Giải thích cơ chế đồng thuận hỗn hợp PoW/PoS

Chia sẻ
Copied to clipboard!
Giải thích cơ chế đồng thuận hỗn hợp PoW/PoS

Tác giá: Richard Red - Đóng góp cho dự án Decred.

Cơ chế đồng thuận của mỗi blockchain có nhiệm vụ đảm bảo cho trạng thái hiện thời của blockchain đó đạt được sự thỏa thuận thống nhất giữa những người tham gia. Cơ chế đồng thuận sẽ quyết định ai là người được phép thêm các block giao dịch mới, và một trong các mục đích cơ bản của nó là để bảo đảm việc chuỗi sẽ không bị ghi đè. 


Đồng Thuận Bằng chứng công việc (Proof of Work)

Với các blockchain với thuật toán đồng thuận Proof of Work đơn thuần (như Bitcoin) thì chỉ có các thợ mỏ (miner), những người triển khai phần cứng có khả năng suy đoán hiệu quả ra lời giải cho các bài toán phức tạp mới có thể bổ sung các block lên blockchain. Mỗi khi miner đưa ra được lời giải hợp lý, họ có thể đưa ra một block được mạng lưới chấp thuận. Tuy nhiên, trái với việc các miner có nhiều lựa chọn về chuỗi để làm việc, thì toàn bộ mạng lưới sẽ chỉ chấp thuận chuỗi nào có khối lượng Bằng chứng công việc được tích lũy nhiều nhất (ví dụ như: nhiều hash nhất, nhiều suy đoán nhất, v.v.) làm chuỗi chính thức. Do đó, các miner sẽ được khuyến khích khai thác trên chuỗi dài nhất, và khi tìm được một block xác thực mới, họ sẽ tìm cách đưa ra lời giải để có được quyền xây dựng trên block đó. 

Chính sự phức tạp trong việc viết lại blockchain đã cho phép nó hoạt động dưới dạng sổ cái ghi chép lại các giao dịch tài chính. Khi các giao dịch theo dạng chuyển coin từ ví này sang ví khác xuất hiện trong một block mà đã có nhiều block khác được xây dựng trên nó (các xác nhận), thì việc viết lại block đó (và giao dịch đó) thường sẽ không thể xảy ra được. 

Nếu một thực thể nào đó kiểm soát được đủ năng lượng tính toán để vượt qua được “chuỗi thật (honest chain)”, khi đó nó có thể viết lại (hoặc sắp xếp lại) blockchain bằng cách khai thác lại trên một block “cũ” thay vì làm việc trên block mới nhất. Hình thức tấn công như vậy, còn gọi là “tấn công 51%”, với ví dụ tóm tắt như sau: 

Kẻ tấn công sẽ thực hiện chi tiêu trên block X bằng cách chuyển tiền lên một sàn giao dịch bất kỳ, sau đó hắn sẽ bắt đầu khai thác một chuỗi song song riêng (các block trong đó không được khai báo lên mạng lưới). Khi đạt được số lượng xác nhận đủ theo yêu cầu, kẻ tấn công sẽ chuyển đồng coin đó sang một loại tiền khác và rút số tiền đó khỏi sàn. Sau khi rút tiền thành công, hắn sẽ công khai chuỗi song song đó, và nhờ sở hữu nhiều PoW (block) hơn chuỗi ban đầu, mạng lưới sẽ chấp thuận chuỗi này làm chuỗi chính, khi đó lịch sử ghi lại trên chuỗi ban đầu (bao gồm cả khoản nạp tiền của kẻ tấn công) sẽ biến mất. Khi đó, kẻ tấn công sẽ vẫn giữ lại được khoản tiền ban đầu của hắn. 

Bởi các thợ mỏ là những thực thể duy nhất có thể trực tiếp bổ sung block lên chuỗi trong các blockchain tiền mã hóa sử dụng đồng thuận PoW đơn thuần nền chính họ được nắm giữ quyền lực cực lớn trong vấn đề quản trị. Để có thể thực thi bất cứ sự thay đổi nào trong các quy chế về đồng thuận thì cần có sự đồng ý của phần lớn năng lượng tính toán (hash) trong mạng lưới. Các “soft forks” yêu cầu phải có đủ số lượng miner chấp thuận bộ quy tắc mới, từ đó người dùng mới có thể giao dịch và các giao dịch của họ mới có thể được xử lý và được đưa vào các block. Các “Hard forks” thì lại chia mạng lưới thành 2 phần, và thông thường theo các quy tắc được chấp thuận từ quy luật “chuỗi có nhiều năng lượng PoW là chuỗi chính thức”, thì các miner sẽ tự quyết định lựa chọn sẽ khai thác theo chuỗi nào tùy ý họ. 


