Cơ chế đồng thuận là gì? Các loại, so sánh và rủi ro

Mục lục

1. Cơ chế đồng thuận là gì?
2. Vì sao blockchain cần cơ chế đồng thuận?
3. Bài toán các vị tướng Byzantine là gì?
4. Cơ chế đồng thuận hoạt động như thế nào?
5. Các cơ chế đồng thuận phổ biến hiện nay
6. Bảng so sánh các cơ chế đồng thuận
7. Tính chung cuộc (finality) xác suất và tuyệt đối khác nhau thế nào?
8. Những kiểu tấn công nào nhắm vào cơ chế đồng thuận?
9. Doanh nghiệp nên chọn cơ chế đồng thuận nào cho blockchain private, consortium?
10. Câu hỏi thường gặp

Cơ chế đồng thuận là gì?

Cơ chế đồng thuận (consensus mechanism) là tập hợp quy tắc để mọi máy tính tham gia mạng, gọi là nút (node), tự đi đến cùng một kết luận về trạng thái sổ cái. Ethereum mô tả nó là toàn bộ các giao thức, cơ chế khuyến khích và ý tưởng cho phép một mạng lưới nút thống nhất về trạng thái blockchain. Nói gọn: blockchain là cuốn sổ chung, còn cơ chế đồng thuận là luật ghi sổ.

Ví dụ đời thường: 10 người góp quỹ du lịch nhưng không ai làm thủ quỹ, mỗi người giữ một bản sao sổ thu chi. Nhóm phải thống nhất: ai được ghi khoản mới, cần bao nhiêu người xác nhận thì khoản đó mới tính, hai bản sổ lệch nhau thì tin bản nào, có người ghi gian thì xử lý ra sao. Bộ luật đó chính là cơ chế đồng thuận. Trên blockchain, “nhóm” có thể là hàng nghìn máy tính ẩn danh, mạng chập chờn và có máy cố tình nói dối.

Nếu chưa nắm cấu trúc khối và sổ cái phân tán, bạn nên đọc trước bài blockchain là gì và hoạt động ra sao. Vai trò của từng loại máy trong mạng có ở bài node blockchain.

Cơ chế đồng thuận và thuật toán đồng thuận blockchain có khác nhau không?

Hai cụm từ thường dùng thay nhau, nhưng có thể phân biệt:

• Thuật toán đồng thuận là giao thức cụ thể để các nút trao đổi thông điệp và ra quyết định, ví dụ PBFT, Tendermint, Raft.
• Cơ chế đồng thuận rộng hơn: gồm cách chống giả mạo danh tính, quy tắc chọn nhánh khi chuỗi rẽ nhánh (fork choice), thưởng phạt và thời điểm coi một khối là đã chốt.

Vì sao blockchain cần cơ chế đồng thuận?

Trong hệ thống tập trung, ngân hàng giữ sổ cái gốc và phân xử mọi tranh chấp. Blockchain công khai bỏ vai trò đó, nên phải tự giải ba vấn đề.

Chống chi tiêu kép khi không có bên trung gian

Tiền số chỉ là dữ liệu, có thể sao chép. Chi tiêu kép (double spending) là dùng cùng một khoản tiền trả cho hai bên. Sách trắng Bitcoin năm 2008 của Satoshi Nakamoto chỉ ra: người nhận không tự kiểm tra được chủ cũ đã tiêu đồng tiền đó ở nơi khác chưa, và cách quen thuộc là dựa vào trung gian đáng tin. Bitcoin thay thế bằng cách công bố mọi giao dịch và để cả mạng thống nhất một thứ tự duy nhất.

Chống một người giả làm nhiều người

Nếu luật là “đa số nút đồng ý”, kẻ gian chỉ cần dựng hàng nghìn nút ảo. Sách trắng Bitcoin nêu rõ bỏ phiếu theo địa chỉ IP có thể bị phá bởi ai cấp được nhiều IP. Vì thế quyền biểu quyết phải gắn với thứ khó làm giả: sức tính toán, tài sản ký quỹ, dung lượng ổ cứng hoặc danh tính đã xác minh.

