Đồng thuận Nakamoto là gì? Hướng dẫn hoàn chỉnh cho người mới bắt đầu

Các thuật toán đồng thuận là điều tối quan trọng để xác minh tính xác thực của các nền tảng blockchain phân tán và là quá trình xây dựng thỏa thuận giữa một mạng lưới những người tham gia tin tưởng lẫn nhau.

Được tạo bởi Satoshi Nakamoto cho Bitcoin, Nakamoto Consensus đề cập đến bộ quy tắc, kết hợp với mô hình đồng thuận Proof of Work trong mạng, chi phối cơ chế đồng thuận và đảm bảo tính chất không tin cậy của nó. Khi làm như vậy, Bitcoin đã trở thành mạng Byzantine Fault Tolerant (BFT) đầu tiên được mở và phân phối ngang hàng (P2P) sử dụng mạng phân tán gồm các nút ẩn danh có thể tự do tham gia và rời khỏi mạng theo ý muốn.

Byzantine Fault Tolerance (BFT)

Khả năng chịu lỗi của Byzantine là khả năng của mạng máy tính phân tán duy trì khả năng chịu lỗi với sự đồng thuận hợp lệ bất chấp thông tin không hoàn hảo hoặc các thành phần của mạng bị lỗi. Trước Bitcoin, cách duy nhất để duy trì mạng BFT, P2P là sử dụng một nhóm các nút khép kín hoặc nửa kín. Ngoài ra, các thuật toán BFT truyền thống như Khả năng chịu lỗi Byzantine Thực tế (pBFT) sử dụng phương pháp lựa chọn nút khác với phương pháp hiện đang được sử dụng trong Đồng thuận Nakamoto.

Việc duy trì BFT trong một mạng mở và phân tán lớn như Bitcoin đòi hỏi phải sử dụng một bộ quy tắc cụ thể dựa trên cả cơ chế lý thuyết trò chơi và mật mã để tạo ra môi trường không tin cậy cần thiết để tạo điều kiện cho sự đồng thuận phi tập trung trên mạng chuyển giao giá trị.

Trong các hệ thống pBFT, mô hình đồng thuận chỉ hoạt động trong các nhóm nhỏ các nút đóng (~ 50) nơi có một lượng lớn chi phí giao tiếp khiến các mô hình đồng thuận này không thể hoạt động trên quy mô lớn. Để đạt được sự đồng thuận trong các hệ thống có lỗi tùy ý thường yêu cầu một hệ thống biểu quyết cụ thể để giúp đạt được sự đồng thuận. Liên quan đến các nền tảng tiền điện tử sử dụng mô hình đồng thuận pBFT, cơ chế bỏ phiếu này được dự đoán trên một hệ thống các nút “lãnh đạo” luân phiên theo định dạng kiểu vòng tròn. Vì hệ thống bao gồm một mạng lưới các nút đóng, hạn chế, nên việc các nút này giao tiếp hiệu quả với nhau và xác định xem ai là “nhà lãnh đạo” đề xuất mỗi khối mới là.

Đọc thêm về Khả năng chịu lỗi Byzantine Thực tế

Nếu người lãnh đạo có hành vi ác ý, họ có thể bị loại bỏ bởi đa số phiếu bầu từ các nút. Tuy nhiên, điều này rõ ràng không mở rộng quy mô tốt trong một hệ thống như Bitcoin, nơi mà sự đồng thuận về toàn bộ trạng thái của blockchain và tính hợp lệ của tất cả các giao dịch của nó được phân phối đến hàng nghìn nút trên khắp thế giới liên tục kết nối và ngắt kết nối khỏi mạng. Hơn nữa, cần phải có một cái giá cố hữu để tham gia vào hệ thống đồng thuận này để ngăn cản những người tham gia hành động theo cách độc hại.

Vì vậy, để Bitcoin hoạt động như một mạng P2P chịu lỗi của Byzantine, nó đã giới thiệu thuật toán đồng thuận khai thác PoW kết hợp với một bộ quy tắc cụ thể chi phối cơ chế nhằm đạt được sự đồng thuận không tin cậy trên toàn mạng. Điều này được gọi là Đồng thuận Nakamoto cổ điển.

Sự đồng thuận của Nakamoto hoạt động như thế nào?

Sự đồng thuận của Nakamoto có thể được chia thành khoảng 4 phần.

