Khai thác (Mining) trong công nghệ Blockchain là gì?

Định nghĩa Mining (Khai thác/Đào)

Trong bối cảnh của các mạng lưới blockchain, đào tiền điện tử mô tả một quá trình không cần cấp phép nhằm đảm bảo tính nhất quán toàn cầu của một sổ cái phi tập trung. Đào tiền điện tử yêu cầu tiêu thụ tài nguyên tính toán tốn kém để tham gia vào một cuộc cạnh tranh xác suất mang lại các đặc quyền cụ thể cho một nút. Các đặc quyền này thường liên quan đến việc đề xuất một khối mới, bao gồm danh tính và thứ tự của các giao dịch có trong khối. Đào tiền điện tử được khuyến khích thông qua việc cung cấp phần thưởng được quy định bằng thuật toán, thường ở dạng tiền xu mới được tạo và/hoặc phí giao dịch.

Đào tiền điện tử trong blockchain:

Trong bối cảnh của một blockchain, “đào tiền điện tử” đề cập đến quá trình thêm các giao dịch mới vào sổ cái blockchain và xác thực chúng thông qua một cơ chế đồng thuận. Đào tiền điện tử là một thành phần quan trọng của nhiều mạng lưới blockchain, bao gồm Bitcoin và Ethereum, và nó phục vụ một số mục đích thiết yếu sau:

• Xác thực giao dịch: Người đào tiền điện tử có trách nhiệm xác minh tính hợp lệ của các giao dịch được đề xuất bởi người dùng trên blockchain. Họ kiểm tra xem người gửi có đủ tiền yêu cầu hay không và giao dịch có tuân theo các quy tắc của giao thức blockchain hay không.
• Tạo khối: Sau khi một nhóm giao dịch (được gọi là “khối”) được xác thực, người đào tiền điện tử cạnh tranh để tạo một khối mới bằng cách giải một câu đố mật mã phức tạp. Câu đố này được thiết kế để có độ khó tính toán cao và yêu cầu người đào tiền điện tử phải đầu tư đáng kể sức mạnh tính toán và năng lượng.
• Đồng thuận: Quá trình đào tiền điện tử được sử dụng để đạt được sự đồng thuận trong một mạng lưới phi tập trung. Người đào tiền điện tử cạnh tranh để giải câu đố, và người đầu tiên giải được sẽ có quyền tạo một khối mới. Quá trình này đảm bảo rằng tất cả người tham gia đều đồng ý về thứ tự các giao dịch và trạng thái của sổ cái, ngay cả khi không có cơ quan trung tâm.
• Phần thưởng: Người đào tiền điện tử được khuyến khích tham gia vào mạng lưới thông qua phần thưởng khối và phí giao dịch. Ví dụ, trong trường hợp của Bitcoin, người đào tiền điện tử thành công thêm một khối mới vào blockchain sẽ được thưởng một số lượng bitcoin mới được tạo nhất định, được gọi là “phần thưởng khối”. Họ cũng thu thập phí giao dịch từ các giao dịch được bao gồm trong khối.
• Bảo mật: Tính cạnh tranh của việc đào tiền điện tử và sức mạnh tính toán cần thiết để giải câu đố mật mã khiến việc thao túng blockchain của bất kỳ một thực thể nào trở nên cực kỳ tốn kém và mất thời gian. Điều này mang lại sự bảo mật chống lại các cuộc tấn công và đảm bảo tính toàn vẹn của sổ cái.

Nguồn gốc của việc khai thác (Mining) tiền điện tử

Việc đào tiền điện tử ban đầu được hiểu là các quy trình kết hợp bằng chứng công việc (PoW) (nghĩa là, việc chi tiêu các tài nguyên tính toán tốn kém như chu kỳ của bộ xử lý trung tâm (CPU) thông qua một cơ chế ban đầu được phát triển để giảm thiểu thư rác) (Dwork & Naor, 1992; Back, 2002). PoW thường là một quy trình không cần xin phép (tức là bất kỳ ai cũng có thể tham gia) với danh tính của thợ đào không được biết đến (nặc danh/bí danh). Các dự án tiền kỹ thuật số tiền thân như Bit Gold và b-money (Szabo, 2005; Dai, 1998) đã đề xuất sử dụng các cơ chế kiểu PoW để tránh cạn kiệt tài nguyên và tấn công spam hoặc tấn công Sybil từ một số lượng lớn các nút sockpuppet không trung thực (Douceur, 2002).

