Bằng chứng công việc và bằng chứng cổ phần
Nguyên tắc mật mã ngăn chặn việc giả mạo dữ liệu lịch sử. Nhưng mọi người đều có một bản sao của sổ cái. Điều gì xảy ra khi Alice nói với một số nút rằng cô ấy đã trả tiền cho Bob, và nói với các nút khác rằng cô ấy đã trả tiền cho Carol? Ai quyết định phiên bản nào là đúng? Đây là Vấn đề tướng Byzantine, và các cơ chế đồng thuận blockchain giải quyết nó.
Các blockchain đạt được sự đồng thuận như thế nào? Chúng giải quyết vấn đề đồng thuận phi tập trung bằng cách làm cho việc nói dối tốn kém hơn so với hành vi trung thực. Thay vì cố gắng xác định ai đáng tin cậy, các cơ chế đồng thuận như Bằng chứng công việc và Bằng chứng cổ phần khiến cho việc gian lận trở nên phi kinh tế.
Vấn đề các tướng Byzantine
Vấn đề các tướng Byzantine minh họa lý do tại sao đồng thuận phân tán về mặt toán học là không thể đối với các mạng mở.
Bạn là một tướng Byzantine đang lên kế hoạch tấn công một thành phố kiên cố. Bạn có một số tướng đồng minh đóng quân xung quanh thành phố, mỗi người chỉ huy quân đội của riêng mình. Để thành công, bạn phải phối hợp một cuộc tấn công đồng thời. Nếu một số tấn công trong khi những người khác rút lui, lực lượng tấn công sẽ bị tiêu diệt.
Bạn chỉ có thể giao tiếp thông qua các sứ giả, và một số tướng có thể là kẻ phản bội muốn cuộc tấn công thất bại. Kẻ phản bội có thể:
Gửi thông điệp "tấn công" cho một số tướng và "rút lui" cho những tướng khác
Sửa đổi thông điệp từ các tướng trung thành khi chúng đi qua
Phối hợp với các kẻ phản bội khác để tối đa hóa sự nhầm lẫn
Làm thế nào để đạt được đồng thuận về "tấn công" hay "rút lui" khi bạn không thể phân biệt các tướng trung thành với kẻ phản bội, và bạn không thể tin tưởng các kênh giao tiếp?
Các nhà khoa học máy tính thực sự đã giải quyết vấn đề này về mặt toán học vào những năm 1980, cho thấy rằng để chịu được f kẻ phản bội, bạn cần ít nhất 3f+1 người tham gia. Giải pháp yêu cầu nhiều vòng giao tiếp, khi mà tất cả các tướng cần báo cáo các lệnh họ nhận được cho nhau.
Giải pháp toán học này hoạt động, nhưng không thực tế cho các mạng mở:
Bạn phải biết chính xác tất cả các người tham gia trước
Nhiều vòng thông điệp giữa mọi cặp người tham gia
Độ phức tạp giao tiếp tăng theo cấp số nhân với kích thước mạng
Trong một hệ thống không cần phép, kẻ tấn công có thể tạo ra vô số danh tính giả
Bạn không thể dựa vào danh tính trong các mạng mở—kẻ tấn công có thể tạo ra bao nhiêu tùy thích. Thay vào đó, các blockchain dựa vào thứ khác tốn kém hơn để giả mạo.
Bằng chứng công việc: Đồng thuận tính toán
Những người lạ đồng thuận với nhau mà không cần sự phân quyền bằng cách làm cho việc nói dối tốn kém hơn việc trung thực. Bằng chứng công việc khiến cho việc đề xuất các khối trở nên tốn kém bằng cách yêu cầu công việc tính toán.
Để đề xuất những gì nên xảy ra tiếp theo trong các hệ thống Bằng chứng công việc, bạn phải chứng minh rằng bạn đã thực hiện công việc tính toán tốn kém đó. Các thợ đào thu thập các giao dịch đang chờ xử lý vào một khối, sau đó tìm một số ngẫu nhiên (nonce) mà khi kết hợp với dữ liệu khối và băm, tạo ra một kết quả bắt đầu bằng nhiều số không. Thợ đào đầu tiên tìm thấy số này sẽ lan truyền giải pháp của họ đến mạng, nơi mà những người tham gia khác có thể ngay lập tức xác minh giải pháp là đúng và chấp nhận khối mới.