Đồng thuận Bằng chứng Cổ phần (Proof of Stake)

Đồng thuận Proof of Stake là một phương pháp thay thế trong việc quyết định ai sẽ là người được quyền bổ sung block mới và xác nhận trạng thái hiện thời của blockchain. Thay cho việc các miner sẽ cạnh tranh nhau trong việc tìm lời giải cho các bài toán, với Bằng chứng cổ phần, người tạo ra block tiếp theo sẽ được quyết định dựa theo một số quy trình dựa trên số lượng coin giữ trong ví (cổ phần - stake) của họ. Quy trình này tin tưởng vào việc những người nắm giữ nhiều cổ phần nhất sẽ đưa ra các quyết định hợp lý cho toàn bộ mạng lưới. 

Đồng thuận Bằng chứng Cổ phần loại bỏ hao phí năng lượng cực lớn trong việc khai thác, tuy nhiên, việc không có sự tiêu tốn năng lượng đôi khi lại gây ra một vấn đề khác - còn gọi là “nothing at stake (cổ phần bằng 0)”. Với trường hợp một chuỗi được “fork” ra, các forger (thợ rèn) PoS (thuật ngữ “forging” được dùng để thay thế cho thuật ngữ “mining”) sẽ có cơ hội nhận được nhiều lợi ích, phần thưởng khi khai thác trên cả 2 chuỗi với chi phí không đáng kể. Đây là một vấn đề đáng ngại cho toàn bộ mạng lưới bởi mục đích chính của đồng thuận là để chỉ tồn tại 1 chuỗi duy nhất và tính duy nhất đó cũng chính là mục tiêu của cơ chế đồng thuận. 

Không chỉ vậy, Bằng chứng Cổ phần còn có một vấn đề khác liên quan tới việc phân phối token. Các miner PoW phải chịu chi phí khá lớn (về phần cứng, điện năng) và phải bán một lượng lớn coin họ khai thác được để bù đắp các chi phí này. Vì vậy, lượng coin được trao đổi mua bán trên thị trường sẽ rất dồi dào và không bị tích trữ cứng. Các forger PoS, với chi phí vận hành cực thấp, không phải chịu sức ép về việc phải bán các đồng coin họ nhận được khi duy trì mạng lưới. Những người nắm giữ lượng cổ phần lớn khi tham gia vào mạng lưới Bằng chứng Cổ phần thường có xu hướng làm tăng số lượng cổ phần của họ trong tổng khối lượng lưu thông bởi họ thu được phần thưởng từ block và phí giao dịch từ người dùng trong mạng lưới. Hình thức này khá giống trong chế độ phong kiến, tại đó mạng lưới bị kiểm soát toàn phần và chịu sự vận hành của những người nắm giữ lượng lớn coin, và người dùng thì phải trả phí nếu muốn sử dụng. Từ đó ta thấy rằng trong Bằng chứng Cổ phần, luôn có một điểm giới hạn nhất định mà nếu không đạt được tới, thì việc tham gia trực tiếp vào mạng lưới gần như là không thể. 


Đồng thuận hỗn hợp PoW/PoS

Mục đích chính của hệ thống hỗn hợp này là để nắm bắt được các lợi ích của các phương pháp tương ứng và sử dụng chúng trong việc cân bằng lại điểm yếu của mỗi bên. Decred là một trong số các loại tiền mã hóa đang tận dụng được cả 2 thuật toán PoW và PoS theo dạng khá dễ nhận biết, kết hợp chúng để tạo thành một cơ chế đồng thuận hỗn hợp - đa yếu tố. 

“Các đồng coin Masternode”, về một số mặt, cũng thuộc dạng hỗn hợp như vậy. Trong đó, mạng lưới sử dụng một thành tố Bằng chứng Công việc dễ nhận biết, có chức năng tương tự như trong mạng lưới của Bitcoin, và có thêm một chức năng bổ sung đối với các node đặc biệt. Về cơ bản, các node đặc biệt này sẽ được yêu cầu nắm giữ một khối lượng coin nhất định làm thế chấp nhằm đảm bảo sự uy tín cho việc họ sẽ hoạt động vì lợi ích tốt nhất của mạng lưới, tương tự như trong Bằng chứng Cổ phần. Đồng DASH chính là đồng coin dạng masternode đầu tiên, được xem là kiểu mẫu cho hình thức Proof of Service. Trong khuôn khổ bài viết này, chúng tôi chỉ tập trung vào các dạng hỗn hợp với Bằng chứng Cổ phần làm một thành tố, và sẽ không xem xét các mảng (array) coin bắt chước masternode hay Bằng chứng Dịch vụ (Proof of Service). 