Giữ an toàn và tính sống trong mạng không hoàn hảo

Cơ chế tốt cần hai thuộc tính. An toàn (safety): các nút trung thực không bao giờ chốt hai lịch sử mâu thuẫn. Tính sống (liveness): mạng vẫn tiếp tục xử lý giao dịch dù có nút sập hay kẻ phá. Mỗi họ cơ chế đánh đổi hai thuộc tính này theo cách riêng.

Bài toán các vị tướng Byzantine là gì?

Đây là mô hình lý thuyết nền tảng của mọi cơ chế đồng thuận. Bài báo “The Byzantine Generals Problem” của Leslie Lamport, Robert Shostak và Marshall Pease (SRI International) đăng trên tạp chí ACM Transactions on Programming Languages and Systems, tập 4 số 3, tháng 7/1982.

Câu chuyện: nhiều cánh quân Byzantine bao vây một thành trì, các tướng chỉ liên lạc qua người đưa tin và phải cùng quyết định tấn công hay rút lui. Khó khăn là trong số họ có kẻ phản bội, cố tình gửi lệnh mâu thuẫn để các tướng trung thành không thể thống nhất. Lời giải phải bảo đảm mọi phó tướng trung thành làm theo cùng một lệnh, và nếu chỉ huy trung thành thì họ làm đúng lệnh ông gửi. Kết quả quan trọng nhất:

• Với thông điệp thường (có thể bị nói dối khi chuyển tiếp), không lời giải nào hoạt động trừ khi hơn 2/3 số tướng trung thành. Muốn chịu m kẻ phản bội cần ít nhất 3m + 1 vị tướng.
• Với thông điệp có chữ ký không thể giả mạo, bài toán giải được với số kẻ phản bội bất kỳ.

Thay “vị tướng” bằng “máy tính” và “kẻ phản bội” bằng “nút bị hack, lỗi hoặc cố tình gian lận”, bạn có đúng bài toán blockchain phải giải.

Khả năng chịu lỗi Byzantine (BFT) nghĩa là gì?

Hệ thống có khả năng chịu lỗi Byzantine (Byzantine Fault Tolerance, BFT) nếu vẫn chạy đúng khi một phần nút không chỉ sập mà còn hành xử tuỳ tiện: gửi dữ liệu sai, mỗi nơi một kiểu hoặc thông đồng. Cần phân biệt với lỗi dừng (crash fault), khi nút chỉ tắt và im lặng. Chịu lỗi dừng dễ hơn nhiều, chỉ cần đa số nút còn sống.

Năm 1999, Miguel Castro và Barbara Liskov công bố PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance) tại hội nghị OSDI. PBFT chịu tối đa f bản sao lỗi trong hệ thống 3f + 1 bản sao, qua ba pha pre-prepare, prepare và commit. Trong thử nghiệm của tác giả, dịch vụ tệp NFS chạy PBFT chỉ chậm hơn khoảng 3% so với bản không nhân bản, biến BFT từ lý thuyết thành thứ dùng được.

PBFT cần biết trước danh sách nút. Năm 2008, Bitcoin giải theo hướng khác: không đếm phiếu theo danh tính mà theo sức tính toán. Sách trắng gọi đó là “một CPU một phiếu”, và quyết định của đa số là chuỗi dài nhất. Nhờ vậy ai cũng tham gia được mà không cần xin phép.

Cơ chế đồng thuận hoạt động như thế nào?

Dù khác nhau về chi tiết, hầu hết cơ chế đồng thuận blockchain đều đi qua cùng một vòng lặp: đề xuất, xác thực, chốt khối.

Mỗi cơ chế đồng thuận là lời đáp cho ba câu hỏi:

1. Ai được đề xuất và bỏ phiếu? Đây là lớp chống Sybil: PoW gắn quyền với sức tính toán, PoS với tài sản ký quỹ, PoA với danh tính đã được duyệt.
2. Có hai nhánh thì tin nhánh nào? Bitcoin chọn chuỗi tích luỹ nhiều công việc nhất. Ethereum chọn nhánh có tổng phiếu validator lớn nhất, tính trọng số theo lượng ETH ký quỹ.
3. Khi nào giao dịch không thể đảo ngược? Đây là tính chung cuộc, phân tích ở phần sau.

Các khối nối với nhau bằng mã băm của khối trước. Để hiểu vì sao sửa một khối cũ sẽ làm hỏng toàn bộ phần sau, xem bài hàm băm trong blockchain.

