Proof of Work (PoW) là gì?

Trong thế giới của công nghệ Blockchain, Proof of Work (PoW) là một khái niệm quen thuộc và quan trọng. PoW là một cơ chế được sử dụng để đảm bảo tính an toàn và công bằng của một hệ thống phân tán, nơi mà các bên tham gia không cần tin tưởng nhau. Bằng cách yêu cầu các bên tham gia phải thực hiện một số công việc tính toán khó khăn, PoW ngăn chặn các cuộc tấn công giả mạo hoặc thay đổi dữ liệu trên Blockchain.

PoW không phải là một ý tưởng mới, nó đã xuất hiện từ những năm 90 của thế kỷ trước, khi các nhà khoa học máy tính đã đề xuất nó như một cách để chống lại các cuộc tấn công từ chối dịch vụ (DoS) hoặc spam email. Tuy nhiên, PoW đã trở nên nổi tiếng nhờ vào sự thành công của Bitcoin, đồng tiền điện tử đầu tiên sử dụng PoW để tạo ra và xác nhận các khối mới trong chuỗi liên kết Blockchain của nó. Kể từ đó, PoW đã được áp dụng cho nhiều loại tiền điện tử và ứng dụng Blockchain khác nhau.

Hiểu rõ hơn về Proof of Work

Để hiểu rõ hơn về Proof of Work (PoW), chúng ta cần xem xét cách thức hoạt động của nó trong một hệ thống Blockchain. Blockchain là một cơ sở dữ liệu phân tán, nơi mà các giao dịch giữa các bên tham gia được lưu trữ trong các khối liên kết với nhau bằng mã hóa. Mỗi khối chứa một số lượng giao dịch, một mã băm (hash) của khối trước đó, và một mã băm của chính nó. Mã băm là một chuỗi ký tự được tạo ra bằng cách áp dụng một hàm băm lên dữ liệu đầu vào, sao cho nếu dữ liệu đầu vào thay đổi một chút, mã băm sẽ thay đổi hoàn toàn. Mã băm giúp đảm bảo tính toàn vẹn và liên kết của các khối trong Blockchain.

Cách thức hoạt động của PoW

Quá trình tạo block

Để tạo ra một khối mới trong Blockchain, các bên tham gia phải giải quyết một bài toán tính toán khó, gọi là PoW. Bài toán này yêu cầu tìm ra một số nguyên (nonce) sao cho khi nối số đó với dữ liệu của khối và áp dụng hàm băm, mã băm thu được phải có một số lượng số 0 ở đầu, gọi là độ khó (difficulty). Độ khó có thể điều chỉnh để phù hợp với sức mạnh tính toán của mạng và thời gian mong muốn để tạo ra một khối mới. Ví dụ, nếu độ khó là 4, thì mã băm phải có dạng 0000xxxxx, nơi x là các ký tự bất kỳ.

Bài toán PoW không có cách giải nhanh hơn nào khác ngoài việc thử các giá trị nonce khác nhau cho đến khi tìm ra được mã băm hợp lệ. Đây là một quá trình tốn kém về thời gian và năng lượng, và chỉ có người nào giải được bài toán này trước tiên mới có quyền tạo ra khối mới và nhận phần thưởng từ các giao dịch trong khối đó. Người này được gọi là người đào (miner), và quá trình này được gọi là đào (mining).

Cách thức xác minh các giao dịch

Khi một người đào tạo ra một khối mới, họ sẽ gửi khối đó cho các nút (node) khác trong mạng để xác minh. Các nút sẽ kiểm tra xem các giao dịch trong khối có hợp lệ không, và xem mã băm của khối có thoả mãn yêu cầu độ khó không. Nếu cả hai điều kiện này được thỏa mãn, các nút sẽ chấp nhận khối mới và thêm nó vào Blockchain của họ. Nếu không, các nút sẽ từ chối khối mới và tiếp tục đào tiếp.

Vai trò của PoW trong việc duy trì sự an toàn cho Blockchain

PoW có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự an toàn cho Blockchain, bởi vì nó ngăn chặn các cuộc tấn công giả mạo hoặc thay đổi dữ liệu trên Blockchain. Nếu ai đó muốn thay đổi dữ liệu của một khối đã có trong Blockchain, anh ta phải tính lại mã băm của khối đó và tất cả các khối sau nó, với cùng độ khó như lúc ban đầu. Điều này đòi hỏi một lượng công việc tính toán rất lớn, và gần như không khả thi nếu người đó không kiểm soát được hơn 50% sức mạnh tính toán của mạng. Do đó, PoW giúp bảo vệ Blockchain khỏi sự can thiệp của bên thứ ba.