Thành tố PoW của đồng Dered hoạt động tương tự như các dự án nền tảng PoW khác, sử dụng hàm hash Blake-256. Trong khi đó, thành tố PoS ở đây, cùng với cách nó được đưa vào chuỗi, lại khá đặc biệt và đáng được giải thích kỹ càng hơn. 

Để tham gia vào Bằng chứng Cổ phần của Decred, các holder (người nắm giữ) sẽ phải khóa số đồng DCR của họ theo thời gian để có thể mua được các “ticket”. Giá mỗi ticket lẻ được thiết lập nhờ một cơ chế tương tự thị trường trong đó hệ thống sẽ hướng tới một số lượng ticket đang hoạt động được thiết lập từ trước (40,960) - khi số lượng mục tiêu bị vượt quá, giá sẽ tăng, và nếu có ít hơn, giá sẽ hạ xuống. Khi có người nào đó mua ticket, lượng DCR họ dùng để mua sẽ bị khóa lại (ví dụ như không dùng để tiêu được) cho tới khi ticket của họ được gọi theo hình thức số giả ngẫu nhiên để bầu chọn, hoặc cho tới khi ticket đó hết hạn (sau khoảng 142 ngày). Hình thức này sẽ đặt ra chi phí cơ hội cho PoS với ý đồ nhằm đảm bảo rằng những người tham gia bầu chọn PoS bắt buộc phải hoạt động một cách trung thực phục vụ lợi ích tối đa cho mạng lưới. 

Những người tham gia vào PoS (còn gọi là “voter” hay “stakeholder”) có thể đảm nhiệm nhiều nhiệm vụ khác nhau như: bầu chọn block, bầu chọn cho các thay đổi về quy tắc đồng thuận, bầu chọn về cấp quản lý dự án sử dụng hệ thống đề xuất Politeia. Trong đó thì bầu chọn block là cái mà phần lớn các voter PoS tham gia trực tiếp nhất trong việc duy trì đồng thuận. 


Bầu chọn các khối (block)

Khi miner PoW tìm ra một block hợp lệ, họ sẽ khai báo block lên mạng lưới, những để block đó được xem là hợp lệ, nó cần phải nhận được 3/5 phiếu bầu từ các ticket được lựa chọn ngẫu nhiên. Các voter PoS sẽ để mở các ví của họ luôn ở trạng thái sẵn sàng đưa ra bầu chọn nếu ticket của họ được gọi (hoặc cũng có thể tham gia chương trình Voting Service Providers thay mặt họ bầu chọn). Khi một ticket PoS được gọi bầu chọn và phản hồi lại, chủ sở hữu ticket đó sẽ nhận được phần thưởng.

Nếu các ticket này được gọi, người nắm giữ sẽ bỏ phiếu đồng thuận hoặc bác bỏ đối với các giao dịch xảy ra trong block trước đó. Chỉ khi nào một block nhận được đủ 3 phiếu thuận, thì các Nodes trong mạng lưới mới chấp nhận block đó là hợp lệ. Nếu phần đông các ticket được gọi bác bỏ các giao dịch trong block trước, khi đó các giao dịch sẽ được trả lại vào “mempool”. Các giao dịch thường lệ này bao gồm cả phần thưởng cho các miner PoW, nhưng sẽ không bao gồm phần thưởng của voter PoS. 

Do đó, các voter PoS nắm được quyền tước bỏ phần thưởng từ các miner mà không ảnh hưởng tới phần thưởng của họ. Chính điều này đã hạn chế quyền hạn của các miner PoW trong việc phủ quyết các thay đổi đưa ra đối với quy tắc đồng thuận của mạng lưới, vốn được bầu chọn bởi các stakeholder. Trên thực tế, các voter PoS có quyền từ chối bất cứ hành vi nào của miner mà họ không thích bằng cách áp dụng chính sách bầu chọn “phủ quyết” khi phát hiện các hành vi xấu hoặc không hiệu quả - nhằm ngăn chặn các miner PoW thực hiện việc tự viết các giao dịch để nhận thưởng. 

Lớp xác thực PoS này đã tăng cường độ bảo mật của mạng lưới rất đáng kể, tăng khả năng chống lại các hình thức tấn công diện rộng. Phương pháp chung của việc thực hiện một vụ tấn công chi tiêu 2 lần chính là việc viết lại blockchain bằng cách khai thác trên một chuỗi thay thế trong bí mật và sau đó phát hành lại chuỗi này sau một khoảng thời gian nhất định, từ đó chiếm đoạt từ việc vô hiệu hóa các giao dịch trên chuỗi “cũ” (ví dụ: bằng cách chi tiêu khoản đầu vào 2 lần). Do các block của Decred yêu cầu đầu vào từ các ticket được lựa chọn ngẫu nhiên để có thể được xem là hợp lệ, và các miner PoW sẽ không thể nào phát triển trên đó được trừ khi họ đã nhận được khoản đầu vào này, nên việc các miner PoW thực hiện khai thác bí mật là không thể, trừ khi họ chiếm được phần lớn lượng ticket hiện hành (xem thêm tại các bài viết này).