Việc tìm nonce yêu cầu hàng nghìn tỷ lần đoán ngẫu nhiên. Khai thác Bitcoin hiện đại yêu cầu khoảng 2^77 phép tính băm để tìm một khối hợp lệ—tức là 151 triệu tỷ tỷ lần thử. Việc xác minh giải pháp chỉ mất vài mili giây.
Mỗi khối tham chiếu đến mã băm của khối trước, tạo thành một chuỗi. Để viết lại lịch sử, một kẻ tấn công sẽ cần phải thực hiện lại tất cả công việc tính toán tuần tự trong khi các thợ đào trung thực tiếp tục mở rộng chuỗi thực. Kẻ tấn công sẽ cần vượt qua toàn bộ sức mạnh tính toán kết hợp của mạng.
Độ khó được điều chỉnh tự động để duy trì thời gian khối 10 phút của Bitcoin. Nếu các khối đến nhanh hơn, độ khó tăng lên. Nếu các khối đến chậm hơn, độ khó giảm xuống. Điều này duy trì việc sản xuất khối có thể dự đoán được bất kể có bao nhiêu sức mạnh khai thác tham gia hoặc rời khỏi mạng.
Tấn công tốn nhiều điện hơn so với lợi ích mà kẻ tấn công có thể thu được. Khi vẫn giữ điều này, mạng lưới vẫn an toàn.
Bằng chứng cổ phần: Đồng thuận kinh tế
Bằng chứng cổ phần thay thế công việc tính toán bằng cổ phần kinh tế. Thay vì tiêu thụ điện năng, những người tham gia đặt tiền của chính họ vào rủi ro.
Những người tham gia khóa các token tiền điện tử làm tài sản thế chấp. Giao thức sẽ lựa chọn ngẫu nhiên các trình xác thực để đề xuất các khối, được đặt trọng số theo cổ phần của họ. Các trình xác thực được chọn đề xuất các khối, và các trình xác thực khác bỏ phiếu chấp nhận hoặc từ chối. Hành vi trung thực mang lại phần thưởng; hành vi không trung thực dẫn đến việc bị cắt giảm tiền cọc, khiến một phần token đã đặt cọc bị hủy.
Các trình xác thực có lợi ích trong trò chơi. Việc tấn công mạng sẽ phá hủy giá trị của các token đã đặt cọc thông qua việc cắt giảm khoản cọc. Mất mát về mặt kinh tế từ việc tấn công vượt quá bất kỳ lợi ích tiềm năng nào từ cuộc tấn công.
Bằng chứng cổ phần có hai lợi thế chính so với Bằng chứng công việc.
Đầu tiên là tính hoàn thiện về mặt toán học. Sau khoảng 13 phút trong các hệ thống như Ethereum, các giao dịch trở nên không thể đảo ngược về mặt toán học. Một đa số tuyệt đối các trình xác thực đã xác nhận khối, và việc đảo ngược nó sẽ yêu cầu phá hủy một lượng lớn vốn một cách có thể chứng minh. Điều này khác với tính hoàn thiện về xác suất của Bằng chứng công việc, khi mà các khối trở nên ngày càng khó đảo ngược nhưng không bao giờ hoàn toàn không thể.
Thứ hai là hiệu quả năng lượng. Các trình xác thực chạy các máy chủ tiêu chuẩn, không phải phần cứng khai thác chuyên dụng tiêu thụ hàng gigawatt. Bằng chứng cổ phần cũng cho phép phân mảnh—chia mạng thành các chuỗi song song để tăng thông lượng. Bằng chứng công việc không thể triển khai phân mảnh một cách an toàn vì việc chia nhỏ sức mạnh khai thác làm giảm độ bảo mật.
Các trình xác thực hành động hợp lý và coi trọng vốn đã đặt cọc của họ. Khi chi phí tấn công (tiền cọc bị cắt giảm) vượt quá lợi ích tiềm năng, mạng lưới vẫn an toàn.