Ví dụ thực tế về việc sử dụng PoW trong Bitcoin

Bitcoin là đồng tiền điện tử đầu tiên và nổi tiếng nhất sử dụng PoW để tạo ra và xác minh các khối mới trong Blockchain của nó. Bitcoin sử dụng hàm băm SHA-256 để tạo ra mã băm cho các khối, và điều chỉnh độ khó sao cho thời gian trung bình để tạo ra một khối mới là 10 phút. Người đào Bitcoin sẽ nhận được phần thưởng là một số lượng Bitcoin mới được tạo ra và phí giao dịch từ các giao dịch trong khối đó. Phần thưởng này sẽ giảm một nửa sau mỗi 210.000 khối, khoảng 4 năm, cho đến khi số lượng Bitcoin đạt tới giới hạn là 21 triệu. Hiện tại, phần thưởng cho mỗi khối là 6,25 Bitcoin

Đánh giá về Proof of Work

Proof of Work (PoW) là một thuật toán đồng thuận phổ biến và lâu đời trong các hệ thống Blockchain. Tuy nhiên, PoW cũng có những ưu và nhược điểm cần được xem xét.

Lợi ích của PoW

Đảm bảo sự công bằng

PoW đảm bảo sự công bằng cho các bên tham gia trong mạng lưới, bởi vì nó yêu cầu các bên phải thực hiện một số công việc tính toán khó khăn để có quyền tạo ra khối mới và nhận phần thưởng. Điều này ngăn chặn việc một bên nào đó có thể dễ dàng chiếm quyền kiểm soát mạng lưới hoặc gian lận các giao dịch. PoW cũng khuyến khích các bên tham gia đầu tư vào thiết bị và năng lượng để duy trì hoạt động của mạng lưới.

Bảo vệ mạng lưới khỏi các cuộc tấn công

PoW bảo vệ mạng lưới khỏi các cuộc tấn công như tấn công 51% hoặc tấn công kép chi (double spending), bởi vì nó làm cho việc thay đổi dữ liệu trên Blockchain trở nên rất khó khăn và tốn kém. Để thực hiện một cuộc tấn công, kẻ tấn công phải kiểm soát được hơn 50% sức mạnh tính toán của mạng lưới, điều này gần như không thể xảy ra với các hệ thống Blockchain lớn và phổ biến như Bitcoin hay Ethereum.

Nhược điểm của PoW

Tiêu tốn năng lượng

PoW tiêu tốn rất nhiều năng lượng để duy trì hoạt động của mạng lưới, bởi vì nó yêu cầu các bên tham gia phải liên tục giải quyết các bài toán tính toán khó khăn. Theo ước tính của Digiconomist, Bitcoin đã tiêu tốn khoảng 121,36 TWh năng lượng trong năm 2021, gần bằng với lượng năng lượng tiêu thụ của Argentina. Việc tiêu tốn năng lượng quá mức không chỉ gây ra những hậu quả tiêu cực cho môi trường, mà còn làm tăng chi phí cho các người đào và giảm hiệu quả của hệ thống.

Trở ngại trong việc mở rộng hệ thống

PoW cũng gây ra những trở ngại trong việc mở rộng hệ thống, bởi vì nó giới hạn số lượng giao dịch có thể được xử lý trong một đơn vị thời gian. Ví dụ, Bitcoin chỉ có thể xử lý khoảng 7 giao dịch mỗi giây, trong khi Ethereum chỉ có thể xử lý khoảng 15 giao dịch mỗi giây. Số lượng này rất nhỏ so với các hệ thống thanh toán truyền thống như Visa hay Mastercard, có thể xử lý hàng ngàn giao dịch mỗi giây. Do đó, PoW làm chậm tốc độ xử lý giao dịch, làm tăng thời gian chờ đợi và phí giao dịch cho người dùng.

Phân tích và so sánh PoW với các thuật toán đồng thuận khác như Proof of Stake (PoS)

Do những nhược điểm của PoW, nhiều hệ thống Blockchain đã tìm kiếm các thuật toán đồng thuận khác như Proof of Stake (PoS) để cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. PoS là một thuật toán đồng thuận mà trong đó, các bên tham gia phải cầm giữ (stake) một số lượng token của hệ thống để có quyền xác minh các giao dịch và tạo ra khối mới. Các bên tham gia được gọi là người xác nhận (validator), và họ được chọn ngẫu nhiên để thực hiện nhiệm vụ này. Nếu họ cố gắng gian lận, họ sẽ bị mất một phần hoặc toàn bộ số token đã cầm giữ.