Mặc dù Sách trắng Bitcoin (Nakamoto, 2008a) không đề cập đến PoW một cách rõ ràng như khai thác, nhưng có tham chiếu đến việc so sánh với khai thác vàng. Thuật ngữ này đã được sử dụng một cách thông tục trong các diễn đàn và phòng trò chuyện trực tuyến bao gồm BitcoinTalk và IRC (Trò chuyện qua Internet Relay, một giao thức nhắn tin tức thời đã có từ lâu) từ năm 2010. Thật vậy, mã nguồn của phiên bản đầu tiên của phần mềm Bitcoin đã đề cập đến quá trình tạo ra tiền xu là khai thác (Nakamoto, 2009).

Thuật toán lựa chọn chuỗi sử dụng PoW để đảm bảo tính nhất quán cuối cùng của sổ cái Bitcoin trên toàn mạng được gọi là Nakamoto Consensus. Điều này yêu cầu 51% “công việc” đa số để đạt được sự đồng thuận về khối hợp lệ mới nhất và “đảm bảo rằng tất cả các bên trung thực đều xuất ra cùng một chuỗi các khối trong suốt quá trình thực thi giao thức” (Kiffer et al., 2018, p. 1). Chuỗi khối phát triển theo chiều cao từng bước khi các khối ứng viên mới được thợ đào xây dựng và thêm vào chuỗi chính tắc. Trong các mạng dựa trên PoW, điều này diễn ra thông qua việc kết hợp các nonce (nghĩa là, một biến số tùy ý được lặp đi lặp lại dần dần) với tiêu đề khối được đề xuất để tạo ra các hàm băm sau đó được so sánh với độ khó tìm kiếm khối do mạng xác định. Thợ đào chọn danh tính và thứ tự của các giao dịch được bao gồm trong một khối ứng viên được đề xuất và điều này có thể có những tác động kinh tế bao gồm việc chạy trước và sắp xếp lại các giao dịch (Daian et al., 2019).

Quá trình khai thác được trung gian bởi một cơ chế phản hồi điều chỉnh độ khó, định kỳ hiệu chỉnh lại xác suất hiệu quả của việc tìm thấy một khối hợp lệ để duy trì thời gian giữa các khối mục tiêu của mạng. Nếu tìm thấy hàm băm của một khối ứng viên thỏa mãn các yêu cầu về độ khó của mạng, thợ đào sẽ thông báo cho mạng và các thành viên khác của mạng sẽ xác nhận tính hợp lệ của khối. Trong khối, thợ đào có thể yêu cầu một khoản trợ cấp khai thác hoặc phần thưởng khối được gọi là bằng cách bao gồm một giao dịch thanh toán cho chính mình, ngoài bất kỳ phí khai thác nào được thanh toán bởi các giao dịch được bao gồm.

Thành phần mật mã chính của việc đào Bitcoin là câu đố băm SHA-256. Băm đề cập đến một quy trình xác định một chiều chuyển đổi đầu vào có độ dài tùy ý thành một đầu ra có độ dài cố định. Một thuật toán băm tiền điện tử lý tưởng phải có các đặc tính sau (Narayanan a& Clark, 2017): (i) nó khó tính toán để không có phím tắt hoặc lợi thế không chính đáng nào có sẵn cho người tham gia; (ii) chi phí có thể tham số hóa để chi tiêu năng lượng cần thiết để khai thác một khối hợp lệ không cố định theo thời gian; và (iii) rất dễ dàng xác minh tính chính xác của đầu ra được băm từ vật liệu đầu vào.Vì các hàm băm mật mã là xác định (nghĩa là, với cùng một khối với cùng một nonce, có thể tồn tại nhiều giá trị băm có thể đáp ứng các yêu cầu về độ khó), nên hoàn toàn có thể có nhiều hơn một khối ứng viên hợp lệ có thể được tìm thấy bởi các thợ đào cùng một lúc. Trong trường hợp này, sẽ bắt đầu một cuộc cạnh tranh lan truyền khối để mạng đạt được sự đồng thuận về trạng thái mới nhất của sổ cái giao dịch.