Các cơ chế đồng thuận phổ biến hiện nay

Phần này điểm qua từng họ cơ chế ở mức tổng quan. PoW và PoS đã có bài phân tích riêng.

Proof of Work (PoW): bằng chứng công việc

Thợ đào (miner) thi nhau thử hàng tỷ giá trị để tìm mã băm khối thấp hơn một ngưỡng; ai tìm ra trước được thêm khối và nhận thưởng. Bitcoin nhắm trung bình 10 phút một khối và điều chỉnh độ khó sau mỗi 2.016 khối. Muốn gian lận, kẻ tấn công cần sức tính toán lớn hơn phần còn lại của mạng, đổi lại PoW tiêu tốn nhiều điện. Chi tiết có trong bài Proof of Work hoạt động ra sao.

Proof of Stake (PoS): bằng chứng cổ phần

Người xác thực (validator) khoá một lượng tài sản làm ký quỹ thay vì đốt điện. Mạng chọn ngẫu nhiên người đề xuất khối, người khác bỏ phiếu chứng thực, ai gian lận bị cắt bớt ký quỹ (slashing). Ethereum chuyển sang PoS trong sự kiện The Merge ngày 15/09/2022; theo ethereum.org, điện năng tiêu thụ của mạng giảm khoảng 99,95%. Các biến thể được phân tích trong bài tìm hiểu Proof of Stake.

Delegated Proof of Stake (DPoS): bằng chứng cổ phần uỷ quyền

DPoS do Daniel Larimer đưa ra năm 2014 trên BitShares. Người nắm token bầu một nhóm nhỏ đại biểu làm việc xác thực và có thể đổi phiếu bất cứ lúc nào. Ví dụ thường được nêu: EOS dùng 21 nhà sản xuất khối, TRON dùng 27 “siêu đại diện”. Nhóm nhỏ nên tạo khối nhanh, nhưng quyền lực dễ dồn vào số ít đại biểu và người nắm nhiều token.

Proof of Authority (PoA): bằng chứng thẩm quyền

Chỉ nút có danh tính đã được duyệt mới được ký khối; danh tiếng và trách nhiệm của họ thay cho sức tính toán hay ký quỹ. Ví dụ có tài liệu rõ là Clique (EIP-225 của Ethereum), từng vận hành mạng thử nghiệm Rinkeby và Görli, ra đời sau khi mạng thử nghiệm PoW Ropsten bị spam lúc độ khó thấp. PoA hợp với mạng riêng và mạng thử nghiệm nhưng ít phi tập trung.

PBFT và Tendermint (CometBFT): đồng thuận kiểu bỏ phiếu

Nhóm BFT chốt khối bằng các vòng bỏ phiếu thay vì đua chuỗi dài nhất. Tendermint, nay phát triển tiếp dưới tên CometBFT, mỗi vòng có ba bước: đề xuất (propose), bỏ phiếu sơ bộ (prevote) và cam kết (precommit). Khối được chốt khi có hơn 2/3 quyền biểu quyết ký precommit, với giả định dưới 1/3 là gian lận. Muốn tạo hai khối mâu thuẫn, hơn 1/3 validator phải ký hai lần và để lại bằng chứng. Khi quá 1/3 nút mất kết nối, mạng dừng thay vì rẽ nhánh: ưu tiên an toàn hơn tính sống.

Proof of History (PoH): đồng hồ chứ không phải cơ chế đồng thuận độc lập

Theo tài liệu của Solana, PoH là chuỗi phép băm SHA-256 chạy tuần tự, đóng vai trò hàm trì hoãn kiểm chứng được (verifiable delay function) để tạo “đồng hồ” chung. Việc thống nhất nhánh do Tower BFT đảm nhận: thuật toán kiểu PBFT, bỏ phiếu theo trọng số stake, cần ít nhất 2/3 tổng stake và có thời gian khoá phiếu (lockout) tăng gấp đôi sau mỗi lần bầu.

Proof of Space: bằng chứng dung lượng lưu trữ

Proof of Space dùng dung lượng ổ cứng làm tài nguyên khan hiếm thay cho điện. Chia Network dùng Proof of Space and Time: người tham gia lưu dữ liệu đặc biệt (plot) trên ổ cứng, dung lượng càng lớn thì cơ hội tạo khối càng cao, còn hàm trì hoãn kiểm chứng được chứng minh thời gian đã trôi qua. Cách này tốn ít điện hơn PoW nhưng vẫn cần đầu tư phần cứng.