PoS có nhiều ưu điểm so với PoW, như sau:

PoS tiêu tốn ít năng lượng hơn PoW, bởi vì nó không yêu cầu các bên tham gia phải thực hiện các công việc tính toán khó khăn. Theo ước tính của Ethereum Foundation, Ethereum sẽ tiết kiệm khoảng 99,95% năng lượng khi chuyển sang PoS.

PoS cho phép hệ thống xử lý nhiều giao dịch hơn trong một đơn vị thời gian, bởi vì nó không phụ thuộc vào độ khó của bài toán tính toán. Ví dụ, Ethereum dự kiến sẽ tăng khả năng xử lý giao dịch lên hàng ngàn giao dịch mỗi giây khi chuyển sang PoS.

PoS làm giảm chi phí cho các người xác nhận, bởi vì họ không cần phải đầu tư vào thiết bị và năng lượng để tham gia vào quá trình xác minh. Điều này cũng làm giảm rào cản để tham gia vào hệ thống và tăng tính dân chủ của hệ thống.

PoS làm tăng sự an toàn của hệ thống, bởi vì nó làm cho việc tấn công trở nên không có lợi cho kẻ tấn công. Trong PoW, kẻ tấn công có thể sử dụng sức mạnh tính toán của mình để tấn công một hệ thống khác, trong khi trong PoS, kẻ tấn công phải cầm giữ token của hệ thống để có thể tấn công. Nếu kẻ tấn công thành công, giá trị của token sẽ giảm, và kẻ tấn công sẽ mất tiền.

Tuy nhiên, PoS cũng có một số nhược điểm so với PoW, bao gồm:

PoS có nguy cơ dẫn đến sự tập trung quyền lực của các bên giàu có, bởi vì họ có thể cầm giữ nhiều token hơn và có nhiều cơ hội hơn để xác minh các giao dịch và nhận phần thưởng. Điều này có thể làm giảm tính dân chủ và an ninh của hệ thống.

PoS có thể gặp phải vấn đề về việc chọn phiên bản đúng của Blockchain khi xảy ra xung đột, bởi vì không có tiêu chí rõ ràng để quyết định khối nào là hợp lệ. Trong PoW, khối hợp lệ là khối thuộc chuỗi có tổng độ khó lớn nhất, tức là chuỗi có nhiều công việc tính toán nhất. Trong PoS, khối hợp lệ là khối thuộc chuỗi có tổng số token cầm giữ lớn nhất, tức là chuỗi có nhiều sự tham gia nhất. Tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến sự không nhất quán của Blockchain, bởi vì các người xác nhận có thể chuyển token của họ từ một chuỗi sang một chuỗi khác một cách dễ dàng, và không phải chịu bất kỳ hậu quả nào. Điều này còn được gọi là vấn đề “không có gì để mất” (nothing at stake) trong PoS.

Triển vọng của Proof of Work

Proof of Work (PoW) là một thuật toán đồng thuận lâu đời và phổ biến trong các hệ thống Blockchain, nhưng cũng gặp phải nhiều thách thức và hạn chế. Trong phần này, chúng tôi sẽ khám phá các cải tiến và giải pháp đang được nghiên cứu để khắc phục nhược điểm của PoW, cũng như ứng dụng và vị trí của PoW trong tương lai.

Các cải tiến và giải pháp đang được nghiên cứu để khắc phục nhược điểm của PoW

Một trong những vấn đề lớn nhất của PoW là việc tiêu tốn năng lượng quá mức để duy trì hoạt động của mạng lưới. Điều này không chỉ gây ra những hậu quả tiêu cực cho môi trường, mà còn làm tăng chi phí cho các người đào và giảm hiệu quả của hệ thống. Do đó, nhiều nghiên cứu và cải tiến đã được đưa ra để giảm thiểu lượng năng lượng tiêu thụ của PoW.