Lớp thuật toán băm được sử dụng trong đào tiền điện tử hiện nay được coi là có khả năng bị tấn công mật mã bởi máy tính lượng tử. Điều này là do khả năng của hệ thống lượng tử để tìm kiếm không gian khả năng hiệu quả hơn so với các hệ thống cổ điển. Phần cứng và thuật toán ngày càng tinh vi như Shor (1994) và Grover (1996) đe dọa tính toàn vẹn của các giả định toán học chính cho mật mã khóa công khai như độ khó của bài toán phân tích số nguyên, bài toán logarit rời rạc và bài toán logarit rời rạc đường cong elliptic. Các chương trình mật mã chống lượng tử đã được đề xuất cho Bitcoin (Ruffing, 2019), tuy nhiên những chương trình này sẽ yêu cầu nâng cấp giao thức gây tranh cãi.

Vì chỉ có thể có một khối với một chiều cao cụ thể trong chuỗi khối, nên nếu nhiều ứng viên xuất hiện, khả năng phân vùng mạng lưới liên tục được gọi là ngã ba sẽ phát sinh nếu các tập hợp con của số lượng nút xác thực không đồng ý áp đảo về khối mới nhất. Các phân vùng như vậy có thể tồn tại trong thời gian ngắn trong trường hợp của các khối cũ như “trẻ mồ côi” và “chú” (các thuật ngữ được sử dụng tương ứng với việc đào Bitcoin và Ethereum) 1 đại diện cho các dòng thời gian bị loại bỏ khi chuỗi chính tắc được xây dựng dựa trên một khối ứng viên khác. Trong các trường hợp khác, ngã ba có thể xảy ra do một cuộc tấn công độc hại, chẳng hạn như “cuộc tấn công 51%”—khi một diễn viên độc ác quản lý để nắm quyền kiểm soát phần lớn sức mạnh băm và có thể sửa đổi thứ tự của các giao dịch hoặc đảo ngược các giao dịch mà họ đã thực hiện, dẫn đến chi tiêu gấp đôi (nghĩa là chi tiêu cùng một đồng xu kỹ thuật số hai lần).

Kết hợp tất cả các yếu tố khác nhau này, chúng ta có thể hiểu ý nghĩa ban đầu của việc đào tiền điện tử là một quá trình nhiệt kinh tế2 sử dụng PoW và cơ chế phản hồi có thể tham số hóa (điều chỉnh độ khó) với các động cơ trực tiếp được cung cấp bởi phần thưởng khối từ lịch phát hành do thuật toán quy định ở cấp độ mạng cùng với phí giao dịch.

Sự phát triển

Kể từ khi Bitcoin ra đời với cơ chế đồng thuận PoW, phạm vi các hoạt động thuộc danh nghĩa đào tiền điện tử đã mở rộng đáng kể theo thời gian.

Một số chiến lược PoW thay thế đã xuất hiện trong những năm gần đây, ban đầu là dưới dạng giả thuyết và sau đó được quan sát trong thực tế, những chiến lược này mang lại kết quả lý thuyết trò chơi thuận lợi bằng cách đi chệch khỏi hành vi đào tiền điện tử trung thực như ban đầu được dự định bởi giao thức Bitcoin (Eyal & Sirer, 2018, Grunspan & Pérez-Marco, 2018). Đào tiền điện tử ích kỷ, còn được gọi là giữ lại khối, có thể được thực hiện bởi một thợ đào tìm thấy một khối hợp lệ nhưng thay vì phát sóng ngay lập tức cho các đồng nghiệp, khối đó sẽ được giữ lại và giữ bí mật. Sau đó, thợ đào bắt đầu tìm kiếm một khối hợp lệ trên khối bí mật trước đó, với mục đích tìm thấy khối thứ hai hợp lệ (và sau đó công bố khối bí mật đầu tiên) trước khi một người tham gia khác tìm thấy khối đầu tiên hợp lệ thay thế. Người ta đã tuyên bố rằng chiến lược đối đầu này có lợi hơn việc đào tiền điện tử trung thực đối với một thợ đào có đủ nguồn lực.