Bộ ba bất khả tri của blockchain
Bộ ba bất khả tri của blockchain cho rằng đồng thuận blockchain chỉ có thể tối ưu hóa tối đa hai trong ba thuộc tính sau.
Bảo mật là khả năng chống lại các cuộc tấn công và kiểm duyệt. Liệu mạng có thể duy trì đồng thuận ngay cả khi một số người tham gia cố gắng phá vỡ nó?
Khả năng mở rộng là thông lượng giao dịch cao. Mạng có thể xử lý bao nhiêu giao dịch mỗi giây?
Phi tập trung có nghĩa là không có điểm kiểm soát duy nhất. Có bao nhiêu người tham gia độc lập xác nhận giao dịch?
Bitcoin đã chọn bảo mật và phi tập trung thay vì khả năng mở rộng. Mạng chưa bao giờ bị tấn công thành công và chạy trên hàng nghìn trình xác thực độc lập, nhưng chỉ xử lý khoảng 7 giao dịch mỗi giây. Ethereum trước các bản nâng cấp gần đây đã đưa ra các lựa chọn tương tự—bảo mật mạnh mẽ và phi tập trung nhưng chỉ khoảng 15 giao dịch mỗi giây.
Các hệ thống thanh toán truyền thống như Visa đã chọn khả năng mở rộng và bảo mật thay vì phi tập trung. Họ xử lý 65,000 giao dịch mỗi giây với bảo mật mạnh mẽ, nhưng một công ty duy nhất kiểm soát toàn bộ hệ thống.
Điều này giải thích tại sao "chỉ làm cho nó nhanh hơn" không hiệu quả. Tăng kích thước khối cho phép nhiều giao dịch hơn mỗi khối, nhưng yêu cầu băng thông và lưu trữ nhiều hơn, giảm số lượng người tham gia có việc xác nhận—hy sinh tính phi tập trung. Giảm thời gian khối tăng thông lượng, nhưng gây ra nhiều nhánh và khối đơn lẻ hơn, giảm khả năng bảo mật.
Các giải pháp Layer 2, sharding và các cơ chế đồng thuận mới cố gắng phá vỡ bộ ba bất khả tri, mỗi giải pháp đều có những đánh đổi khác nhau.
Đảm bảo về kinh tế
Cả Bằng chứng công việc (Proof of Work) và Bằng chứng cổ phần (Proof of Stake) đều biến vấn đề bảo mật từ mật mã học sang kinh tế học. Mạng lưới được duy trì an toàn không phải bởi vì việc tấn công là không thể, mà vì việc tấn công là không mang lại lợi ích.
Trong Bằng chứng công việc, chi phí tấn công là điện và phần cứng để vượt qua tất cả các thợ mỏ trung thực. Lợi ích từ tấn công là giá trị của các giao dịch bị chi tiêu hai lần. Bảo mật được duy trì khi chi phí tấn công vượt quá lợi ích từ tấn công.
Trong Bằng chứng cổ phần, chi phí tấn công là cổ phần bị cắt giảm (vốn bị phá hủy). Lợi ích từ tấn công vẫn là giá trị của các giao dịch bị chi tiêu hai lần. Bảo mật được duy trì khi cổ phần bị cắt giảm vượt quá lợi ích từ tấn công mang lại.
Chi phí là có thể chứng minh và tự động. Trong Bằng chứng công việc, hóa đơn điện là không thể tránh khỏi. Trong Bằng chứng cổ phần, việc cắt giảm cổ phần được thực hiện bằng mật mã. Kẻ tấn công không thể tránh được những chi phí này.
Hành vi trung thực có lợi, hành vi gian lận có hại. Những người tham gia chọn trung thực vì nó mang lại lợi ích tốt hơn. Điều này biến Vấn đề Tướng Byzantine từ một câu hỏi về danh tính ("ai có thể tin tưởng?") thành một câu hỏi kinh tế ("các hành vi nào được khuyến khích?").
Những mô hình đảm bảo về kinh tế này là nền tảng cho tất cả các blockchain hiện đại. Bitcoin là blockchain đầu tiên, chọn các đánh đổi cụ thể đã định hình toàn bộ ngành công nghiệp.