Ethash là gì? Review thuật toán khai thác Ethash -

Nội dung

Ethash là gì?

Ethash là một thuật toán đồng thuận được sử dụng trong mạng lưới Ethereum để xác định việc khai thác (mining) và xác nhận các giao dịch. Ethash là một thuật toán Proof of Work (PoW) được thiết kế để yêu cầu sự cung cấp công việc tính toán từ phía các máy đào (miners) để đảm bảo tính an toàn và bảo mật của mạng Ethereum.

Ethash tạo ra một chuỗi băm (hash) duy nhất cho mỗi khối mới trong blockchain Ethereum, dựa trên các khối trước đó và các giao dịch mới nhất. Các máy đào phải thực hiện các phép tính phức tạp để tìm ra một giá trị chuỗi băm thỏa mãn một số điều kiện nhất định, gọi là độ khó (difficulty). Quá trình này được gọi là khai thác, và máy đào nào tìm ra giá trị chuỗi băm hợp lệ sẽ được thưởng bằng một số lượng Ether (đơn vị tiền tệ của Ethereum).

Ethash được thiết kế để tăng tính công bằng và phân phối đồng đều việc khai thác trong mạng Ethereum, tránh việc tập trung quá nhiều quyền kiểm soát vào tay một số lượng nhỏ các máy đào mạnh nhất. Nó cũng cung cấp một cơ chế bảo vệ chống lại các cuộc tấn công 51% (51% attack), trong đó một thực thể có quyền kiểm soát hơn một nửa sức mạnh tính toán của mạng và có thể tạo ra các giao dịch gian lận hoặc thay đổi lịch sử giao dịch.

Tuy nhiên, từ khi bạn đặt câu hỏi này, Ethereum đã chuyển từ Proof of Work (PoW) sang Proof of Stake (PoS) thông qua quá trình gọi là Ethereum 2.0. Trong Ethereum 2.0, Ethash sẽ không còn được sử dụng nữa và sẽ thay thế bằng thuật toán Proof of Stake mới gọi là Beacon Chain.

Lịch sử ra đời của thuật toán Ethash

Thuật toán Ethash là thuật toán chủ đạo được sử dụng trong mạng lưới Ethereum để xác minh và ghi lại các giao dịch và khối mới trong blockchain. Được tạo ra bởi một nhóm phát triển do Vitalik Buterin lãnh đạo, Ethash đã trở thành thuật toán chính thức của Ethereum kể từ khi mạng lưới này được ra mắt vào năm 2015.

Ethash ban đầu được thiết kế để giải quyết một số vấn đề mà các thuật toán khai thác tiền điện tử trước đây gặp phải, đặc biệt là vấn đề khai thác ASIC (máy đào đặc chủng ứng dụng). Ethash tạo ra một môi trường khai thác công bằng hơn bằng cách làm cho việc khai thác trở nên khó khăn hơn đối với các thiết bị chuyên dụng như ASIC. Điều này cho phép các máy tính thông thường và các thiết bị khai thác GPU (đồ họa) cạnh tranh công bằng hơn với nhau.

Thuật toán Ethash hoạt động bằng cách yêu cầu các thợ mỏ trong mạng lưới Ethereum giải một bài toán xác định để tạo ra một “chứng chỉ công việc” (proof-of-work). Quá trình này gọi là “khai thác” và bao gồm việc tìm kiếm một giá trị nonce (số duy nhất) để khi kết hợp với dữ liệu khối và một giá trị hash, tạo ra một giá trị hash mới thỏa mãn một số điều kiện nhất định.

Ethash sử dụng một kỹ thuật gọi là “cache-DAG” (directed acyclic graph cache) để lưu trữ dữ liệu và tạo ra một tập dữ liệu lớn được gọi là “DAG”. DAG này là một phần quan trọng của quá trình tìm kiếm giá trị nonce trong khai thác và được tạo mới mỗi 30.000 khối.

Mặc dù Ethash đã thành công trong việc ngăn chặn ASIC khai thác trên mạng lưới Ethereum, nhưng sau này đã xuất hiện các thiết bị đào GPU mạnh mẽ hơn và tăng cường, gây áp lực đối với mạng lưới. Do đó, Ethereum đang lên kế hoạch chuyển sang thuật toán khai thác mới gọi là Proof-of-Stake (Cổ điển) trong quá trình chuyển đổi sang Ethereum 2.0.

Thuật toán Ethash hoạt động như thế nào?

