Phân tích độ sâu mở rộng off-chain

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Tương lai của blockchain là một tầm nhìn vĩ đại: phi tập trung, tính bảo mật và khả năng mở rộng; nhưng thường thì blockchain chỉ có thể thực hiện hai trong số đó, và việc đáp ứng cả ba yêu cầu này được gọi là vấn đề tam giác bất khả thi của blockchain. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách giải quyết vấn đề này, làm thế nào để cải thiện thông lượng và tốc độ giao dịch của blockchain trong khi đảm bảo tính phi tập trung và bảo mật, tức là giải quyết vấn đề mở rộng, là một trong những chủ đề nóng được thảo luận trong quá trình phát triển blockchain hiện nay.

Hãy để chúng ta định nghĩa tổng quát về tính phi tập trung, độ an toàn và khả năng mở rộng của blockchain:

• Phi tập trung: bất kỳ ai cũng có thể trở thành nút tham gia vào sản xuất và xác thực hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều thì mức độ phi tập trung càng cao, từ đó đảm bảo mạng không bị kiểm soát bởi một nhóm nhỏ các tham gia lớn tập trung.
• An toàn: Chi phí để có quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, thì độ an toàn càng cao, do đó chuỗi có thể chống lại tỷ lệ lớn các đối tượng tham gia tấn công.
• Khả năng mở rộng: Khả năng của blockchain xử lý một lượng lớn giao dịch.

Sự phân tách lớn đầu tiên của mạng Bitcoin bắt nguồn từ vấn đề mở rộng. Khi số lượng người dùng và khối lượng giao dịch của Bitcoin tăng lên, mạng Bitcoin với giới hạn 1MB trên mỗi khối bắt đầu đối mặt với vấn đề tắc nghẽn; bắt đầu từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có sự chia rẽ về vấn đề mở rộng, một bên là phái ủng hộ mở rộng khối với Bitcoin ABC làm đại diện, bên còn lại là phái khối nhỏ với Bitcoin Core làm đại diện, cho rằng nên sử dụng giải pháp Segwit để tối ưu hóa cấu trúc chuỗi chính. Vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, Bitcoin ABC đã tự phát triển hệ thống khách hàng lên 8MB và bắt đầu hoạt động, dẫn đến sự xuất hiện của sự phân tách lớn đầu tiên trong lịch sử Bitcoin, đồng thời cũng tạo ra loại tiền mới BCH.

Tương tự, mạng Ethereum cũng chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo sự an toàn và phi tập trung của mạng; mặc dù mạng Ethereum không hạn chế khối lượng giao dịch như mạng Bitcoin bằng cách giới hạn kích thước khối, mà ngược lại, đã chuyển sang đặt giới hạn cho phí nhiên liệu có thể chứa trong một khối duy nhất, nhưng mục đích vẫn là để đạt được Trustless Consensus và đảm bảo sự phân bố rộng rãi của các nút ( bất kể việc hủy bỏ hay tăng hạn mức sẽ loại bỏ nhiều nút nhỏ không đủ băng thông, lưu trữ và khối lượng tính toán ).

Từ CryptoKitties vào năm 2017, mùa hè DeFi, đến sự trỗi dậy của các ứng dụng trên chuỗi như GameFi và NFT, nhu cầu về độ sâu thị trường ngày càng tăng, nhưng ngay cả Ethereum hoàn toàn có thể lập trình cũng chỉ có thể xử lý 15~45 giao dịch mỗi giây (TPS), điều này dẫn đến việc chi phí giao dịch ngày càng tăng, thời gian thanh toán kéo dài, hầu hết các Dapps khó có thể chịu đựng chi phí vận hành, toàn bộ mạng lưới trở nên chậm chạp và đắt đỏ đối với người dùng, vấn đề mở rộng blockchain cần được giải quyết gấp. Kế hoạch mở rộng lý tưởng là: không hy sinh sự phi tập trung và an ninh, đồng thời có thể cải thiện tốc độ giao dịch của mạng lưới blockchain ( thời gian hoàn tất ngắn hơn ) và độ sâu giao dịch ( TPS cao hơn ).