Với sự phát triển của lĩnh vực này, các quy trình cốt lõi của sự đồng thuận phi tập trung đã được tách rời và trừu tượng hóa khỏi tính chất vật chất của công việc tính toán, trong khi cùng lúc đó, vốn và các nguồn tài nguyên bên ngoài khác đã trở nên được tích hợp nhiều hơn. Một cách tiếp cận phổ biến đối với việc ảo hóa công việc này là staking, liên quan đến việc khóa (nghĩa là làm cho không thanh khoản) một số dạng tài sản thế chấp trong một giao thức và được thưởng cho việc tham gia vào sự đồng thuận của mạng theo tỷ lệ với số lượng được stake. Vì nó mở rộng và ảo hóa hơn nữa tính mới của mô hình đồng thuận Bitcoin, nên staking thông qua bằng chứng cổ phần (PoS) cũng được gọi là “đào tiền điện tử tổng quát” hoặc “đào tiền điện tử 2.0” (Brukhman, 2018). Trên thực tế, staking ban đầu được đề xuất như một giải pháp thay thế ít tốn kém tính toán hơn PoW để ngăn chặn chi tiêu gấp đôi trong các chuỗi lớp cơ bản như Ethereum (King & Nadal, 2012), nhưng mô hình này đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong các giao thức tiền điện tử ‘lớp 2’ (Brekke & Alsindi, 2021), được thực hiện bởi các hợp đồng thông minh. Một lĩnh vực mà staking đã tìm thấy ứng dụng đáng kể trong các giao thức lớp 2 là Tài chính phi tập trung (DeFi), trong đó đào tiền điện tử thanh khoản hiện đang (tại thời điểm viết bài này) là một thuật ngữ phổ biến được sử dụng để mô tả việc cung cấp tài sản thế chấp và thanh khoản được khuyến khích cho các hoạt động tài chính khác nhau nhất: cho vay, vay mượn, bảo hiểm, phái sinh tổng hợp và quản trị đối với các thông số rủi ro của một ngân hàng phi tập trung.

Kết luận

Trong bối cảnh của các mạng lưới blockchain, đào tiền điện tử mô tả một quá trình không cần cấp phép nhằm đảm bảo tính nhất quán toàn cầu của một sổ cái phi tập trung. Đào tiền điện tử yêu cầu tiêu thụ tài nguyên tính toán tốn kém để tham gia vào một cuộc cạnh tranh xác suất mang lại các đặc quyền cụ thể cho một nút. Các đặc quyền này thường liên quan đến việc đề xuất một khối mới, bao gồm danh tính và thứ tự của các giao dịch có trong khối. Nó được khuyến khích thông qua việc cung cấp phần thưởng được quy định bằng thuật toán, thường ở dạng tiền xu mới được tạo và/hoặc phí giao dịch. Ban đầu được hiểu là đề cập đến các quy trình kết hợp PoW, theo thời gian, thuật ngữ đào tiền điện tử đã được sử dụng để mô tả một mảng rộng hơn các cơ chế đạt được sự đồng thuận ngang hàng. Một phương pháp “đào tiền điện tử tổng quát” như vậy là đặt cược một số dạng tài sản thế chấp trong một giao thức và được thưởng cho việc tham gia vào sự đồng thuận của mạng. Khi ngày càng nhiều blockchain áp dụng PoS và thuật ngữ này được sử dụng để mô tả cả các quy trình tiền điện tử và nhiệt điện tử, thì sự tương tự “đào vàng” ban đầu đã trở nên ngày càng không phù hợp.