Dưới đây là cách mà thuật toán Ethash hoạt động:

1. Mix hash:

Đầu tiên, mỗi khối mới trong blockchain Ethereum sẽ được tạo ra từ một “mix hash” gồm 32 byte. Mix hash này được tính toán từ hai thành phần chính là “theo dõi trước” (prev_block_header) và “khối khởi đầu” (nonce).
Theo dõi trước chứa thông tin hash của khối trước đó trong chuỗi blockchain.
Nonce là một số ngẫu nhiên, và các thợ đào sẽ thử các giá trị nonce khác nhau để tạo ra mix hash khác nhau.

2. Dataset:

Một phần quan trọng trong thuật toán Ethash là việc tạo ra bộ dữ liệu tạm thời, được gọi là “dataset,” từ khối khởi đầu. Dataset này có kích thước lớn và chỉ cần tính toán một lần cho mỗi khối khởi đầu mới.
Dataset được sử dụng để làm cho việc tính toán mix hash trở nên khó khăn, yêu cầu nhiều công sức tính toán.

3. Mix hash và Dataset – Tính toán Proof of Work:

Khi có được mix hash và dataset, thợ đào sẽ cộng hai giá trị này lại với nhau, sau đó sử dụng hàm Keccak-256 để tạo ra một giá trị hash mới. Bước này được thực hiện nhiều lần với các giá trị nonce khác nhau cho đến khi thợ đào tìm được một giá trị hash thỏa mãn một điều kiện cụ thể (thường là có một số bit 0 ở đầu của hash).
Việc tìm ra một giá trị hash thỏa mãn điều kiện này được gọi là “đào” và là cách thợ đào chứng minh rằng họ đã tiêu tốn một lượng lớn công sức tính toán để tạo ra khối mới. Quá trình này yêu cầu nhiều thử và sai, và mức độ khó khăn của việc tìm được giá trị hash hợp lệ được điều chỉnh để duy trì thời gian tạo khối trung bình ở mức xác định.

Tóm lại, Ethash là một thuật toán Proof of Work dựa trên việc tính toán mix hash và dataset để tạo ra một giá trị hash thỏa mãn một điều kiện nhất định. Quá trình này đòi hỏi thợ đào tiêu tốn một lượng lớn công sức tính toán để tìm ra giá trị hash hợp lệ.

Điểm đáng chú ý về Ethash là việc sử dụng bộ dataset lớn để tăng tính ngẫu nhiên và đảm bảo rằng quá trình đào không thể được tối ưu hóa trước. Mỗi thợ đào phải tải về và tính toán dataset này trước khi bắt đầu khai thác, điều này tạo ra một rào cản đối với các thiết bị ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) được thiết kế riêng cho việc khai thác Ethereum.

Ethash cũng được thiết kế để tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể và đa dạng các loại tài nguyên tính toán, như CPU và GPU. Điều này nhằm mục đích tạo ra một môi trường khai thác công bằng và đồng nhất cho tất cả các thợ đào.

Những vấn đề mà thuật toán Ethash muốn giải quyết?

Ethash được thiết kế nhằm giải quyết một số vấn đề quan trọng trong việc tạo ra một hệ thống blockchain phi tập trung. Dưới đây là một số vấn đề mà Ethash hướng đến giải quyết:

Chống khai thác tập trung (Centralization resistance): Một vấn đề lớn của các thuật toán proof-of-work truyền thống là khai thác tập trung, trong đó một số máy đào mạnh có thể kiểm soát mạng lưới và tạo ra sự bất cân bằng. Ethash thiết kế để kháng lại khai thác tập trung bằng cách yêu cầu nhiều nguồn tài nguyên khác nhau để tạo ra một khối mới, không thể tận dụng tài nguyên đặc biệt nào.
Bảo vệ khỏi việc tấn công bằng phần cứng đặc chủng (ASIC-resistant): Ethash được tạo ra với mục tiêu tránh việc sử dụng phần cứng đặc chủng (ASIC) để khai thác, đảm bảo rằng mọi người có thể tham gia vào quá trình khai thác bằng cách sử dụng phần cứng thông thường như các card đồ họa.
Tiêu thụ năng lượng hợp lý: Ethash cố gắng giảm thiểu việc tiêu thụ năng lượng so với các thuật toán khác như SHA-256 (được sử dụng trong Bitcoin). Điều này giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và làm cho quá trình khai thác Ethereum trở nên tương đối hiệu quả từ mặt năng lượng.
Bảo mật và an ninh: Ethash sử dụng các thuật toán băm chống trùng lặp (repeated hashing) để tạo ra các băm khối. Các thuật toán này được thiết kế để đảm bảo tính ngẫu nhiên và khả năng đảo ngược, bảo đảm tính bảo mật của dữ liệu trong quá trình tạo khối.

