Bằng chứng công việc (PoW) tương tự như các bằng cấp hoặc bằng lái xe trong cuộc sống thực, nơi xác nhận được đạt được thông qua thi cử (ví dụ, vượt qua các bài kiểm tra liên quan). Trong thế giới mật mã học, PoW phục vụ như mô hình đồng thuận cơ bản cho các mạng blockchain, thiết lập tiêu chuẩn cho các nút đạt được sự đồng thuận. Mô hình này xác nhận các giao dịch và tạo ra các khối mới trong blockchain, thiết lập một cơ chế khuyến khích thưởng cho các nút thành công tạo ra các khối.

Đề xuất về PoW

Nghiên cứu học thuật liên quan đến PoW bắt đầu vào đầu những năm 1990. Năm 1993, nhà khoa học máy tính người Mỹ và giáo sư Cynthia Dwork của Đại học Harvard đã đề xuất khái niệm PoW để giải quyết các vấn đề email spam. Năm 1997, Adam Back đã phát minh ra công nghệ HashCash, áp dụng cơ chế PoW để chống lại các cuộc tấn công từ chối dịch vụ và lạm dụng email spam. Điều này yêu cầu mỗi người gửi email thực hiện một lượng nhỏ tính toán băm, cố ý gây ra sự chậm trễ ngắn.
Công nghệ HashCash sau này được sử dụng rộng rãi cho việc lọc rác và được triển khai bởi Microsoft trong các sản phẩm như Hotmail, Exchange và Outlook. Vào năm 2008, Satoshi Nakamoto đã áp dụng khái niệm PoW cho sự đồng thuận blockchain trong bài báo căn bản “Bitcoin: Hệ thống Tiền điện tử Ngang hàng,” giới thiệu thuật toán đồng thuận PoW cho hệ thống Bitcoin.

Nguyên lý

Thuật toán đồng thuận PoW dựa trên các hàm băm. Đối với một chuỗi đầu vào cụ thể s, hàm băm H(s) tạo ra một đầu ra cố định, và việc tính toán của H(s) là hiệu quả. Các hàm băm được sử dụng trong các hệ thống blockchain như Bitcoin và Ethereum phải đáp ứng ba tiêu chí sau:

1. Kháng va chạm: Nên rất không xác định khi hai đầu vào khác nhau tạo ra cùng một đầu ra băm.
2. Không thể đảo ngược: Với đầu ra băm H(s) cho trước, việc đảo ngược đầu vào sss theo cách tính toán là không khả thi.
3. Không thể đoán trước: Ngoài phương pháp tấn công bằng sức mạnh thô, không phương pháp nào khác nên có thể tạo ra một đầu vào mà băm thành một giá trị mục tiêu cụ thể.

Cách Hoạt Động

Thuật toán đồng thuận PoW tuân theo các bước sau:

1. Thiết lập mức độ khó: Hệ thống xác định một giá trị khó toàn cầu, quy định kết quả tính toán băm cần thiết cho khối tiếp theo. Thông thường, giá trị băm phải nhỏ hơn ngưỡng nhất định. Khi mạng mở rộng, mức độ khó tăng lên và hệ thống đều đặn điều chỉnh mức độ khó.
2. Gói giao dịch: Các nút thu thập nhiều tin nhắn giao dịch và đóng gói chúng vào thân của một khối mới.
3. Tạo khối tiêu đề: Các nút tạo khối tiêu đề, thường bao gồm giá trị băm của khối trước đó, giá trị băm của các giao dịch trong khối mới, giá trị độ khó hiện tại, mốc thời gian và giá trị nonce ngẫu nhiên.
4. Tính toán hash: Các nút sử dụng thuật toán hash cụ thể (ví dụ, double SHA-256 trong Bitcoin) để tính toán hash của tiêu đề khối. Nếu hash không đáp ứng yêu cầu độ khó, các nút sẽ sửa đổi nonce và tính toán lại hash. Nút thành công tính toán hash đáp ứng yêu cầu độ khó sẽ phát sóng khối mới đến mạng.
   
5. Xác minh và chấp nhận: Các nút nhận khối phát sóng xác minh tính hợp lệ của nó (ví dụ, bằng cách băm đôi SHA-256 tiêu đề khối trong Bitcoin). Nếu xác minh thành công, họ chấp nhận khối mới và thêm vào bản sao cục bộ của họ của sổ cái phân phối.
6. Cuộc thi cho khối tiếp theo: Các nút bắt đầu cạnh tranh để có quyền thêm khối tiếp theo.
   Trong thuật toán PoW, chỉ có nút đầu tiên tính toán được một hash đáp ứng yêu cầu về độ khó mới có quyền thêm khối mới vào sổ cái phân tán. Các nút khác sau đó sao chép khối mới để duy trì tính nhất quán trên toàn bộ sổ cái phân tán.

Giới hạn

Thuật toán đồng thuận PoW phụ thuộc vào sức mạnh tính toán để phân phối quyền ghi lại giao dịch. Khi quy mô của mạng blockchain tăng lên, điều này dẫn đến lãng phí đáng kể của tài nguyên tính toán và điện năng. Vào năm 2020, mạng Bitcoin tiêu thụ 134,89 tỷ kilowatt-giờ, tương đương với lượng tiêu thụ điện hàng năm của một tỉnh. Việc tiêu thụ năng lượng cao này là một hạn chế lớn của PoW.
Hơn nữa, thời gian tính toán dài dòng của thuật toán đồng thuận PoW dẫn đến thời gian chờ đợi kéo dài để có quyền ghi lại, từ đó kéo dài chu kỳ xác nhận giao dịch và giảm hiệu suất tạo khối. Ví dụ, Bitcoin tạo ra một khối khoảng mỗi 10 phút, hạn chế số giao dịch mỗi giây (TPS) và làm nổi bật ràng buộc về hiệu suất của thuật toán đồng thuận PoW.