• Bằng chứng công việc (PoW)
• Lựa chọn khối
• Sự khan hiếm
• Cơ cấu khuyến khích

Sự kết hợp và hài hòa của 4 thành phần này của Bitcoin cho phép nó trở thành mạng lưới phân tán để chuyển giao giá trị. Nó hoạt động với sự đồng thuận không đáng tin cậy và sẽ vẫn an toàn miễn là phần lớn quyền lực đóng góp vào quá trình khai thác nằm trong tay những người khai thác trung thực, như bạn sẽ thấy tiếp theo.

Bằng chứng làm việc

Nhìn chung, động cơ quan trọng nhất thúc đẩy sự đồng thuận trong Bitcoin là giao thức đồng thuận Proof of Work. Về cơ bản, các thợ đào sử dụng một nút đầy đủ cụ thể để cạnh tranh trong các khối khai thác nhằm kiếm phần thưởng khối được phát cho mỗi khối được khai thác và xác thực thành công. Chi phí của quá trình khai thác này là điện, có giá trị tài chính thực tế, do đó mang lại cho BTC được phát hành cho mỗi khối được khai thác một giá trị vốn có.

Đọc thêm về khai thác Bitcoin

PoW trong Bitcoin được thiết kế để ngăn chặn chi tiêu gấp đôi. Mặc dù lược đồ chữ ký điện tử trong mô hình UTXO cung cấp quyền sở hữu có thể xác minh được đối với các đầu ra giao dịch sẽ được chi tiêu, nhưng nó không cho phép ngăn chặn chi tiêu kép. Blockchain là một chuỗi các khối dữ liệu được đánh dấu thời gian chứa các giao dịch với mỗi khối được băm thành khối trước đó. Điều này cung cấp tính bất biến cho chuỗi khối, nhưng làm thế nào bạn có thể biết chuỗi bạn đang sử dụng có phải là chuỗi chính xác hay không? Đây là lúc PoW xuất hiện.

Đóng góp vào việc khai thác dựa trên sức mạnh tính toán, bạn càng có nhiều sức mạnh trong mạng, bạn càng có nhiều khả năng khai thác một khối. Tuy nhiên, quá trình này là ngẫu nhiên, vì vậy về cơ bản nó là một cuộc xổ số với cơ hội ngẫu nhiên ai sẽ thắng, vì vậy không thể biết ai sẽ thắng trong vòng tiếp theo và chi phí để tham gia sẽ tiếp tục tăng lên. Do mô hình này, chuỗi dài nhất được coi là chuỗi hợp lệ vì nó đến từ nguồn sức mạnh tính toán lớn nhất. Các quy tắc xác thực đảm bảo rằng các khối được đề xuất phải thực hiện công việc tính toán cần thiết để được chấp nhận. Hơn nữa, miễn là chuỗi dài nhất và phần lớn sức mạnh băm của mạng được kiểm soát bởi các nút trung thực, thì chuỗi trung thực sẽ phát triển nhanh nhất và vượt xa các chuỗi cạnh tranh.

Kết quả của hệ thống này là khi câu đố mật mã cho vòng khai thác được giải quyết, người khai thác đề xuất khối cho mạng, mạng xác nhận khối nếu tất cả các giao dịch trong khối không được chi tiêu gấp đôi và khối được thêm vào chuỗi dài nhất. Với một mạng phân tán khổng lồ như Bitcoin, chi phí tấn công mạng thông qua cuộc tấn công 51% là rất lớn và chỉ phát triển lớn hơn khi mạng tiếp tục phát triển.

Máy tính tấn công 51%

Lựa chọn khối

Quy trình lựa chọn khối được sử dụng bởi Nakamoto Consensus là một trong những thành phần quan trọng giúp phân biệt nó với các mô hình đồng thuận khác. Vì mô hình được dự đoán trên thiết kế PoW, nên quy trình chọn khối đề cập cụ thể đến quy trình “xổ số” cho các thợ đào cạnh tranh để giành phần thưởng khối khi khai thác khối tiếp theo.

Hãy nhớ rằng, trong pBFT, người đứng đầu khối được chọn thông qua quy trình bỏ phiếu và được thay thế theo định dạng vòng tròn tính điểm mỗi vòng. Không có hoạt động khai thác trong hệ thống này, các khối được lựa chọn để thêm vào chuỗi bởi người lãnh đạo và cần được ít nhất ⅔ các nút khác chấp thuận. Trong Bitcoin, không có quy trình bỏ phiếu để xác định người đứng đầu khối. Thay vào đó, nó sử dụng một câu đố mật mã được dự đoán bằng cách tăng một số nonce trong khối cho đến khi đạt được giá trị chính xác đại diện cho hàm băm của khối và các bit 0 cần thiết cho phần đầu của khối nonce.