2. Các loại kế hoạch mở rộng

Chúng tôi dựa vào "Có thay đổi một lớp mạng chính hay không" làm tiêu chuẩn, phân chia các phương án mở rộng thành hai loại lớn: mở rộng trên chuỗi và mở rộng ngoài chuỗi.

2.1 Mở rộng trên chuỗi

Khái niệm cốt lõi: giải pháp đạt được hiệu ứng mở rộng bằng cách thay đổi một lớp giao thức mạng chính, hiện tại giải pháp chính là phân mảnh.

Mở rộng chuỗi có nhiều giải pháp, bài viết này sẽ không đi sâu vào, dưới đây là hai giải pháp được liệt kê một cách ngắn gọn:

• Giải pháp một là mở rộng không gian khối, tức là tăng số lượng giao dịch được đóng gói trong mỗi khối, nhưng điều này sẽ nâng cao yêu cầu về thiết bị nút hiệu suất cao, làm tăng ngưỡng gia nhập nút, giảm mức độ "phi tập trung".
• Giải pháp thứ hai là phân đoạn, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, không còn mỗi nút tham gia vào tất cả các ghi chép, mà là các phân đoạn khác nhau, tức là các nút khác nhau chịu trách nhiệm cho các ghi chép khác nhau, tính toán song song có thể xử lý nhiều giao dịch cùng một lúc; điều này có thể giảm áp lực tính toán của các nút và ngưỡng gia nhập, nâng cao tốc độ xử lý giao dịch và mức độ phi tập trung; nhưng điều này có nghĩa là sức mạnh tính toán toàn mạng sẽ bị phân tán, sẽ giảm "độ an toàn" của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi mã của giao thức mạng chính có thể gây ra những tác động tiêu cực khó lường, vì bất kỳ lỗ hổng bảo mật nhỏ nào ở tầng dưới cũng sẽ đe dọa nghiêm trọng đến tính an toàn của toàn bộ mạng, và mạng có thể buộc phải phân tách hoặc dừng sửa chữa nâng cấp. Ví dụ, sự cố lạm phát của Zcash vào năm 2018: Mã của Zcash được sửa đổi dựa trên mã phiên bản Bitcoin 0.11.2, vào năm 2018 một kỹ sư đã phát hiện ra có lỗ hổng nghiêm trọng trong mã cơ sở, tức là token có thể phát hành vô hạn, ngay lập tức nhóm đã dành 8 tháng để sửa chữa bí mật, chỉ công khai sự kiện này sau khi lỗ hổng được khắc phục.

2.2 off-chain mở rộng

Khái niệm cốt lõi: Giải pháp mở rộng không thay đổi giao thức mạng chính một lớp hiện có.

Giải pháp mở rộng off-chain có thể được chia thành Layer2 và các giải pháp khác:

3. Giải pháp mở rộng off-chain

Kênh trạng thái 3.1

3.1.1 Tóm tắt

Kênh trạng thái quy định rằng chỉ khi kênh được mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp, người dùng mới cần tương tác với mạng chính, và các tương tác giữa người dùng với người dùng được thực hiện off-chain, nhằm giảm thiểu thời gian và chi phí giao dịch của người dùng, đồng thời đạt được số lần giao dịch không bị giới hạn.

