Blockchain đang là từ khoá “hot” xuất hiện liên tục trên các tiêu đề do sự phổ biến của các loại tiền điện tử như Bitcoin và Ethereum. Nhiều tổ chức đang sử dụng tiền điện tử để tạo ra các luồng doanh thu mới. Và như chúng ta đều biết rằng “trái tim” của blockchain chính là thuật toán đồng thuận (consensus). Các thuật toán đồng thuận được hiểu đơn giản là những cơ chế được sử dụng trong các hệ thống máy tính phân tán nhằm đạt được thoả thuận về một giá trị dữ liệu hoặc một trạng thái duy nhất của mạng giữa cá máy tính trong hệ thống. Có vô càn những ý tưởng về consensus tuyệt vời. Bài viết này sẽ giới thiệu tóm tắt các consensus đó.

Bên cạnh đó các tổ chức đang triển khai blockchain cho các ứng dụng khác nhau như bảo mật dữ liệu và xác minh danh tính của các nhà đầu tư, các ứng dụng này sử dụng nhiều loại cơ chế đồng thuận blockchain khác nhau. Các cơ chế đồng thuận trong chuỗi khối về cơ bản giúp đảm bảo rằng tất cả các nút trên mạng được đồng bộ hoá và giaoo dịch hợp pháp. Điều này là cần thiết cho các mạng blockchain để đảm bảo rằng mọi nút đều được kết nối với cùng một mạng, tất cả các giao dịch đều được xác minh thường xuyên. Các tổ chức và nhà phát triển blockchain phải đưa ra quyết định sáng suốt trong việc lựa chọn cơ chế đồng thuận phù hợp sự mong muốn của mình cùng  với các ứng dụng khác nhau ta có thể lựa chọn cơ chế đồng thuận khác nhau để đem lại hiệu quả tốt nhất.

CÁC LOẠI CƠ CHẾ ĐỒNG THUẬN BLOCKCHAIN

Các cơ chế đồng thuận trong chuỗi khối có thể được chia thành 8 loại:

1. Proof of Work

Ưu điểm:
Đã chạy từ 2009 và vẫn hoạt động tốt đến tận bây giờ

Nhược điểm:
Chậm
Tốn nhiều năng lượng
Được sử dụng
Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Dogecoin etc.
Type: Đồng thuận cạnh tranh (Competitive consensus) .

Giải thích:

Đây là thuật toán đồng thuận đầu tiên được đưa vào một blockchain bởi Satoshi Nakamoto nhằm tạo ra một thuật toán đồng thuận phi tập trung nhằm giải quyết vấn đề double-spend. PoW không phải là một ý tưởng mới thế nhưng Satoshi kết hợp nó với mới một số khái niệm khác như: cryptographic signatures, merkle chains, và P2P networks vào hệt thống phân tán với ứng dụng là Bitcoin.

Cách thức hoạt động đó là những người tham gia blockchain (được gọi là miner) phải giải bài toán cần tính toán phức tạp để có thể thêm một khối vào blockchain. Mục đích của việc này đó là người dùng phải sử dụng tài nguyên (tiền điện, đầu tư phần cứng ) của mình thì mới có thể xác thực dữ liệu vào blockchain hay còn gọi là mine block. Chính vì thế nếu cố gắng gian lận sẽ dẫn đến tài nguyên sử dụng để mine sẽ lãng phí do đó tự làm hại chính mình.

Hơn nữa độ khó của bài toán dành cho miner cũng thay đổi theo thời gian để đảm bảo thời gian để tạo một block luôn khoảng 10 phút. Đôi khi sẽ có nhiều hơn một miner mine ra các block. Trong trường hợp đó sẽ chọn một trong các chuỗi dài nhất làm chuỗi chính. Tóm lại miner chiến thắng chính là người giải được bài toán nhanh nhất và duy trì lâu nhất chính vì thế là đáng tin tưởng nhất. Vì vậy Bitcoin an toàn miễn là có hơn 50% miner trung thực trong mạng.

2. Proof of Stake

Ưu điểm:
Tiết kiệm năng lượng
Tốn nhiều chi phí để tấn công hơn

Nhược điểm:
nothing-at-stake problem
Được sử dụng
Ethereum 2.0, Peercoin, Nxt.
Type: Đồng thuận cạnh tranh (Competitive consensus) .

