Hiểu biết về Bằng chứng công việc: Nền tảng bảo mật đứng sau Bitcoin và Blockchain

Tại sao chúng ta không thể chỉ sao chép Tiền kỹ thuật số?

Vấn đề cơ bản với tiền kỹ thuật số là: không giống như tiền mặt vật lý, dữ liệu kỹ thuật số có thể được sao chép vô hạn. Nếu bạn có thể sao chép và dán các tệp Bitcoin của mình, bạn có thể gửi cùng một đồng tiền cho nhiều người—một kịch bản được gọi là cuộc tấn công chi tiêu gấp đôi. Điều này sẽ ngay lập tức sụp đổ bất kỳ hệ thống thanh toán kỹ thuật số nào.

Tiền mặt không gặp phải vấn đề này. Khi bạn đưa một tờ $20 cho một nhân viên thu ngân, bạn sẽ mất quyền sở hữu nó một cách vật lý. Điều này không thể nói về các giao dịch kỹ thuật số. Nếu không có một cơ chế bảo mật mạnh mẽ, ai đó có thể lý thuyết chi tiêu cùng một tài sản kỹ thuật số hai lần, ở hai nơi khác nhau, đồng thời.

Đây chính là vấn đề mà Proof of Work (PoW) được thiết kế để giải quyết.

Proof of Work là gì?

Bằng chứng công việc là một cơ chế đồng thuận cho phép một mạng lưới các cá nhân độc lập đồng ý về trạng thái của một sổ cái chia sẻ mà không cần phải tin tưởng vào một quyền lực trung ương. Thay vì dựa vào một ngân hàng hoặc chính phủ để ngăn chặn các giao dịch gian lận, mạng lưới sử dụng các câu đố tính toán và lý thuyết trò chơi để khiến sự không trung thực trở nên tốn kém quá mức.

Bitcoin đã giới thiệu PoW vào thế giới tiền kỹ thuật số vào năm 2008, nhưng khái niệm này đã có trước cả tiền kỹ thuật số. Thuật toán HashCash của Adam Back, được tạo ra vào những năm 1990, đã sử dụng các khái niệm chứng minh tính toán tương tự để chống lại spam email. Nguyên tắc vẫn không thay đổi: yêu cầu chứng minh công việc trước khi chấp nhận một thứ gì đó có giá trị.

Cơ chế: Cách mà khai thác thực sự hoạt động

Hãy tưởng tượng một sổ cái chia sẻ mà mọi người trong một mạng lưới duy trì. Khi các giao dịch xảy ra, chúng được phát sóng tới mạng lưới và nhóm lại thành các khối. Nhưng trước khi những khối này được thêm vào chuỗi khối, chúng phải được xác minh thông qua việc khai thác.

Các thợ mỏ thu thập các giao dịch đang chờ xử lý và gộp chúng vào một khối ứng viên. Sau đó là công việc tính toán: họ phải chạy dữ liệu của khối qua một hàm băm mật mã nhiều lần, thay đổi một số biến được gọi là nonce với mỗi lần thử, cho đến khi họ tạo ra một băm thỏa mãn yêu cầu độ khó của mạng.

Điều này tốn kém về mặt tính toán. Các thợ mỏ phải thực hiện hàng triệu triệu phép tính băm, tiêu tốn một lượng điện và sức mạnh xử lý đáng kể. Tuy nhiên, khi họ cuối cùng phát hiện ra một băm hợp lệ, họ phát đi nó đến mạng lưới và nhận được phần thưởng—tiền kỹ thuật số mới được tạo ra cộng với phí giao dịch.

Phần thanh lịch? Xác minh rằng băm là điều đơn giản. Các thành viên khác trong mạng chỉ cần lấy khối chiến thắng và chạy nó qua cùng một hàm băm để xác nhận giải pháp. Nếu đầu ra khớp, khối đó là hợp lệ. Sự bất đối xứng này—đắt để sản xuất, rẻ để xác minh—là trung tâm của sự an toàn của PoW.