Kênh trạng thái là một giao thức P2P đơn giản, phù hợp cho "các ứng dụng dựa trên lượt", ví dụ, trò chơi cờ vua hai người. Mỗi kênh được quản lý bởi một hợp đồng thông minh đa chữ ký chạy trên mạng chính, hợp đồng này kiểm soát tài sản được gửi vào kênh, xác minh cập nhật trạng thái và phân xử tranh chấp giữa các bên tham gia ( dựa trên bằng chứng gian lận có chữ ký và dấu thời gian ). Sau khi các bên tham gia triển khai hợp đồng trên mạng blockchain, họ gửi một khoản tiền và khóa lại, sau khi cả hai bên ký xác nhận, kênh chính thức được mở. Kênh cho phép các giao dịch miễn phí không giới hạn giữa các bên tham gia off-chain ( miễn là giá trị ròng chuyển nhượng của họ không vượt quá tổng số token đã gửi ). Các bên tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái cho nhau, chờ ký xác nhận từ bên kia. Một khi bên kia ký xác nhận, cập nhật trạng thái này được coi là hoàn thành. Thông thường, các cập nhật trạng thái được hai bên đồng ý sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ khi có tranh chấp hoặc khi đóng kênh thì mới phụ thuộc vào xác nhận của mạng chính. Khi cần đóng kênh, bất kỳ bên nào cũng có thể yêu cầu giao dịch trên mạng chính, nếu yêu cầu rút tiền nhận được sự đồng ý ký tên nhất trí của tất cả mọi người, thì hợp đồng thông minh sẽ ngay lập tức thực hiện trên chuỗi, phân phối số tiền khóa còn lại dựa trên số dư của mỗi bên tham gia trong trạng thái cuối cùng của kênh; nếu các bên tham gia khác không ký phê duyệt, thì tất cả mọi người sẽ phải chờ kết thúc "thời gian thách thức" để nhận được số tiền còn lại.

Tóm lại, giải pháp kênh trạng thái có thể giảm đáng kể khối lượng tính toán trên mạng chính, nâng cao tốc độ giao dịch và giảm chi phí giao dịch.

3.1.2 Thời gian

• 2015/02, Joseph Poon và Thaddeus Dryja đã phát hành bản nháp whitepaper của mạng lưới ánh sáng.
• 2015/11, Jeff Coleman lần đầu tiên hệ thống tóm tắt khái niệm State Channel, đề xuất rằng Payment Channel của Bitcoin là một trường hợp con trong khái niệm State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon và Thaddeus Dryja chính thức công bố tài liệu trắng "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" đưa ra giải pháp mở rộng mạng lưới Bitcoin Payment Channel( kênh thanh toán), giải pháp này chỉ được sử dụng để xử lý các khoản thanh toán chuyển khoản trên mạng lưới Bitcoin.
• Tháng 11 năm 2017, tiêu chuẩn thiết kế về State Channel đầu tiên dựa trên khung Payment Channel có tên là Sprites đã được đề xuất.
• 2018/06, Counterfactual đã đề xuất một thiết kế Kênh Trạng Thái Tổng Quát rất chi tiết, đây là thiết kế đầu tiên hoàn toàn liên quan đến kênh trạng thái.
• 2018/10, bài viết Generalised State Channel Networks đã đưa ra khái niệm về State Channel Networks và Virtual Channels.
• 2019/02, khái niệm kênh trạng thái mở rộng đến N-Party Channels, Nitro là giao thức đầu tiên được xây dựng dựa trên ý tưởng này.
• 2019/10, Pisa đã mở rộng khái niệm Watchtowers để giải quyết vấn đề tất cả người tham gia cần phải trực tuyến liên tục.
• 2020/03, Hydra đề xuất Kênh Isomorphic Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Hình 1 cho thấy quy trình làm việc trên chuỗi truyền thống: Alice và Bob tương tác với hợp đồng thông minh được triển khai trên mạng chính, người dùng thay đổi trạng thái của hợp đồng thông minh bằng cách gửi giao dịch lên chuỗi. Nhược điểm là sẽ mang lại các vấn đề về thời gian và chi phí đã thảo luận ở trên.

Hình 2 cho thấy quy trình làm việc chung mà hầu hết các giao thức kênh trạng thái tuân theo: Trong trường hợp lạc quan, Alice và Bob cần thực hiện các thao tác giống như trước đây, nhưng lần này họ sử dụng kênh trạng thái, thay vì tương tác với hợp đồng trên chuỗi.