Raft: chịu lỗi dừng cho mạng riêng

Raft của Diego Ongaro và John Ousterhout (giải Best Paper tại USENIX ATC 2014) chỉ xử lý nút bị sập, không chịu lỗi Byzantine: cụm 5 máy vẫn chạy khi 2 máy hỏng. Hyperledger Fabric dùng Raft cho dịch vụ sắp xếp giao dịch (ordering service) từ phiên bản 1.4.1. Từ phiên bản 3.0, Fabric có thêm lựa chọn BFT, chịu được dưới 1/3 nút sắp xếp độc hại.

Bảng so sánh các cơ chế đồng thuận

Các đánh giá trong bảng là định tính, tương đối giữa các cơ chế. Hiệu năng thực tế còn tuỳ cấu hình, số nút và mạng lưới.

Cơ chế	Quyền gắn với	An toàn	Tốc độ chốt	Năng lượng	Mức phi tập trung	Ví dụ mạng
PoW	Sức tính toán	Cao nếu sức tính toán lớn, phân tán; mạng nhỏ dễ bị tấn công 51%	Chậm, chung cuộc xác suất	Rất cao	Cao	Bitcoin
PoS	Tài sản ký quỹ	Cao; gian lận bị cắt ký quỹ	Trung bình (Ethereum khoảng 15 phút)	Thấp	Trung bình đến cao	Ethereum
DPoS	Phiếu bầu người nắm token	Phụ thuộc nhóm đại biểu	Nhanh	Thấp	Thấp đến trung bình	EOS, TRON
PoA	Danh tính được duyệt	Phụ thuộc nhóm ký	Nhanh	Thấp	Thấp	Clique (mạng thử nghiệm)
PBFT, Tendermint, QBFT	Danh sách validator	Cao khi dưới 1/3 nút gian lận	Nhanh, chung cuộc tức thì	Thấp	Thấp đến trung bình	CometBFT, Hyperledger Besu
PoH + Tower BFT	Tài sản ký quỹ	Cao khi dưới 1/3 stake gian lận	Nhanh	Thấp	Trung bình	Solana
Proof of Space	Dung lượng lưu trữ	Phụ thuộc tổng dung lượng mạng	Trung bình	Thấp hơn PoW	Cao	Chia
Raft	Thành viên cụm	Chỉ chịu lỗi dừng	Rất nhanh	Rất thấp	Thấp (mạng riêng)	Hyperledger Fabric

Bảng phản ánh “bộ ba bất khả” (blockchain trilemma): khó tối đa cùng lúc tính phi tập trung, an toàn và khả năng mở rộng. Cơ chế nhanh thường đạt tốc độ nhờ thu hẹp số người được xác thực.

Tính chung cuộc (finality) xác suất và tuyệt đối khác nhau thế nào?

Tính chung cuộc (finality) trả lời câu hỏi: sau bao lâu thì giao dịch đã ghi không thể bị đảo ngược? Với doanh nghiệp, nó quyết định khi nào được giao hàng, ghi nhận doanh thu hay đóng sổ đối soát.

Chung cuộc xác suất: Bitcoin và các chuỗi PoW

Trong PoW, một khối có thể bị thay nếu xuất hiện nhánh dài hơn, nhưng mỗi khối xây thêm phía trên lại làm việc đảo ngược khó hơn. Sách trắng Bitcoin tính rằng xác suất kẻ tấn công đuổi kịp giảm theo hàm mũ. Ví dụ trong bảng tính của sách trắng: kẻ tấn công nắm 30% sức tính toán thì sau 24 khối, xác suất thành công còn dưới 0,1%.

Ví Bitcoin gốc hiển thị giao dịch là “chưa xác nhận” cho tới khi nó nằm sâu 6 khối, khoảng một giờ. Theo Bitcoin Wiki, ngưỡng này dựa trên giả định kẻ tấn công nắm dưới 10% sức tính toán, nên không đủ trước kẻ có nguồn lực rất lớn. “Đã xác nhận” trên chuỗi PoW vì thế là mức độ tin cậy, không phải chắc chắn tuyệt đối.