Giải thích:

Proof of Stake được tạo ra như một giải pháp cho các vấn đề của Proof of Work như tiết kiệm năng lượng hơn. Ở đây thay vì chạy đua trong cuộc đua sử dụng phần cứng mạnh để tính toán rồi đóng block thì ở đây xác suất đc đóng block đựa vào số lượng cổ phần mà người đó nắm giữ. Ví dụ bạn nắm 10% số lượng coin thì xác suất để đc mine block tiếp theo là 10% .

Đối với Bitcoin việc khai thác đòi hỏi rất nhiều sức mạnh tính toán để chạy các thuật toán mã hóa khác nhau. Cùng một thời điểm lại có rất nhiều miner chạy chương trình tính toán đó chính vì thế nó cần một lượng điện rất lớn để một block đc sinh ra. Một số liệu thống kê vào 2015 cho thấy một transaction Bitcoin cần một lượng điện cần thiết có thể cung cấp cho 1.57 hộ gia đình mỗi ngày. Vì thế vấn đề về điện là vấn đề lớn đối với PoW mà PoS có thể giải quyết được.

Về tính an toàn nếu bạn cố gắng tấn công thì chính bạn sẽ làm mất tiền mà bạn stake. Ở đây mất tiền nghĩa là giá trị của token của blockchain này sẽ bị mất giá vì mọi người không tin vào nó nữa điều đó đồng nghĩa với giá trị mà bạn stake cũng về 0. Không giống như POW bạn chỉ tốn tiền điện còn máy thì bạn vẫn còn. Còn một vấn đề nữa đó là nothing at stake là một lỗ hổng bảo mật xảy ra khi xảy ra fork trên chuỗi. Vì việc mining không tốn nhiều chi phí như PoW nên chiến thuật sẽ là mining ở cả 2 branch khi xảy ra fork và chi tiêu ở 1 nhánh sau đó mining ở nhánh còn lại với như vậy sẽ xảy ra double spend. Có nhiều cách giải quyết vấn đề này được đề cập trong phần đọc thêm. Ví dụ, một trong những giải pháp là trừng phạt những người miner như có hành động gian lận như vậy.

3. Proof of Authority

Ưu điểm:
Tiết kiệm năng lượng
Nhanh

Nhược điểm:
Không phân tán. Có thể sử dụng trong cách blockchain public nhưng thường được dùng trong các blockchain private và permissioned blockchains.
Được sử dụng
POA.Network, Ethereum Kovan testnet, VeChain
Type : Đồng thuận hợp tác (Collaborative consensus) .

Giải thích:

Trong các mạng sử dụng PoA các giao dịch, block sẽ được xác thực bởi các tài khoản được approved được gọi là validators. Validators chạy phần mềm giúp họ đẩy các transaction bào block, quá trình này là hoàn toàn tự động.

Sẽ có 3 điều kiện chính để trở thành validator :

Identity phải được verified on-chain, với khả năng kiểm tra chéo các thông tin đó trên publicly available domain.
Các điều kiện trở thành validators phải khó đạt được. ( ví dụ các node muốn là thành validator thì phải đc cấp license )
Phải có sự thống nhất hoàn toàn trong việc kiểm tra và thiết lập một authority
Với các validator cần phải có một động lực để giữ vị trí mà họ đã đạt được. Bằng cách gán reputation với identity, validator được khuyến khích duy trì quá trình giao dịch, vì họ không muốn mất reputation, vì vậy mất vai trò của validator khó kiếm được.

4. Proof of Elapsed Time

Ưu điểm:
Tính công bằng: Chi phí tham gia thấp. Vì vậy, nhiều người có thể tham gia dễ dàng, do đó là phi tập trung.
Tính xác thực: Dễ dàng check leader được bầu một cách hợp pháp đối với tất cả người tham gia.
Tính đầu tư: Chi phí controlling quá trình bầu leader tỷ lệ thuận với giá trị thu được từ nó.

Nhược điểm:
Không phù hợp với public blockchain
Được sử dụng
HyperLedger Sawtooth
Type: Đồng thuận cạnh tranh (Competitive consensus) .

