Giải thích về chứng minh công việc: nền tảng của an ninh chuỗi khối

Nhanh chóng hiểu - Chứng minh công việc là cơ chế đồng thuận nhằm ngăn chặn việc sử dụng lại tài sản số - Cốt lõi của khai thác là xác minh giao dịch qua các bài toán tính toán khó khăn - Bitcoin và các tiền điện tử chính dựa vào proof of work để đảm bảo giao dịch không thể bị sửa đổi

Bắt đầu từ vấn đề: Tại sao cần chứng minh công việc

Tưởng tượng bạn có một khoản tiền mặt số, chỉ cần sao chép dán là có thể sao chép vô hạn. Đây chính là cơn ác mộng của thanh toán kỹ thuật số — giao dịch hai lần.

Trong thực tế, sau khi bạn mua sắm bằng tiền giấy, tiền sẽ chuyển cho người bán. Nhưng trong thế giới số, dữ liệu có thể sao chép tùy ý. Tiền điện tử bạn nhận được về lý thuyết có thể bị sao chép hàng trăm, hàng nghìn lần. Nếu không có cơ chế ngăn chặn điều này, toàn bộ hệ thống sẽ sụp đổ ngay lập tức.

Phương pháp truyền thống là gì? Để các tổ chức trung ương như ngân hàng ghi lại tất cả các giao dịch, xác định ai có bao nhiêu tiền. Nhưng blockchain phi tập trung muốn đạt được mục tiêu khác: cho phép người lạ tin tưởng vào tính xác thực của giao dịch mà không dựa vào bất kỳ quyền lực trung ương nào.

Đây chính là lý do tồn tại của chứng minh công việc.

Cơ chế hoạt động của chứng minh công việc

Blockchain giống như một sổ cái công khai, mọi người đều có thể xem. Khi có giao dịch xảy ra, các nút mạng sẽ phát tán nó ra, các nút khai thác thu thập các giao dịch này và tổ chức thành các khối đề cử.

Nhưng các giao dịch này chưa được xác nhận. Chỉ khi khối đề cử được xác minh và thêm vào chuỗi khối, giao dịch mới thực sự có hiệu lực.

Quá trình xác minh chính là khai thác. Các thợ mỏ cần thực hiện tính toán băm — xử lý thông tin giao dịch và dữ liệu khác qua hàm băm để tạo ra một tổ hợp số đặc biệt. Quá trình này giống như tìm một mật mã:

Bạn phải đoán nhiều lần, cho đến khi tìm ra giá trị băm phù hợp với điều kiện quy định. Dù mỗi lần thử tốn kém (tiêu hao điện năng, sức mạnh tính toán), nhưng khi tìm ra kết quả đúng, các nút khác chỉ mất vài mili giây để xác minh.

Đây chính là thiết kế tinh tế của proof of work: đoán khó và tốn kém, xác minh nhanh và rẻ.

Nguồn gốc của an toàn

Tại sao các thợ mỏ không gian lận? Giả sử bạn cố gắng chèn giao dịch giả vào một khối.

Trước tiên, mật mã khóa công khai sẽ ngăn chặn bạn. Mỗi giao dịch phải được ký bằng khóa riêng của người gửi. Mọi người trong mạng đều có thể xác minh chữ ký bằng khóa công khai, kiểm tra xem bạn có thực sự sở hữu số tiền muốn chi tiêu không.

Thứ hai, ngay cả khi bạn tốn công tạo ra một khối hợp lệ chứa các giao dịch giả, các nút khác sẽ từ chối nó. Bạn đã lãng phí điện và tài nguyên tính toán, mà không nhận được phần thưởng khai thác nào.

Chi phí và lợi ích trong trò chơi chiến lược này quyết định hành vi: hành vi trung thực được thưởng, gian lận phải trả giá. Bất kỳ thợ mỏ hợp lý nào cũng sẽ chọn trung thực.

Tính toán băm: Trọng tâm kỹ thuật của chứng minh công việc

Để hiểu chứng minh công việc, cần hiểu băm là gì.

Hàm băm giống như một “máy tạo dấu vân tay”: cùng một dữ liệu đầu vào luôn tạo ra cùng một đầu ra, nhưng chỉ cần thay đổi một ký tự trong dữ liệu đầu vào, kết quả băm sẽ hoàn toàn khác. Tính không thể dự đoán này là yếu tố then chốt.

Các thợ mỏ sẽ thêm một số biến đổi — nonce (số ngẫu nhiên) — vào dữ liệu khối, rồi liên tục thay đổi giá trị này và tính lại băm, cho đến khi tìm ra kết quả thỏa mãn điều kiện (ví dụ, băm bắt đầu bằng một số lượng nhất định các số 0).

