mới khi cần xác định nguồn gốc của các khoản tiền đã chi tiêu. Vậy nếu như B trả C 200k thì 200k đó lấy từ đâu. Nếu muốn nhập dữ liệu cho chính xác, chúng ta phải nhập với nội dung như sau: B trả cho C 200k từ giao dịch trước đó với A.

Trong trường hợp B cố gắng thực hiện một giao dịch khác từ chính số tiền vừa gửi cho C, tất cả thành viên trong nhóm đều biết điều này. Và như vậy giao dịch sẽ không được thêm vào sổ cái.

Quá trình ghi chép như trên có vẻ rất đơn giản đối với một nhóm chỉ có vài thành viên và mọi người đều quen biết nhau. Vì thế việc đồng thuận không có gì là quá khó khăn. Tuy nhiên hãy thử tưởng tượng với một nhóm giao dịch có số lượng thành viên lên đến 10.000 người, liệu quá trình ghi chép và đồng thuận có còn dễ dàng. Chắc chắn là không, đặc biệt là khi mọi người không hề quen biết nhau thì làm sao họ có thể tin tưởng thực hiện giao dịch.

Trước thách thức trên, thuật toán đồng thuận PoW đã được ra đời. Nhằm đảm bảo rằng mọi thành viên không thể thực hiện chi tiêu đối với khoản tiền mà họ không sở hữu. Thông qua việc kết hợp giữa các kỹ thuật mã hóa, PoW hỗ trợ người dùng cập nhật sổ cái Blockchain theo quy tắc truyền thống một cách dễ dàng hơn.

Đánh giá ưu và nhược điểm của PoW 

Bất kỳ thuật toán đồng thuận nào ứng dụng trên Blockchain đều luôn tồn tại những ưu và nhược điểm nhất định. Với Proof of Work cũng hoàn toàn không phải ngoại lệ, đặc biệt là khi thuật toán này ra đời khá sớm so với PoS và một thủ thuật toán khác.

Ưu điểm

Nhờ có Proof of Work, hệ thống mạng Blockchain có thể đứng vững hơn trước các cuộc tấn công mạnh. Cơ chế này đảm bảo cho đội ngũ thợ đào “miner” không thể tạo khối giả trên chuỗi Blockchain. Trong trường hợp cố gắng để tạo ra gian lận, họ phải sử dụng đến một hệ thống tài nguyên máy tính khổng lồ, lôi kéo ít nhất 51% thành viên cùng tham gia đồng thuận tạo gian lận.

Proof of Work hỗ trợ và thúc đẩy sự tham gia của đội ngũ thợ đào

Proof of Work đã hỗ trợ và thúc đẩy sự tham gia của đội ngũ thợ đào. Họ là thành phần quan trọng trong hệ thống lúc xác nhận giao dịch, lưu chúng vào Blockchain. Khi tạo khối thành công họ cũng được thưởng một phần lợi nhuận.

Đặc biệt cơ chế đồng thuận này còn giúp thông tin trên mạng Blockchain đảm bảo tính minh bạch, khách quan. Bởi khi mình thực hiện bất kỳ thay đổi nào thì phải có sự đồng thuận của trên 50% thành viên tham gia (các node). Thực tế, các cuộc tấn công 51% vẫn có thể xảy ra nhưng tỷ lệ cực thấp.

Nhược điểm

Sau một thời gian triển khai, các nhà phát triển dự án tiền điện tử bắt đầu nhận thấy 3 nhược nhiệm chính trên PoW. Cụ thể là về mặt tiêu tốn năng, dễ tạo tính tập trung trong khai thác, nguy cơ bị hack vẫn hiện hữu.

Tiêu tốn năng lượng

Muốn trở thành một trong số các nút mạng tham gia xác thực giao dịch trong mạng lưới ứng dụng PoS, thợ nào cần phải đầu tư phần cứng cực khủng. Đó chính là dàn máy tính tốc độ cao, sở hữu cấu hình khủng. Tất nhiên điện năng mà chúng tiêu tốn không hề nhỏ chút nào.

Để vận hành mạng lưới Blockchain ứng dụng Proof of Work đòi hỏi tiêu tốn một lượng năng lượng khổng lồ

Bitcoin là một trong những Blockchain tiêu biểu ứng dụng PoW từ rất sớm. Một số nghiên cứu mới đây đã cho thấy mức năng lượng mà toàn bộ mạng Blockchain của bitcoin tiêu thụ có thể tương đương với 1 quốc gia nhỏ.