Giải thích:

PoET là một thuật toán đồng thuận thường được sử dụng trong permissioned blockchain networks để quyết định quyền khai thác hoặc người chiến thắng trong việc mining block. permissioned blockchain networks là những mạng yêu cầu bất kỳ người tham gia nào cũng phải đăng kí identify trước khi họ được phép tham gia. Dựa trên nguyên tắc random trong đó mọi node đều có khả năng là người chiến thắng như nhau, cơ chế PoET dựa trên việc lan truyền cơ hội chiến thắng một cách công bằng trên số lượng node tham gia mạng là lớn nhất có thể.

Hoạt động của thuật toán PoET như sau. Mỗi validator trong mạng được yêu cầu chờ trong khoảng thời gian được chọn ngẫu nhiên từ một hàm được gọi là ( trusted function ) và node đầu tiên hoàn thành thời gian chờ được chỉ định sẽ được chọn là leader. Mỗi nút trong mạng blockchain tạo ra một thời gian chờ ngẫu nhiên và chuyển sang chế độ sleep trong khoảng thời gian được chỉ định đó. Người thức dậy đầu tiên – nghĩa là người có thời gian chờ đợi ngắn nhất – thức dậy và commit một khối mới vào blockchain, broadcasing các thông tin cần thiết đến toàn bộ mạng. Quá trình tương tự lặp lại để tạo ra block tiếp theo .

Cơ chế đồng thuận mạng PoET cần đảm bảo hai yếu tố quan trọng. Đầu tiên, rằng các node tham gia thực sự phải chọn một thời gian thực sự ngẫu nhiên. Hai là người chiến thắng thực sự đã hoàn thành thời gian chờ đợi.

Khái niệm PoET được phát minh vào đầu năm 2016 bởi Intel, gã khổng lồ sản xuất chip nổi tiếng. Họ cung cấp một high tech tool để giải quyết vấn đề computing của “random leader election”.

Cơ chế này cho phép các ứng dụng thực thi trusted code trong môi trường được bảo vệ và điều này đảm bảo rằng cả hai yêu cầu cho việc chọn ngẫu nhiên thời gian chờ cho tất cả các node tham gia và hoàn thành đúng thời gian chờ của người tham gia.

Cơ chế thực thi trusted code trong một môi trường an toàn cũng đảm bảo các nhu cầu thiết yếu khác của mạng. Nó đảm bảo rằng trusted code thực sự chạy trong môi trường an toàn và không bị thay đổi bởi bất kỳ người tham gia bên ngoài nào. Nó cũng đảm bảo rằng các kết quả có thể kiểm chứng được bởi những người tham gia và các thực thể bên ngoài, do đó tăng cường tính minh bạch của sự đồng thuận mạng.

PoET kiểm soát chi phí của quy trình đồng thuận này và duy trì tốc độ nhanh để chi phí vẫn tỷ lệ thuận với giá trị thu được từ quy trình, một yêu cầu chính để cryptocurrency economy tiếp tục phát triển.

5. Proof of Capacity

Ưu điểm
Tương tự như PoW nhưng sử dụng space thay vì tính toán. Như vậy thân thiện với môi trường nhiều.
Có thể được sử dụng để phát hiện malware, bằng cách xác định xem bộ đệm L1 của bộ xử lý có trống không.
Có thể được sử dụng như các biện pháp anti-spam và từ chống denial of service attack.

Nhược điểm:
Người tham gia hệ thống đc ít lợi nhuận.
Được sử dụng
Burstcoin, Chia, SpaceMint
Type: Đồng thuận hợp tác (Collaborative consensus) .

Giải thích:

Proof-of-space (PoSpace) hoặc cũng có thể gọi là Proof-of-capacity (PoC) là một phương pháp bằng cách phân bổ bộ nhớ hoặc dung lượng ổ đĩa để giải quyết bài toán do nhà cung cấp dịch vụ đưa ra. Khái niệm này được xây dựng bởi Dziembowski et al. vào năm 2015.

Proof of Space khá giống với Proof of Work, ngoại trừ việc thay vì sử dụng khả năng tính toán thì sẽ khả năng lưu trữ.

Proof-of-space là một phần dữ liệu mà prover gửi đến prover khác để xác minh rằng mình đã dành một lượng không gian nhất định. Một cách để triển khai PoSpace là sử dụng hard-to-pebble graphs. Sau đó một trình xác minh sẽ yêu cầu prover đánh label cho hard-to-pebble graph. Prover sẽ commits các label. Sau đó trình xác minh sẽ yêu cầu prover mở một số vị trí ngẫu nhiên trong commit.

