Proof of Work (PoW) là gì? Tìm hiểu về khái niệm, ưu điểm, nhược điểm và sự khác nhau giữa cơ chế Proof of Work (PoW) Proof of Stake.
1. Cơ chế Proof of Work (PoW) là gì?
Tính phi tập trung là một phần quan trọng trong lĩnh vực blockchain. Để thực hiện được tính phi tập trung, cần phải có cách xác nhận giao dịch mà không cần sự tham gia của các tổ chức tài chính trung gian. Giải pháp đầu tiên cho thách thức này được gọi là cơ chế đồng thuận PoW.
PoW là viết tắt của Proof of Work, một khái niệm trong khoa học máy tính và mật mã. Proof of Work là một cơ chế đồng thuận blockchain trong đó sức mạnh tính toán được sử dụng để xác minh các giao dịch tiền điện tử và thêm chúng vào blockchain.
Cơ chế này cho phép blockchain tạo ra một hàm băm (một chuỗi ký tự dài) khớp với hàm băm mục tiêu cho khối hiện tại. Thợ đào thực hiện việc này sẽ giành được quyền thêm khối đó vào blockchain và nhận phần thưởng.
Cơ chế Proof of Work (PoW) mô tả một cơ chế đồng thuận đòi hỏi một lượng tài nguyên tính toán đáng kể từ một mạng lưới các thiết bị máy tính trên toàn cầu. Khái niệm này được Hal Finney áp dụng cho token kỹ thuật số vào năm 2004 thông qua ý tưởng về “cơ chế Proof of Work (PoW) có thể tái sử dụng” sử dụng thuật toán băm bảo mật 160-bit SHA-1.
Sau khi ra mắt vào năm 2009, Bitcoin trở thành ứng dụng đầu tiên được chấp nhận rộng rãi về ý tưởng PoW của Finney (Finney cũng là người nhận giao dịch Bitcoin đầu tiên). Cơ chế Proof of Work (PoW) cũng là nền tảng công nghệ của nhiều loại tiền điện tử khác, cho phép mạng lưới blockchain đạt được sự đồng thuận an toàn.
2. Blockchain Proof of Work (PoW) là gì?
Blockchain là sổ cái phân tán ghi lại tất cả các giao dịch. Tuy nhiên, không giống như cơ sở dữ liệu truyền thống, blockchain sử dụng mật mã để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu và ngăn chặn việc giả mạo thông tin. Blockchain hoạt động tương tự như cách nhập giao dịch vào bảng tính. Mỗi khối là một ô và các thông tin bao gồm số tiền giao dịch, địa chỉ ví, thời gian được ghi lại và mã hóa thành tiêu đề khối – một số thập lục phân được tạo thông qua hàm băm (hash) của blockchain.
Mã băm của mỗi khối được sẽ được sử dụng trong khối tiếp theo. Điều này tạo ra một chuỗi các khối liên kết với nhau, không thể bị thay đổi vì thông tin từ mọi khối trước đó đều được bao gồm trong mã băm của khối mới nhất.
Đây chính là lý do tại sao blockchain được coi là một hệ thống an toàn và đáng tin cậy, vì bất kỳ nỗ lực nào nhằm gian lận giao dịch đều sẽ bị phát hiện.
3. Lịch sử phát triển của cơ chế Proof of Work (PoW)
Vào năm 1999, Markus Jakobsson và Ari Juels đề xuất sáng kiến Bằng chứng Công việc (Proof of Work), đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực tiền điện tử. Đây là một cách thức mới để xác thực giao dịch trên mạng lưới blockchain phi tập trung. Ý tưởng ban đầu được thực hiện để xây dựng một hệ thống hoạt động trên nền tảng mạng P2P vốn có.
Jakobsson và Juels đã sử dụng kết hợp phương pháp băm (hashing) và Bằng chứng Công việc (PoW) để đạt được sự đồng thuận phi tập trung giữa các node về thứ tự giao dịch. Hệ thống này được gọi là “Bằng chứng Công việc” (PoW).