Tại sao thiết kế này khiến việc gian lận trở nên vô nghĩa

Giả sử một thợ mỏ cố gắng bao gồm các giao dịch gian lận trong khối của họ. Hai vấn đề ngay lập tức phát sinh:

Đầu tiên, mật mã khóa công khai ngăn chặn điều này. Người dùng ký giao dịch bằng khóa riêng; mạng xác minh chữ ký với khóa công khai. Nếu ai đó cố gắng chi tiêu số tiền họ không sở hữu hoặc chi tiêu nhiều hơn số họ có, các thành viên khác ngay lập tức từ chối giao dịch.

Thứ hai, ngay cả khi một thợ mỏ nào đó vượt qua các kiểm tra mã hóa, chi phí tính toán để tìm được một hash hợp lệ là rất lớn. Các thợ mỏ đầu tư vào các nguồn lực thực - điện, phần cứng - cho công việc này. Gian lận sẽ lãng phí những nguồn lực này mà không có phần thưởng nào, khiến nó trở nên vô lý về mặt kinh tế.

Kết quả: sự không trung thực trở nên tốn kém hơn sự trung thực. Các thợ mỏ lý trí điều chỉnh lợi ích của họ với sự an toàn của mạng vì hành động trung thực tạo ra lợi nhuận.

Độ khó khai thác điều chỉnh theo điều kiện mạng

Khi ngày càng nhiều thợ mỏ tham gia vào mạng lưới và sức mạnh tính toán tăng lên, độ khó của PoW tự động điều chỉnh. Giao thức đảm bảo rằng các khối được phát hiện với tốc độ nhất quán (khoảng 10 phút một lần đối với Bitcoin) bất kể tổng tỷ lệ băm của mạng lưới. Khi tỷ lệ băm tăng, độ khó của câu đố tăng lên. Khi nó giảm, độ khó giảm xuống. Sự điều chỉnh động này duy trì an ninh mà không để các khối được tìm thấy quá nhanh hoặc quá chậm.

Sự Đánh Đổi: An Ninh so với Tiêu Thụ Năng Lượng

Bảo mật của Proof of Work đi kèm với một chi phí—tiêu thụ điện năng. Các hoạt động khai thác Bitcoin tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể trên toàn cầu, gây ra những lo ngại về môi trường. Đó là lý do tại sao các cơ chế đồng thuận thay thế đã xuất hiện.

Bằng Chứng Cổ Phần: Một Cách Tiếp Cận Thay Thế

Chứng minh cổ phần (PoS) thay thế thợ mỏ bằng các xác thực. Thay vì giải quyết các câu đố tính toán, các xác thực được chọn ngẫu nhiên để đề xuất các khối dựa trên tiền điện tử mà họ đã khóa lại làm tài sản đảm bảo (gọi là “cổ phần”). Nếu họ hành động không trung thực, họ sẽ mất cổ phần của mình - một hình thức không khuyến khích tài chính thay thế cho công việc tính toán.

PoS tiêu tốn một phần năng lượng của PoW vì không cần các trang trại khai thác. Ethereum đã chuyển sang PoS vào năm 2022, chứng minh rằng các mạng blockchain quy mô lớn có thể hoạt động theo cách này.

Tuy nhiên, PoW giữ một lợi thế quan trọng: một hồ sơ đã được chứng minh. PoW của Bitcoin đã bảo vệ hàng triệu triệu đô la giao dịch trong hơn 15 năm mà không có một cuộc tấn công thành công nào. Trong khi PoS cho thấy triển vọng, nó chưa trải qua thử nghiệm trong thực tế kéo dài hàng thập kỷ, để lại nhiều câu hỏi về các đảm bảo an ninh lâu dài của nó.

Kết luận

Bằng chứng công việc vẫn là cơ chế đồng thuận được kiểm nghiệm nhiều nhất trong tiền điện tử. Bằng cách yêu cầu đầu tư tính toán đáng kể để thêm các khối và làm cho việc xác minh trở nên đơn giản, nó tạo ra một hệ thống trong đó hành vi trung thực có lợi nhuận và gian lận là không hợp lý về mặt kinh tế.

Đối với Bitcoin và nhiều mạng lưới khác, sự kết hợp tinh tế này giữa mật mã, lý thuyết trò chơi và các động lực kinh tế đã chứng minh là bền vững hơn so với các phương án thay thế. Liệu PoS có thể đạt được mức độ bảo mật tương đương cuối cùng hay không vẫn là một trong những câu hỏi mở quan trọng nhất của công nghệ blockchain.