Proof of Space được cho là một giải pháp công bằng hơn , tích kiệm hơn so với Proof of Work.

6. Proof of Indentity

Proof of Identity so sánh khóa cá nhân của người dùng với một danh tính được ủy quyền. Về cơ bản, Proof of Identity là một phần bằng chứng mật mã cho khóa riêng tư của người dùng được gắn bằng mật mã vào một giao dịch cụ thể.

Bất kỳ người dùng nào được xác định từ mạng Blockchain đều có thể tạo một khối dữ liệu có thể được hiển thị cho bất kỳ ai trong mạng. Proof of Identity đảm bảo tính toàn vẹn và tính xác thực của dữ liệu được tạo. Ngoài ra, các thành phố thông minh có thể sử dụng các cơ chế đồng thuận Blockchain như Proof of Identity để xác minh danh tính của công dân của họ.

7. Delegated Proof-of-Stake

Ưu điểm:
Tiết kiệm năng lượng
Nhanh

Nhược điểm:
Tập trung.
Những người tham gia stake nhiều có thể tự bỏ phiếu để trở thành validator.
Được sử dụng
BitShares, Steemit, EOS, Lisk, Ark
Type : Đồng thuận hợp tác (Collaborative consensus) .

Giải thích:

Trong DPoS các stake holders sẽ bầu ra các ng chứng nhận (witnesses) để thay họ mining block. Tiến trình này sẽ nhanh hơn một chút so với PoS. Ví dụ trong EOS, hệ thống sẽ bao gồm 21 người sẽ được chọn làm người chứng nhận ( witnesses ) và sẽ luôn giữ số lượng đó vì thế nếu 1 người cố gian lận hay có vấn đề sẽ lập cho người khác vào thay thế ngay. Những witnesses này cũng sẽ đc trả một khoản fee (tùy vào stake holders quyết định) trong việc tạo block.

Thông thường witnesses sẽ tạo ra một block trong một thời điểm và theo chiến lược round robin. Nếu một witnesses ko tạo đc block trong turn của mình thì các stake holders sẽ vote cho witnesses khác làm việc hiệu quả hơn.

DPoS , các miner không phải cạnh tranh nhau giống như PoW hay PoS vì thế mà tốc độ sẽ nhanh hơn rất nhiều .Ví dụ EOS chỉ tốn 0.5s cho một block

8. Proof of Activity

Ưu điểm:

PoA kết hợp để sử dụng hệ thống băm của PoW và chữ ký kỹ thuật số của PoS .

Nó làm giảm khả năng xảy ra cuộc tấn công 51%.

Duy trì mức độ khó để bảo vệ mạng.

PoA có khả năng chịu lỗi cao vì toàn bộ hệ thống sẽ không bao giờ tắt hoàn toàn.

Cung cấp cơ hội kiếm tiền cho cả người khai thác và người xác thực mạng.

Nhược điểm:

Sau đây là những nhược điểm của cơ chế Proof of Activity:

Tiêu thụ năng lượng cao cho các khối khai thác.

Do phải tính toán nhiều cho nên quá trình khai thác mất rất nhiều thời gian .

Yêu cầu phần cứng đắt tiền để giải thuật toán.

Giải thích:

Để tránh việc xảy ra siêu lạm phát (điều xảy ra khi có quá nhiều coin trên hệ thống) bitcoin sẽ chỉ tạo ra 21 triệu bitcoin. Điều đó có nghĩa là, đến một lúc nào đó, phần thưởng khối bitcoin sẽ kết thúc và những người khai thác bitcoin sẽ chỉ nhận được phí giao dịch.

Một số người đã suy đoán điều này có thể gây ra các vấn đề bảo mật do mọi người hành động đều vì lợi ích cá nhân và làm hỏng hệ thống. Vì vậy, bằng chứng về hoạt động đã được tạo ra như một cấu trúc có thể thay thế cho consensus của bitcoin hiện tại. Proof of activity là một phương pháp lai kết hợp cả bằng proof of work và và proof of stack.

Trong Proof of activity, khai thác bắt đầu theo kiểu proof of work truyền thống, với các thợ mỏ đua nhau giải một câu đố mật mã. Khi số coin không phát hành nữa thì hệ thống chuyển sang proof of stack. Càng sở hữu nhiều đồng coin, càng có nhiều khả năng được chọn.