Ý tưởng này xuất phát từ mong muốn phi tập trung hóa quá trình xác thực giao dịch một cách tối đa. Điều này có nghĩa là mọi người tham gia đều có thể xác nhận giao dịch một cách hiệu quả mà không cần truy cập bất kỳ cơ sở dữ liệu trung tâm nào.
Ý tưởng sau đó được tinh chỉnh và triển khai trên mạng Bitcoin. Trên mạng lưới Bitcoin, thợ đào cần giải một bài toán toán học phức tạp trước khi thêm giao dịch vào blockchain và nhận phần thưởng. Bài toán được thiết kế để tốn rất nhiều sức mạnh tính toán, khiến cho việc một cá nhân đơn độc kiểm soát quá trình đào coin trở nên khó khăn. Điều này ngăn chặn một cá nhân chiếm đa số sức mạnh băm và kiểm soát giao dịch.
3. Phương thức đồng thuận của cơ chế Proof of Work (PoW) hoạt động như thế nào
Proof of Work (PoW) là một thuật toán đồng thuận cho phép mạng đồng ý về tính hợp lệ của các giao dịch. Một giao dịch trong blockchain cần phải được mạng xác thực để thực hiện trên mạng blockchain. Điều này có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Proof of Work (PoW) là phương pháp đầu tiên và phổ biến nhất. Trong phương pháp này, các thợ đào cạnh tranh với nhau để giải các bài toán phức tạp nhằm xác thực các giao dịch. Nếu thợ đào giải quyết các phương trình toán học này này nhanh nhất, họ sẽ được thưởng dưới dạng đồng coin mới được khai thác trên mạng lưới.
Mỗi loại tiền điện tử đều có một blockchain, là một sổ cái công khai được tạo thành từ các khối giao dịch. Với tiền điện tử cơ chế Proof of Work (PoW), mỗi khối giao dịch có một hàm băm cụ thể. Để khối được xác nhận, người khai thác tiền điện tử phải tạo ra hàm băm mục tiêu nhỏ hơn hoặc bằng giá trị băm của khối.
Để thực hiện điều này, thợ đào sử dụng các thiết bị khai thác để thực hiện các phép tính một cách nhanh chóng. Mục đích là trở thành người đầu tiên xác thực giao dịch thành công và nhận phần thưởng tiền điện tử.
4. Ưu điểm và nhược điểm của cơ chế Proof of Work (PoW)
4.1. Ưu điểm của cơ chế Proof of Work (PoW)
- Bảo mật cao: PoW giúp bảo mật mạng lưới blockchain bằng cách khiến việc tấn công mạng trở nên vô cùng khó khăn. Do yêu cầu tính toán cao, các hacker sẽ cần phải đầu tư rất nhiều chi phí và năng lượng để thực hiện một cuộc tấn công thành công.
- Tính phi tập trung: PoW giúp cho mạng lưới blockchain trở nên phi tập trung, nghĩa là không có một thực thể nào có thể kiểm soát được mạng lưới. Bất kỳ ai cũng có thể tham gia vào quá trình khai thác và xác minh giao dịch.
- Khả năng chống kiểm duyệt: PoW giúp chống lại việc kiểm duyệt giao dịch bởi vì các thợ đào có động lực để xác minh tất cả các giao dịch hợp lệ.
4.2. Nhược điểm
- Tiêu thụ năng lượng cao: Quá trình khai thác PoW tiêu tốn rất nhiều năng lượng, điều này có thể gây hại cho môi trường.
- Tốc độ giao dịch chậm: PoW có thể dẫn đến tốc độ giao dịch chậm hơn so với các cơ chế đồng thuận khác.
- Chi phí khai thác cao: Việc tham gia khai thác PoW có thể tốn kém do yêu cầu về phần cứng và năng lượng cao.
- Nguy cơ tập trung hóa: Do chi phí khai thác cao, có thể dẫn đến việc một số nhóm thợ đào lớn có thể kiểm soát phần lớn sức mạnh khai thác và ảnh hưởng đến mạng lưới.