Một trong những giải pháp đó là sử dụng các thiết bị và thuật toán hiệu quả hơn để thực hiện PoW. Ví dụ, Bitcoin ban đầu sử dụng CPU (bộ xử lý trung tâm) để giải quyết bài toán PoW, nhưng sau đó đã chuyển sang sử dụng GPU (bộ xử lý đồ họa), FPGA (mạch logic có thể lập trình) và ASIC (mạch tích hợp ứng dụng cụ thể) để tăng tốc độ và giảm năng lượng. Tuy nhiên, việc sử dụng các thiết bị chuyên dụng như ASIC cũng có thể gây ra sự tập trung quyền lực và nguy cơ tấn công 51%.

Một giải pháp khác là sử dụng các thuật toán PoW khác nhau, có độ khó thay đổi theo các yếu tố khác ngoài sức mạnh tính toán. Ví dụ, Monero sử dụng thuật toán Random X, yêu cầu bộ nhớ RAM lớn để giải quyết bài toán PoW, nhằm ngăn chặn việc sử dụng ASIC. Ethereum sử dụng thuật toán Ethash, yêu cầu bộ nhớ DAG (Directed Acyclic Graph) để giải quyết bài toán PoW, nhằm ngăn chặn việc sử dụng ASIC và GPU. Zcash sử dụng thuật toán Equihash, yêu cầu bộ nhớ RAM và CPU để giải quyết bài toán PoW, nhằm ngăn chặn việc sử dụng ASIC.

Một giải pháp khác nữa là kết hợp PoW với các thuật toán đồng thuận khác, như Proof of Stake (PoS), Proof of Authority (PoA), Proof of Capacity (PoC) hoặc Proof of Burn (PoB), để tạo ra các hệ thống lai (hybrid). Ví dụ, Decred sử dụng một hệ thống lai gồm PoW và PoS, trong đó PoW được dùng để tạo ra các khối mới, còn PoS được dùng để xác minh và bỏ phiếu cho các khối mới. Peercoin sử dụng một hệ thống lai gồm PoW và PoS, trong đó PoW được dùng để tạo ra các token mới, còn PoS được dùng để tạo ra và xác minh các khối mới. Ethereum đang có kế hoạch chuyển từ PoW sang PoS, nhưng trong quá trình chuyển đổi sẽ sử dụng một hệ thống lai gồm PoW và PoS, trong đó PoW được dùng để bảo vệ an ninh của mạng lưới, còn PoS được dùng để xử lý các giao dịch.

Ứng dụng của PoW trong tương lai

PoW là một thuật toán đồng thuận có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự an toàn và công bằng của các hệ thống Blockchain, nhưng cũng có những hạn chế về khả năng mở rộng và tiết kiệm năng lượng. Do đó, trong tương lai, PoW có thể sẽ không còn là thuật toán đồng thuận duy nhất hay thống trị trong các hệ thống Blockchain, mà sẽ phải cạnh tranh và hợp tác với các thuật toán khác, như PoS, PoA, PoC hoặc PoB.

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là PoW sẽ bị lỗi thời hay mất giá trị. Trên thực tế, PoW vẫn có những ứng dụng tiềm năng trong tương lai, như sau:

• PoW được sử dụng để bảo vệ an ninh của các hệ thống Blockchain lai, bằng cách ngăn chặn các cuộc tấn công giả mạo hoặc thay đổi dữ liệu trên Blockchain. Ví dụ, Ethereum sử dụng PoW để bảo vệ an ninh của mạng lưới khi chuyển sang PoS.
• PoW sử dụng để tạo ra các token mới cho các hệ thống Blockchain lai, bằng cách khuyến khích các người đào tham gia vào quá trình đào. Ví dụ, Peercoin sử dụng PoW để tạo ra các token mới khi chuyển sang PoS.
• PoW được áp dụng nhằm tạo ra các giải pháp bảo mật ngoài chuỗi (off-chain), bằng cách sử dụng các mã băm của các khối mới làm chứng cứ cho các giao dịch ngoài chuỗi. Ví dụ, Bitcoin sử dụng PoW để tạo ra Lightning Network, một giải pháp thanh toán nhanh và rẻ trên Bitcoin.
• PoW cũng có thể sử dụng để tạo ra các giải pháp liên kết chuỗi (cross-chain), bằng cách sử dụng các mã băm của các khối mới làm chứng cứ cho việc chuyển tiền giữa các chuỗi khác nhau. Ví dụ, Bitcoin sử dụng PoW để tạo ra Atomic Swap, một giải pháp trao đổi tiền mã hóa giữa Bitcoin và Litecoin.