Chung cuộc tuyệt đối: nhóm BFT

Với PBFT, Tendermint, QBFT hay IBFT 2.0, khối nhận đủ hơn 2/3 phiếu là chốt ngay. Tài liệu Hyperledger Besu ghi rõ QBFT và IBFT 2.0 có chung cuộc tức thì: không có rẽ nhánh và mọi khối hợp lệ đều nằm trên chuỗi chính. Cái giá là mạng có thể tạm dừng khi không gom đủ phiếu.

Mô hình lai: Ethereum

Ethereum chia thời gian thành slot 12 giây, 32 slot thành một epoch. Khối mới ra mỗi slot nhưng chỉ “finalized” khi các điểm mốc (checkpoint) nhận phiếu từ 2/3 tổng ETH ký quỹ, hiện mất khoảng 15 phút theo ethereum.org. Muốn đảo ngược khối đã chốt, kẻ tấn công phải chấp nhận mất ít nhất 1/3 tổng ETH ký quỹ. Đây là chung cuộc kinh tế (economic finality): đảo được về kỹ thuật nhưng phải đốt khoản tiền khổng lồ.

Những kiểu tấn công nào nhắm vào cơ chế đồng thuận?

Tấn công 51%

Khi một bên nắm quá nửa sức tính toán (PoW) hoặc phần lớn tài sản ký quỹ (PoS), họ có thể dựng nhánh riêng và viết lại lịch sử gần đây. Sách trắng Bitcoin lưu ý kẻ tấn công chỉ có thể đổi giao dịch của chính mình để lấy lại tiền vừa tiêu, không thể tự tạo tiền hay lấy tiền chưa từng thuộc về mình. Họ cũng có thể chặn giao dịch của người khác.

Ví dụ có thật: tháng 8/2020, Ethereum Classic, một chuỗi PoW có sức tính toán thấp, bị tấn công 51% ba lần trong khoảng một tháng. Theo The Block dẫn số liệu của Bitfly, lần thứ ba ngày 31/08/2020 tổ chức lại hơn 7.000 khối, khoảng hai ngày đào. Với PoS kiểu Ethereum, theo ethereum.org, kẻ nắm 34% tổng stake trong mạng bất đồng bộ có thể gây chốt hai nhánh, còn kẻ nắm từ 66% có thể tự chốt nhánh mình muốn. Lớp phòng thủ cuối là cộng đồng thống nhất chuyển sang nhánh trung thực.

Tấn công Sybil

Thuật ngữ đến từ bài báo “The Sybil Attack” của John Douceur (Microsoft Research) tại hội thảo IPTPS năm 2002: một thực thể giả làm nhiều danh tính để áp đảo hệ thống. Douceur kết luận nếu không có cơ quan cấp danh tính tập trung về mặt logic, tấn công Sybil luôn khả thi trừ khi có giả định phi thực tế. Vì vậy blockchain công khai gắn quyền biểu quyết với tài nguyên tốn kém, còn blockchain cấp phép dựa vào danh tính đã xác minh.

Vấn đề nothing-at-stake

Đây là điểm yếu của PoS đời đầu. Trong PoW, đào hai nhánh cùng lúc là chia đôi sức máy nên không ai làm. Trong PoS, ký khối trên nhiều nhánh gần như không tốn gì, nên validator có động cơ “đặt cửa” mọi nhánh, khiến rẽ nhánh khó kết thúc. Bản hỏi đáp về Proof of Stake của Vitalik Buterin mô tả lời giải: phạt validator khi có bằng chứng họ ký hai khối mâu thuẫn. Slashing của Ethereum đi theo hướng này, mức phạt có thể dưới 0,1% nếu một validator vi phạm đơn lẻ, nhưng tới 100% nếu nhiều validator vi phạm cùng lúc.

Doanh nghiệp nên chọn cơ chế đồng thuận nào cho blockchain private, consortium?