• Bước đầu tiên, Alice và Bob tương tác bằng cách gửi tiền từ EOA cá nhân của họ vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi (, số tiền 1,2) này được khóa trong hợp đồng cho đến khi kênh đóng, sau đó số dư sẽ được trả lại cho người dùng; sau khi cả hai ký xác nhận, kênh trạng thái chính thức được mở giữa họ.
• Bước thứ hai, Alice và Bob có thể tiến hành giao dịch không giới hạn số lần trên chuỗi thông qua kênh này ( đường viền màu xanh ), các bên tham gia giao tiếp với nhau thông qua các tin nhắn đã ký mã hóa ( thay vì giao tiếp với mạng blockchain ). Cả hai người dùng đều cần ký cho mỗi giao dịch để ngăn chặn hành vi gian lận double spending. Thông qua các tin nhắn này, họ đề xuất cập nhật trạng thái tài khoản của mình và chấp nhận các cập nhật trạng thái do đối phương đề xuất.
• Bước ba, nếu Alice muốn đóng kênh kết thúc giao dịch giữa Alice và Bob, Alice cần gửi trạng thái cuối cùng của tài khoản mình ( tương tác 3) đến hợp đồng, nếu Bob ký tên chấp thuận, hợp đồng sẽ dựa trên trạng thái cuối cùng để giải phóng tiền đã khóa trả lại cho người dùng tương ứng ( tương tác 4,5). Nếu Bob không phản hồi ký tên, hợp đồng sẽ giải phóng tiền đã khóa trả lại cho người dùng tương ứng sau khi kết thúc thời gian thách thức.

Hình 3 hiển thị quy trình làm việc của kênh trạng thái trong trường hợp bi quan: Ban đầu, hai người tham gia gửi tiền ( tương tác 1, 2), sau đó bắt đầu trao đổi các cập nhật trạng thái ( đường chấm nét màu xanh ). Giả sử tại một thời điểm nào đó, Bob không phản hồi chữ ký cập nhật trạng thái mà Alice gửi đến trong lượt của anh ấy ( tương tác 3), lúc này, Alice có thể khởi xướng thách thức bằng cách gửi trạng thái hợp lệ cuối cùng của chính mình lên hợp đồng ( tương tác 4), trạng thái hợp lệ này cũng chứa chữ ký trước đó của Bob, từ đó chứng minh rằng giao dịch cuối cùng đã nhận được sự chấp thuận của Bob, và trạng thái cuối cùng đã nhận được sự xác nhận của Bob. Sau đó, hợp đồng cho phép Bob phản hồi trong một khoảng thời gian bằng cách gửi trạng thái tiếp theo cho hợp đồng; nếu Bob phản hồi, hai người có thể tiếp tục giao dịch trong kênh trạng thái; nếu Bob không phản hồi trong khoảng thời gian đó, hợp đồng sẽ tự động đóng kênh trạng thái và trả lại tiền cho Alice ( tương tác 5).

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Tính tức thời: Giao dịch off-chain có thể được xác nhận ngay lập tức, không cần chờ đợi xác nhận khối.
• Khả năng thông lượng cao: chỉ cần tương tác với mạng chính khi mở và đóng kênh, giúp tăng đáng kể khả năng thông lượng.
• Chi phí thấp: giao dịch off-chain không cần phải trả phí cho thợ mỏ, chỉ cần trả một khoản phí nhỏ khi mở và đóng kênh.
• Tính riêng tư: Nội dung giao dịch off-chain sẽ không được đưa lên chuỗi, chỉ trạng thái cuối cùng sẽ được gửi tới mạng chính

Nhược điểm:

• Độ sâu: Việc triển khai và sử dụng kênh trạng thái tương đối phức tạp
• Khóa thanh khoản: Cần khóa trước một số lượng tiền nhất định
• Yêu cầu trực tuyến: Người tham gia cần duy trì trực tuyến để phản hồi trạng thái mới nhất
• Phạm vi áp dụng hạn chế: chủ yếu áp dụng cho các tình huống tương tác thường xuyên giữa hai bên

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin:

Tổng quan: Mạng lưới Lightning là kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin, quá trình tiến hóa công nghệ tổng thể của nó trải qua: 2/2 ký quỹ nhiều bên xây dựng thanh toán một chiều.