3. Một số thuật ngữ về công nghệ Proof of Work (PoW)
3.1. Băm (Hash)
Băm (Hash) phải được xác minh trước khi có thể tạo một khối mới. Băm là một hàm toán học được sử dụng để tạo ra số thập lục phân được mã hóa bao gồm 64 ký tự. Hash đóng vai trò quan trọng trong việc bảo mật và đảm bảo tính toàn vẹn của blockchain.
3.2. Nonce
Nonce, viết tắt của “number used once”, là một số đặc biệt được gán cho một khối trong blockchain trong quá trình đào coin. Nó là một phần thiết yếu của cơ chế đồng thuận bằng chứng công việc (PoW).
Nonce, đóng vai trò như một câu đố mật mã, là một biến mà thợ đào cần tìm để tạo ra giá trị băm đáp ứng các yêu cầu cụ thể. Các thợ đào tiếp tục thay đổi số nonce cho đến khi họ tìm thấy một hàm băm sở hữu các thuộc tính cần thiết. Quá trình lặp đi lặp lại này, được gọi là đào coin, giúp đảm bảo tính bảo mật của blockchain.
3.3. Giải Hàm Băm (Solving the Hash)
Nếu băm nhỏ hơn mục tiêu mạng hiện tại, thợ đào đã giải băm thành công. Mục tiêu mạng là kết quả toán học của một công thức được chuyển đổi thành số thập lục phân, quy định độ khó đào.
Nếu băm lớn hơn mục tiêu, chương trình đào sẽ cộng thêm 1 vào nonce và tạo lại băm. Toàn bộ mạng lưới thợ đào cố gắng giải hàm băm theo cách này. Trên blockchain Bitcoin, thợ đào giải được hàm băm sẽ nhận được phần thưởng tương ứng cho công việc đã thực hiện.
4. Sự khác nhau giữa cơ chế Proof of Work (PoW) so với cơ chế Proof of Stake (PoS)
Cơ chế Proof of Work (PoW) là cơ chế đồng thuận tiền điện tử đầu tiên. Một giải pháp thay thế, cơ chế Proof of Stake, xuất hiện vào năm 2012 với sự ra mắt của Peercoin. Proof of Stake là cơ chế đồng thuận chọn validator giao dịch dựa trên số lượng token họ đã staking hoặc khóa vào mạng.
Cơ chế Proof of Stake không yêu cầu nhiều sức mạnh tính toán như cơ chế Proof of Work (PoW) nên nó có khả năng mở rộng cao hơn. Ngoài ra, Proof of Stake cũng có thể xử lý các giao dịch nhanh hơn với mức phí thấp hơn và sử dụng ít năng lượng hơn, điều này khiến cho các dự án tiền điện tử sử dụng cơ chế Proof of Stake trở nên thân thiện với môi trường hơn. Việc staking tiền điện tử cũng dễ dàng hơn nhiều so với việc đào coin vì quá trình staking không yêu cầu các thiết bị tính toán đắt tiền.
Tuy nhiên, cơ chế Proof of Work (PoW) được chứng minh là có mức độ bảo mật cao hơn. Một vấn đề tiềm ẩn với cơ chế Proof of Stake là các bên nắm giữ lượng tiền điện tử lớn có thể có thể nắm quyền kiểm soát mạng lưới, đây là vấn đề mà cơ chế Proof of Work không gặp phải.
Dưới đây là một số điểm khác biệt chính giữa hai phương pháp này.
4.1. Cơ chế Proof of Work (PoW):
- Quá trình xác thực được thực hiện bởi một mạng lưới thợ đào
- Thợ đào xác thực giao dịch thành công được nhận phần thưởng dưới dạng coin và phí giao dịch
- Tính cạnh tranh sử dụng nhiều năng lượng và sức mạnh tính toán
4.2. Cơ chế Proof of Stake (PoS):
- Quá trình xác thực được thực hiện bởi những người tham gia staking token (validator)
- Các validator nhận được phần thưởng cho việc staking và bảo mật mạng lưới
- Ít sử dụng sức mạnh tính toán và năng lượng hơn
5. Đặc điểm của cơ chế Proof of Work (PoW)
5.1. Cạnh tranh trong việc đào coin
Đào coin là một quá trình cạnh tranh, vì vậy nó đã trở thành cuộc đua giữa những người có sức mạnh tính toán mạnh nhất. Do đó, các thợ đào tham gia các nhóm đào (pool) để tăng cơ hội nhận được phần thưởng.