Blockchain doanh nghiệp thường là mạng cấp phép (permissioned): chỉ thành viên đã xác minh mới chạy nút, ví dụ nhóm ngân hàng, hãng vận tải hay nhà máy cùng chia sẻ sổ cái. Khi đã biết danh tính, tấn công Sybil gần như mất ý nghĩa, nên không cần đào hay ký quỹ token. Các bối cảnh cụ thể có trong bài ứng dụng blockchain theo ngành. Tiêu chí đánh giá:

1. Mô hình tin cậy. Nếu chỉ lo máy chủ sập và các bên tin nhau (ví dụ chi nhánh cùng tập đoàn), Raft là đủ. Nếu các bên là đối tác, thậm chí đối thủ, có động cơ sửa dữ liệu, hãy chọn cơ chế chịu lỗi Byzantine như QBFT, IBFT 2.0 hoặc BFT của Fabric 3.x.
2. Số nút và số lỗi cần chịu. BFT cần 3f + 1 nút để chịu f nút lỗi. Hyperledger Besu khuyến nghị tối thiểu 4 validator cho production: 4 đến 5 validator chịu 1 nút lỗi, 6 đến 8 chịu 2 nút. Thời gian tạo khối tăng khi thêm validator.
3. Yêu cầu chung cuộc. Thanh toán, đối soát, chứng từ thương mại cần chung cuộc tức thì; chung cuộc xác suất gây khó cho kế toán và pháp lý.
4. Quản trị thành viên. Ai được thêm, bớt nút, theo thủ tục và số phiếu nào cần ghi rõ trong thoả thuận consortium, không chỉ trong mã nguồn.
5. Phân tán thật về hạ tầng. 4 nút BFT cùng một trung tâm dữ liệu hoặc do một bên quản trị thì chỉ phi tập trung trên giấy. Mỗi thành viên nên tự vận hành nút của mình.
6. Có thật sự cần blockchain không? Nếu chỉ một tổ chức ghi dữ liệu và mọi bên đều tin tổ chức đó, cơ sở dữ liệu có nhật ký kiểm toán có thể rẻ và đơn giản hơn.

Câu hỏi thường gặp

Bitcoin và Ethereum dùng cơ chế đồng thuận gì?

Bitcoin dùng Proof of Work với quy tắc chọn chuỗi tích luỹ nhiều công việc nhất. Ethereum dùng Proof of Work tới The Merge ngày 15/09/2022, sau đó chuyển hẳn sang Proof of Stake.

Cơ chế đồng thuận nào tốt nhất?

Không có cơ chế tốt nhất cho mọi trường hợp. Mạng công khai cần chống Sybil nên dùng PoW, PoS hoặc biến thể. Mạng doanh nghiệp ưu tiên BFT nếu các bên không hoàn toàn tin nhau, hoặc Raft nếu chỉ lo sự cố máy chủ.

Cần bao nhiêu nút để chịu được một nút gian lận?

Theo bài toán các vị tướng Byzantine và thuật toán PBFT, cần ít nhất 4 nút để chịu 1 nút gian lận, 7 nút để chịu 2 nút, tổng quát là 3f + 1. Nếu chỉ cần chịu lỗi dừng như Raft, 3 nút đủ chịu 1 nút sập.

Proof of History có phải cơ chế đồng thuận không?

Không hẳn. PoH là đồng hồ mật mã giúp sắp xếp thứ tự thời gian. Solana dùng Tower BFT, bỏ phiếu theo trọng số stake, để thống nhất nhánh.

Tấn công 51% có lấy được tiền của bất kỳ ai không?

Không. Kẻ tấn công không giả được chữ ký của người khác. Họ chủ yếu đảo ngược giao dịch của chính mình để chi tiêu kép và chặn giao dịch của người khác.

Tham gia xác thực, ký quỹ có phải cách kiếm tiền an toàn?

Bài viết không đánh giá cơ hội đầu tư. Về kỹ thuật, validator có thể bị cắt ký quỹ nếu cấu hình sai hoặc vi phạm quy tắc, tài sản bị khoá có thể biến động giá, và còn rủi ro pháp lý tuỳ quốc gia. Hãy tìm hiểu kỹ quy định hiện hành trước mọi quyết định tài chính.

Blockchain nội bộ doanh nghiệp có cần cơ chế đồng thuận không?

Có, miễn là sổ cái được nhân bản trên nhiều nút. Cơ chế đồng thuận giữ các bản sao khớp nhau kể cả khi có nút sập hoặc bị xâm nhập. Mạng nội bộ thường dùng Raft, QBFT, IBFT 2.0 hoặc BFT của Hyperledger Fabric.