Quá trình này giống như tung xúc xắc trong bóng tối, mong chờ ra một tổ hợp điểm số nhất định. Bạn không thể dự đoán chính xác khi nào thành công, chỉ có thể thử đi thử lại. Khi độ khó tăng lên (ví dụ, yêu cầu nhiều số 0 hơn), số lần thử sẽ tăng theo cấp số nhân.

Chứng minh công việc vs Chứng minh cổ phần (PoS)

Trong những năm gần đây, chứng minh cổ phần (PoS) xuất hiện như một phương án thay thế. Trong hệ thống PoS:

• Không cần khai thác, không có cuộc đua tính toán
• Các người xác thực được chọn ngẫu nhiên đề xuất khối mới
• Người tham gia phải khóa một lượng tiền điện tử làm cổ phần
• Nếu đề xuất khối không hợp lệ, cổ phần sẽ bị thu hồi

Ưu điểm của PoS rõ ràng: tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều so với proof of work. Sau khi Ethereum nâng cấp sang PoS, tiêu thụ năng lượng giảm hơn 99%.

Tuy nhiên, PoS cũng có những cân nhắc:

• Thời gian thử nghiệm ngắn, độ an toàn lâu dài vẫn cần kiểm chứng
• Dễ hình thành tình trạng giàu càng giàu (người đặt cược nhiều hơn có khả năng được chọn cao hơn)
• So với hơn một thập kỷ thực chiến của PoW, độ tin cậy của PoS còn ngắn hạn

Bitcoin đã dùng proof of work để bảo vệ các giao dịch trị giá hàng nghìn tỷ USD. Cho đến khi PoS chứng minh được độ bền tương tự trong cùng khoảng thời gian, proof of work vẫn là cơ chế đồng thuận được xác nhận nhiều nhất.

Kinh tế khai thác và an ninh mạng

Khi ngày càng nhiều thợ mỏ tham gia mạng lưới, tổng tỷ lệ băm tăng lên, độ khó của khối tự động điều chỉnh. Điều này đảm bảo tốc độ tạo khối ổn định (ví dụ, Bitcoin khoảng 10 phút một khối mới).

Kết quả là gì? Việc tấn công mạng ngày càng trở nên đắt đỏ hơn. Bạn cần kiểm soát phần lớn khả năng khai thác để thay đổi lịch sử giao dịch, nhưng điều này đòi hỏi đầu tư hàng tỷ USD vào phần cứng và liên tục trả tiền điện. Lợi nhuận ngắn hạn từ tấn công thấp hơn nhiều so với chi phí dài hạn.

Thiết kế này rất hay: mạng lưới càng lớn, càng nhiều người tham gia, độ an toàn càng cao. Người mới vào sẽ thấy hệ thống đã có sẵn các biện pháp bảo vệ, sẵn sàng tham gia, qua đó càng củng cố độ an toàn.

Tại sao chứng minh công việc vẫn quan trọng

Trong thời đại chứng minh cổ phần, chứng minh công việc có vẻ như là “lãng phí năng lượng”. Nhưng góc nhìn này bỏ qua một điểm: tiêu thụ năng lượng chính là biểu hiện của độ an toàn.

Bạn không thể giả mạo chứng minh công việc. Để thay đổi lịch sử blockchain, kẻ tấn công phải làm lại tất cả các tính toán đó — tiêu tốn năng lượng thật và phần cứng khai thác. Đây là một dạng “chứng minh công việc” không thể che giấu, không thể giả mạo.

Chính vì vậy, proof of work vẫn là phương thức bảo vệ tài sản có giá trị cao nhất. Bitcoin chọn proof of work không phải ngẫu nhiên — Satoshi Nakamoto đề xuất cơ chế này trong whitepaper năm 2008, nhằm giải quyết bài toán “không cần tin tưởng bất kỳ tổ chức trung ương nào, vẫn ngăn chặn được giao dịch hai lần”.

Tóm lại

Chứng minh công việc đã thay đổi cách chúng ta nhìn nhận về tiền tệ và giao dịch căn bản. Nó chứng minh một ý tưởng mang tính cách mạng: mạng lưới lạ mặt phi tập trung, qua mật mã, hàm băm và các phần thưởng kinh tế, có thể đáng tin cậy như ngân hàng trung ương, thậm chí minh bạch hơn.

Dù chi phí năng lượng không nhỏ, nhưng độ an toàn mà proof of work mang lại đã được thời gian kiểm chứng. Để hoàn toàn thay thế nó, các cơ chế đồng thuận mới cần trải qua những thử thách tương tự. Cho đến ngày đó, chứng minh công việc vẫn là nền tảng an toàn của blockchain.