5.2. Mức độ tiêu thụ năng lượng
Cơ chế Proof of Work (PoW) cũng được biết đến với việc tiêu thụ năng lượng một cách tốn kém. Theo báo cáo của Đại học Cambridge, mạng lưới Bitcoin sử dụng năng lượng ngang bằng một số quốc gia nhỏ; tuy nhiên, các mạng dữ liệu công nghiệp và trung tâm dữ liệu sử dụng nhiều năng lượng hơn nhiều so với mạng Bitcoin.
Cơ chế Proof of Work (PoW) cũng là một phương thức xác thực chậm hơn nhiều so với các cơ chế khác. Ví dụ, mạng lưới Bitcoin, một trong các blockchain Proof of Work (PoW) có tốc độ xử lý giao dịch chậm hơn nhiều so với các blockchain Proof of Stake. Bitcoin duy trì thời gian tạo khối trung bình là 10 phút. Trong khi đó, thời gian tạo khối trên mạng Ethereum (sử dụng cơ chế Proof of Stake), chỉ mất trung bình 12 giây.
6. Ví dụ về cơ chế Proof of Work (PoW)
Dưới đây là một ví dụ về cách Bitcoin sử dụng cơ chế Proof of Work (PoW) để duy trì tính toàn vẹn của blockchain.
Khi các giao dịch Bitcoin diễn ra, chúng sẽ trải qua quá trình xác minh bảo mật và được nhóm thành một khối để khai thác. Thuật toán cơ chế Proof of Work (PoW) của Bitcoin sau đó tạo ra hàm băm cho khối. Thuật toán Bitcoin sử dụng được gọi là SHA-256 và nó luôn tạo ra các hàm băm có 64 ký tự.
Những người khai thác sẽ cạnh tranh với nhau để trở thành người đầu tiên tạo ra hàm băm mục tiêu thấp hơn hàm băm khối. Người chiến thắng sẽ thêm khối giao dịch mới nhất vào blockchain của Bitcoin. Họ cũng nhận được phần thưởng Bitcoin dưới dạng một đồng coin mới được mint trên mạng lưới.
Thuật toán cơ chế Proof of Work (PoW) được Bitcoin sử dụng nhằm mục đích thêm một khối mới cứ sau 10 phút. Để làm được điều này, mạng lưới sẽ điều chỉnh độ khó của việc khai thác Bitcoin tùy thuộc vào tốc độ các thợ mỏ thêm khối khối mới. Nếu quá trình khai thác diễn ra quá nhanh, việc tính toán hàm băm sẽ trở nên khó khăn hơn. Nếu tốc độ khai thác diễn ra quá chậm, việc tính toán và đào coin sẽ trở nên dễ dàng hơn.
7. Tổng kết
Thuật toán Proof of Work (PoW) là một cơ chế đồng thuận phụ thuộc vào việc tiêu tốn sức mạnh tính toán để xác thực các giao dịch trên blockchain và thưởng token cho các thợ đào tham gia vào mạng lưới. Cơ chế này khác với giao thức Proof of Stake (PoS), phụ thuộc vào việc sở hữu token để xác thực và bảo mật mạng.
Proof of Work (PoW) được sử dụng như một cơ chế khuyến khích cho các thợ đào để đảm bảo rằng tất cả các node có thể duy trì tính bảo mật và đạt được sự đồng thuận về trạng thái của mạng blockchain. Proof of Work (PoW) là thuật toán phổ biến nhất hiện nay và được sử dụng xử lý các giao dịch trên các mạng lưới blockchain như Bitcoin, Litecoin, Dogecoin,…
Tìm hiểu thêm:
Blockchain là gì? Tìm hiểu về Blockchain dưới góc nhìn đầu tư Crypto
Đào Bitcoin Là Gì? Cách Đào Bitcoin Chi Tiết Nhất 2024
Proof of Stake là gì? Tìm hiểu về thuật toán đồng thuận PoS