Đánh giá chung về vị trí và tầm quan trọng của PoW trong hệ sinh thái blockchain hiện nay

PoW là một thuật toán đồng thuận lâu đời và phổ biến trong các hệ thống Blockchain, như Bitcoin, Ethereum hay Litecoin. PoW đã đóng góp rất nhiều vào sự phát triển và thành công của tiền mã hóa và Blockchain, bởi vì nó đã giải quyết được vấn đề chi tiêu kép và tạo ra một hệ thống phân tán, an toàn và công bằng.

Tuy nhiên, PoW cũng gặp phải nhiều thách thức và hạn chế trong việc duy trì và phát triển các hệ thống Blockchain. Những thách thức này bao gồm việc tiêu tốn năng lượng quá mức, giới hạn khả năng mở rộng, gây ra sự tập trung quyền lực hoặc nguy cơ tấn công. Do đó, trong tương lai, PoW có thể sẽ không còn là thuật toán đồng thuận duy nhất hay thống trị trong các hệ thống Blockchain, mà sẽ phải cạnh tranh và hợp tác với các thuật toán khác, như PoS, PoA, PoC hoặc PoB.

Điều này không có nghĩa là PoW sẽ bị lỗi thời hay mất giá trị. Trên thực tế, PoW vẫn có những ứng dụng tiềm năng trong tương lai, như đã được nêu ở trên. Ngoài ra, PoW cũng có thể được cải tiến và tối ưu hóa để giải quyết các vấn đề hiện tại, bằng cách sử dụng các thiết bị và thuật toán hiệu quả hơn, hoặc kết hợp với các thuật toán đồng thuận khác. Vì vậy, PoW vẫn là một thuật toán đồng thuận quan trọng và có giá trị trong hệ sinh thái Blockchain hiện nay.

Kết luận

Trong bài viết này, chúng tôi đã giới thiệu về Proof of Work (PoW), một thuật toán đồng thuận được sử dụng để đảm bảo tính an toàn và công bằng của các hệ thống Blockchain. Chúng tôi đã thảo luận về cách thức hoạt động, lợi ích, nhược điểm và triển vọng của PoW trong các hệ thống Blockchain hiện nay. Và cũng đã phân tích cũng như so sánh PoW với các thuật toán đồng thuận khác như Proof of Stake (PoS).

Chúng tôi hy vọng bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ hơn về PoW và vai trò của nó trong Blockchain. PoW là một thuật toán đồng thuận quan trọng và có giá trị, bởi vì nó đã tạo ra một cách mới để xây dựng và duy trì các hệ thống phân tán, an toàn và công bằng. Tuy nhiên, PoW cũng gặp phải nhiều thách thức và hạn chế, và cần được cải tiến và tối ưu hóa để phù hợp với nhu cầu và xu hướng của thời đại. PoW cũng có thể kết hợp và hợp tác với các thuật toán đồng thuận khác, để tạo ra các hệ thống lai, bảo mật ngoài chuỗi hoặc liên kết chuỗi. PoW vẫn có nhiều tiềm năng trong tương lai, và chúng ta có thể mong đợi những ứng dụng mới và thú vị của PoW trong các lĩnh vực khác ngoài tiền mã hóa và Blockchain.

Gọi hành động cuối cùng

Nếu bạn quan tâm đến PoW và Blockchain, chúng tôi khuyến khích bạn tìm hiểu thêm về chủ đề này, bằng cách đọc các nguồn thông tin uy tín và cập nhật trên internet. Bạn có thể tham khảo một số nguồn sau:

• [Proof of Work Explained]: Một bài viết chi tiết và dễ hiểu về PoW, bao gồm cách thức hoạt động, lịch sử, ứng dụng và ví dụ.
• [Proof of Work vs Proof of Stake: Basic Mining Guide]: Một bài viết so sánh giữa PoW và PoS, bao gồm ưu nhược điểm, ví dụ và triển vọng của hai thuật toán.
• [Proof of Work Algorithms]: Một danh sách các thuật toán PoW khác nhau được sử dụng trong các hệ thống Blockchain khác nhau, bao gồm Bitcoin, Ethereum, Monero, Zcash và nhiều hơn nữa.

Tham khảo thêm các trường hợp ứng dụng Blockchain

Nguyễn Đức Trường

CEO tại Geneat Software, là người luôn muốn tối ưu các vấn đề cuộc sống bằng công nghệ, mình tin rằng các giải pháp phần mềm phải hữu ích, thiết thực và nên được dễ dàng tiếp cận bởi tất cả mọi người.