Những tính năng nổi bật của thuật toán Ethash?

Dưới đây là một số tính năng nổi bật của Ethash:

Tiêu thụ năng lượng tương đối thấp: Ethash được thiết kế để tiết kiệm năng lượng so với các thuật toán khai thác khác như SHA-256 (sử dụng trong Bitcoin). Điều này cho phép người dùng khai thác Ethereum một cách hiệu quả với ít nỗ lực và tiêu thụ năng lượng hơn.
Chống lại thiết bị khai thác chuyên dụng (ASIC-resistant): Ethash được tạo ra với mục tiêu chống lại việc sử dụng ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) – các thiết bị khai thác được thiết kế đặc biệt cho một thuật toán cụ thể. Điều này giúp bảo đảm tính công bằng trong quá trình khai thác, vì bất kỳ ai có một máy tính cá nhân có thể tham gia khai thác Ethereum.
Thuận tiện cho việc mở rộng đồng thời (parallelization): Ethash được thiết kế để tận dụng tối đa hiệu năng của các bộ xử lý đồng thời, cho phép việc khai thác Ethereum trở nên linh hoạt hơn và khả năng mở rộng tốt hơn trên các hệ thống có nhiều bộ xử lý.
Bảo vệ mạng chống lại tấn công 51%: Ethash được thiết kế để trở kháng trước tấn công 51%, trong đó một nhóm cá nhân hoặc một tổ chức kiểm soát hơn một nửa sức mạnh tính toán của mạng. Điều này giúp bảo vệ tính an toàn và phân quyền của Ethereum.
Khai thác khối và phân phối thưởng công bằng: Ethash đảm bảo việc khai thác khối được thực hiện một cách ngẫu nhiên và công bằng. Điều này giúp tránh tình trạng một nhóm cá nhân hoặc một tổ chức kiểm soát quá nhiều khối và ảnh hưởng quá mức đến việc xác nhận giao dịch và quản lý mạng.

So sánh giữa Ethash với SHA-256 và Scrypt

Ethash, SHA-256 và Scrypt là ba thuật toán hash phổ biến được sử dụng trong các hệ thống blockchain và tiền điện tử. Dưới đây là một so sánh giữa ba thuật toán này:

1. Ethash:

Ethash là thuật toán hash được sử dụng trong Ethereum và các đồng tiền mã hóa khác dựa trên Ethereum.
Ethash sử dụng một kết hợp của thuật toán SHA-3 và Keccak.
Ethash được thiết kế để tạo ra một môi trường đào mỏ khá công bằng bằng cách yêu cầu một lượng lớn bộ nhớ để thực hiện quá trình khai thác, giúp giảm khả năng ưu tiên cho các máy đào ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) so với GPU (Graphical Processing Unit).
Mặc dù Ethash có hiệu năng khai thác tốt đối với GPU, nhưng nó không hiệu quả với các thiết bị ASIC.

2. SHA-256:

SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit) là thuật toán hash được sử dụng trong Bitcoin và nhiều hệ thống blockchain khác.
SHA-256 sử dụng một quá trình hash đơn giản và nhanh chóng, làm cho nó hiệu quả với các thiết bị ASIC.
Đối với các loại tiền điện tử sử dụng SHA-256, việc đào mỏ phụ thuộc chủ yếu vào sự tăng trưởng của công nghệ ASIC và không có lợi thế đáng kể cho các máy đào GPU hoặc CPU.

3. Scrypt:

Scrypt là thuật toán hash được sử dụng trong Litecoin và một số đồng tiền mã hóa khác.
Scrypt được thiết kế để yêu cầu một lượng lớn bộ nhớ và tính toán phức tạp hơn, từ đó giúp giảm sự ưu tiên cho các máy đào ASIC và khuyến khích sử dụng GPU và CPU trong quá trình khai thác.
Scrypt thường có hiệu suất khai thác thấp hơn so với SHA-256 khi sử dụng ASIC, nhưng nó tiềm năng cho phép người dùng cá nhân tham gia đào mỏ bằng GPU hoặc CPU.

Tóm lại, Ethash được thiết kế để khái quát hoá việc đào mỏ bằng cách tạo ra một môi trường khá công bằng cho GPU. Trong khi đó, SHA-256 tập trung vào sự phụ thuộc vào ASIC và Scrypt khuyến khích sử dụng GPU và CPU hơn. Việc lựa chọn thuật toán khai thác nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm mục đích của hệ thống blockchain và mục tiêu đào mỏ.