Các thợ mỏ trong mạng đều cạnh tranh để giải câu đố này và người đầu tiên tìm ra lời giải sẽ thắng trong vòng xổ số. Sau đó, khối được người khai thác truyền qua mạng tới các nút khai thác khác, những người này ngầm bỏ phiếu chấp nhận khối là hợp lệ bằng cách thêm khối vào chuỗi dài nhất. Kết quả của quá trình này là loại bỏ ảnh hưởng của bên thứ ba tiềm ẩn đối với người lãnh đạo khối vì quá trình này là ngẫu nhiên và người đứng đầu không thể dự đoán được. Cách duy nhất để thắng xổ số là đóng góp sức mạnh băm cho mạng với hy vọng giành chiến thắng và khi bạn không thắng, năng lượng tiêu hao sẽ trở thành chi phí chìm, bổ sung vào cấu trúc khuyến khích khai thác. Sẽ trở thành một chi phí cố hữu để tham gia, cho dù bạn khai thác thành công các khối hay không.

Sự khan hiếm

Trước khi tiền tệ lạm phát do hệ thống ngân hàng dự trữ phân đoạn thống trị bối cảnh tiền tệ toàn cầu, kim loại quý là hình thức lưu trữ giá trị và thương mại chính. Một trong những lý do chính khiến chúng được sử dụng và vẫn giữ nguyên giá trị lịch sử (ví dụ như vàng và bạc) là vì chúng khan hiếm. Chúng không chỉ khan hiếm mà còn đòi hỏi nỗ lực (PoW ở trên) để khai thác và sử dụng chúng.

Sự khan hiếm của Bitcoin dựa trên tiền đề này bằng cách giới hạn tổng số Bitcoin sẽ được khai thác là 21 triệu. Ngoài ra, Bitcoin chỉ có thể được đưa vào hệ thống thông qua quá trình khai thác và nó tuân theo sơ đồ giảm phát trong đó phần thưởng khối giảm đi một nửa sau mỗi 210.000 khối (~ 4 năm).

Cơ cấu khuyến khích

Thiết kế giảm phát của Bitcoin tạo ra một cơ chế khuyến khích các lợi ích lâu dài của chủ sở hữu Bitcoin và những người tham gia vào mạng Bitcoin để bảo mật và xác thực mạng hơn nữa đồng thời hỗ trợ sự tăng trưởng giá trị của chính Bitcoin. Bản chất giảm phát của Bitcoin cũng tạo ra một mô hình lý thuyết trò chơi lặp đi lặp lại trong đó sự hợp tác giữa các cá nhân trong mạng là tối ưu thông qua các lợi ích phù hợp được thúc đẩy bởi giảm phát trong dài hạn.

Những người khai thác được khuyến khích xác thực và bảo mật mạng một cách trung thực, vì phần thưởng họ nhận được khi khai thác một khối là Bitcoin. Nếu giá trị của Bitcoin giảm hoặc mạng bị xâm phạm, điều đó sẽ ảnh hưởng đến lợi nhuận của họ.

Điều quan trọng, Bitcoin, sử dụng Sự đồng thuận của Nakamoto, là một có thể mở rộng xã hội mạng lưới. Thông qua các thiết kế khuyến khích, PoW và các bộ quy tắc điều chỉnh cơ chế đạt được sự đồng thuận không đáng tin cậy, Bitcoin khắc phục các vấn đề cố hữu trong bản chất con người để trở thành một nguồn giá trị nội tại đáng tin cậy và hợp pháp.

Phần kết luận

Đồng thuận Nakamoto là cơ chế đồng thuận đầu tiên được áp dụng cho các hệ thống sổ cái phân tán vì nó trùng hợp với việc phát minh ra các blockchains và được đặt theo tên kiến ​​trúc sư bí ẩn của nó. Thuật ngữ “blockchain” được tung ra bừa bãi trong những ngày này như một giải pháp cho mọi vấn đề dưới ánh mặt trời.

Blockchains là một thành phần quan trọng của tiền điện tử, tuy nhiên, tiềm năng to lớn của chúng sẽ không thể thực hiện được nếu không kết hợp với các thành phần khác của nền tảng. Trong Bitcoin và một số loại tiền điện tử bằng chứng về công việc khác, đây là Sự đồng thuận của Nakamoto và điều quan trọng là tạo ra một mạng xã hội có thể mở rộng như Bitcoin.