Thiết kế của đồng thuận hỗn hợp PoW/PoS làm cho chi phí tấn công mạng lưới tăng lên đáng kể bởi ở đây có tới 2 hệ thống tách biệt mà hacker phải phá vỡ để có thể thực hiện vụ tấn công. Đặc biệt, thành tố PoS được cấu hình để các ticket được phát ra một cách chậm rãi. Số lượng ticker giới hạn được mua theo từng block/từng quãng, giá mua sẽ tăng lên rất cao nếu mua với khối lượng tối đa. Thêm vào đó, một khi các ticket này đã được mua thành công, số tiền sử dụng để mua sẽ bị khóa theo thời gian, kẻ tấn công sẽ phải chịu rủi ro mất giá trị đối với số lượng coin đã bị khóa của họ, vì lý do chính từ vụ tấn công mà họ thực hiện. 

Điều kiện mà mỗi block được bầu chọn theo các stakeholder được lựa chọn ngẫu nhiên ở đây có nghĩa là blockchain sẽ phải được chia sẻ với toàn bộ người tham gia khi nó được khai thác, từ đó làm tăng cường bảo mật cho mạng lưới. Hệ thống hỗn hợp của Decred, do đó, đã được thiết kế nhằm mang lại sức mạnh áp đảo cho các stakeholder đối với các miner PoW. 


Bầu chọn thay đổi trong đồng thuận

Ngay từ đầu, Decred đã quyết định đặt các stakeholder PoS làm lực lượng có quyền quyết định, chi phối toàn bộ blockchain của nó. Điều này được viết trong quy tắc đồng thuận dưới dạng một quy trình phê chuẩn nâng cấp trong đó bất cứ thay đổi nào trong quy tắc đồng thuận sẽ chỉ có thể được thực hiện khi đã vượt qua được quy trình bầu chọn. Các thay đổi này chỉ được thông qua nếu nhận được 75% số phiếu thuận từ các ticket. Quy trình thay đổi sẽ bắt đầu khi một số lượng miner (95%) và voter (75%) đã chạy phần mềm nâng cấp áp dụng ngầm các thay đổi này đối với bộ quy tắc. Nếu đề xuất nhận được 75% ủng hộ sau thời gian 4 tuần bầu chọn, khi đón nó sẽ được chấp thuận, và ngược lại, sẽ tiến hành bầu chọn một lần nữa. Sau khi đề xuất được thông qua, các thay đổi trong bộ quy tắc sẽ có hiệu lực sau 1 tháng. 


Giải thích cơ chế đồng thuận hỗn hợp PoW/PoS


Quản lý dự án: Politeia

Các phần thưởng block của Decred được phân chia cho miner PoW (60%), voter PoS (30%), và Quỹ dự trữ (10%) để chi tiêu việc phát triển phần mềm mã nguồn mở phục vụ cho các mục tiêu xa hơn của dự án. Những người nắm giữ các ticket có quyền bầu chọn cách thức sử dụng quỹ này như thế nào, cần bổ sung những tính năng nào, và quyết định chính sách thông qua nền tảng Politeia


Kết Luận 

Do các voter PoS chỉ nhận được 30% trong số phần thưởng block, họ không thể duy trì được tỷ lệ lưu hành đồng DCR của mình chỉ bằng cách đóng cổ phần được. Phần lớn các đồng DCR mới sinh ra đều thuộc về các miner PoW để đổi lại việc họ chịu trách nhiệm đảm bảo an ninh cho mạng lưới và giải quyết vấn đề “cổ phần bằng 0” của hệ thống thuần PoS. Các miner về cơ bản sẽ phải bán một lượng lớn phần thưởng họ nhận được để bù chi phí vận hành, đảm bảo việc sẽ luôn có nguồn cung DCR hợp lý ra thị trường. 

Blockchain của Decred thể hiện một kiến trúc độc nhất, là một ví dụ điển hình của hệ thống đồng thuận hỗn hợp PoW/PoS. Tương tự, các dự án đồng thuận PoS thường sẽ nhóm một số biến thể quan trọng bên trong lại với nhau, và với các dự án triển khai đồng thuận hỗn hợp PoW/PoS trong tương lai cũng sẽ mang tính duy nhất và không nhất thiết phải đi theo khuôn mẫu của Decred. 

Loading