Nếu mục đích chính của hệ thống là đảm bảo tính công bằng và sự phân tán trong việc khai thác, Ethash có thể là lựa chọn tốt. Ethash khó khai thác bằng ASIC, cho phép người dùng cá nhân sử dụng GPU để tham gia quá trình đào mỏ. Điều này giúp tăng tính phân cấp và tránh sự tập trung quá mức của quyền kiểm soát khai thác.

Tuy nhiên, nếu mục tiêu là tạo ra một hệ thống blockchain với tốc độ xác nhận giao dịch cao và khả năng chống tấn công mạnh, SHA-256 có thể là lựa chọn phù hợp hơn. SHA-256 được tối ưu cho việc sử dụng ASIC, cho phép đào mỏ nhanh chóng và hiệu quả với tốc độ xác nhận cao hơn.

Scrypt cung cấp một phương pháp trung gian, tạo ra sự cân bằng giữa sự công bằng và tính hiệu quả. Scrypt yêu cầu một lượng lớn bộ nhớ và tính toán phức tạp hơn, tạo ra một môi trường khá công bằng cho GPU và CPU. Mặc dù ASIC vẫn có thể được sử dụng, hiệu suất khai thác với Scrypt thường thấp hơn so với SHA-256.

Các đồng coin sử dụng thuật toán Ethash?

Các đồng coin sử dụng thuật toán Ethash, được phát triển dựa trên Ethereum, bao gồm:

Ethereum (ETH): Đây là đồng coin gốc sử dụng thuật toán Ethash. Ethereum là một nền tảng phát triển dựa trên blockchain, cho phép xây dựng các ứng dụng phi tập trung (Decentralized Applications – DApps) và hợp đồng thông minh (smart contracts).
Ethereum Classic (ETC): Được tách ra từ Ethereum sau sự kiện The DAO, Ethereum Classic tiếp tục sử dụng thuật toán Ethash và duy trì chuỗi khối gốc trước khi bị phân tách.
Callisto (CLO): Là một đồng coin phụ của Ethereum Classic, Callisto sử dụng thuật toán Ethash và có mục tiêu cung cấp các giải pháp an ninh và kiểm tra cho hệ sinh thái blockchain.

Ngoài ra, còn có một số đồng coin khác cũng sử dụng thuật toán Ethash, nhưng không phải là các phiên bản phụ của Ethereum hoặc Ethereum Classic. Ví dụ, đồng coin Ubiq (UBQ) cũng sử dụng Ethash và được xây dựng dựa trên Ethereum, nhưng có một hệ sinh thái riêng của mình.

Lời kết

Trên hành trình của chúng ta với Ethash, chúng ta đã khám phá và trải nghiệm những tiềm năng tuyệt vời mà công nghệ blockchain mang lại. Từ việc xác thực giao dịch đến việc tạo ra và duy trì các mạng lưới phi tập trung, Ethash đã chứng minh sự đột phá và sự đáng tin cậy của mình.

Ethash không chỉ là một thuật toán đáng kinh ngạc, mà còn là nền tảng cho sự phát triển của hàng nghìn ứng dụng phi tập trung và tiềm năng vô tận. Nó đã mở ra cánh cửa cho sự phát triển của các hợp đồng thông minh thông qua Ethereum, và đồng thời tạo ra một môi trường đáng tin cậy cho việc tạo ra các dự án blockchain đột phá khác.

Với sự cống hiến của các nhà phát triển và cộng đồng đam mê, Ethash đã tiếp tục phát triển và cải tiến. Các biến thể của nó đã xuất hiện, mang lại sự linh hoạt và tăng khả năng phân tán của hệ thống. Ethash đã chứng tỏ khả năng chống lại các cuộc tấn công 51% và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong mạng lưới.

Với Ethash, chúng ta đã chứng kiến sức mạnh của cộng đồng và quyền lực của công nghệ blockchain. Nó đã đem lại sự minh bạch, công bằng và đáng tin cậy cho các giao dịch và dữ liệu. Ethash đã trở thành một phần không thể thiếu của cuộc cách mạng blockchain và sẽ tiếp tục làm nền tảng cho sự phát triển và đổi mới trong tương lai.

Với những bước tiến mới và những sáng kiến táo bạo, Ethash sẽ tiếp tục định hình cách chúng ta tương tác và thực hiện giao dịch trong môi trường kỹ thuật số. Chúng ta sẽ tiếp tục thấy sự phát triển của dự án blockchain đáng kinh ngạc này, và nhìn thấy những tiềm năng không giới hạn của nó trong việc tạo ra một thế giới công bằng và phân quyền.

Hãy cùng nhau duy trì sự cam kết và tiếp tục xây dựng tương lai rực rỡ cho Ethash và công nghệ blockchain.

Rate this post