Mức tiêu thụ năng lượng khổng lồ dẫn đến hiện tượng phát thải khí CO2, nguyên nhân hàng đầu gây ra hiệu ứng nhà kính. Vậy nên, hầu hết những dự án tiền điện tử phát triển sau này đều có xu hướng chuyển sang PoS. Mới có thế này không yêu cầu mức tiêu thụ năng lượng khổng lồ như PoW.

Vô tình tạo tính tập trung khai thác

Khi khai thác những loại coin thục thuật toán Proof of Work, nút mạng nào sở hữu phần cứng càng mạnh thì lại càng có lợi thế lớn. Điều này đã vô tình tạo ra một cuộc chạy đua hình thành các nhóm chuyên khai thác trên quy mô lớn. Các cá nhân khi tham gia khai thác coin sẽ không có cơ hội cạnh tranh với những nhóm đào coin chuyên nghiệp này. Như vậy sân chơi mining coin PoW chủ yếu dành cho nhóm khai thác lớn.

Proof of Work vô tình tạo ra tính tập trung, độc quyền trong khai thác coin 

Theo như một thống kê độc lập vào năm 2018, trên thế giới có khoảng 6 nhóm đào Bitcoin có công suất khai thác lớn nhất. Trong số này có đến 5 nhóm thuộc quản lý của các cá nhân và doanh nghiệp tại Trung Quốc. Thế độc quyền này trong những năm gần đây vẫn chưa có dấu hiệu bị phá vỡ.

Vẫn có khả năng bị tấn công

Trên lý thuyết để thực hiện một thay đổi trên mạng lưới Blockchain, một trong hai bên kiểm soát phải thu thập ít nhất 51% đồng thuận. Thực tế, khả năng kiểm soát 51% toàn mạng lưới để thực hiện gian lận là không nhiều nhưng không có nghĩa là không thể xảy ra.

Các cuộc tấn công 51% vẫn có khả năng xảy ra đối với những nền tảng ứng dụng thuật toán khai thác PoW 

Trong lịch sử phát triển của thị trường tiền điện tử đã có không ít cuộc tấn công 51% diễn ra thành công, hiện các nền tảng tao dịch tổn thất nặng nề. Trong năm 2020, nhánh Ethereum Classic đã không ít lần phải đối mặt những cuộc tấn công 51% khiến cho nền tảng này phải thay đổi thuật toán khai thác. Mạng Verga cũng đã từng bị tấn công theo cơ chế này gây thiệt hại 35 triệu XVG tương đương với giá trị 1.75 triệu USD.

Proof of Work có thể bị thay thế hoàn toàn bởi Proof of Stake không? 

So với PoW, PoS ưu việt hơn hẳn về khả năng tiết kiệm năng lượng, xóa bỏ tình trạng độc quyền trong khai thác và khả năng bảo mật cũng được gia tăng. Những dự án tiền điện tử ra đời sau này đều ưu tiên ứng dụng PoS. Một số nền tảng ra đời trước đó như Ethereum đã bắt đầu dịch chuyển sang PoS.

Mạng Ethereum mới đây đã bắt đầu chuyển sang ứng dụng thuật toán khai thác Proof of Stake 

Không ai dám chắc PoS có thể thay thế hoàn thành cho PoW. Bởi bản thân thuật toán này cũng chưa thực sự hoàn hảo. Mạng Bitcoin hiện nay vẫn đang vận hành theo cơ chế PoW mặc dù vướng phải khó ít tranh cãi.

Muốn chuyển sang cơ chế đồng thuận Proof of Stake, mỗi nền tảng cần phải thực hiện thay đổi kỹ thuật toàn diện. Quy trình này không chỉ hao phí tiền của mà còn cần đến thời gian triển khai, thử nghiệm. Chính vì vậy trong tương lai gần, PoS chưa thể thay thế hoàn toàn cho PoW.

Tổng kết 

Proof of Work [PoW] là thuật toán đầu tiên được ứng dụng trong khai thác tiền điện tử. Mạng Bitcoin ra đời từ năm 2008 được xem như dự án tiên phong mở đường cho sự phát triển của PoW. Tuy nhiên theo thời gian, thuật toán khai thác này dần bộc lộ yếu điểm về mức tiêu tốn năng lượng, vô hình chung tạo thế độc quyền trong khai thác coin, nguy cơ đối mặt với các cuộc tấn công 51% vẫn hiện hữu.