Kiến thức cơ bản về mạng lớp hai của Bitcoin

Sự trỗi dậy của ký tự Bitcoin đã thổi một luồng sinh khí mới vào hệ sinh thái Bitcoin, khơi dậy sự quan tâm trở lại của mọi người đối với Bitcoin. Một số người cho rằng điều này mở ra chiếc hộp Pandora của hệ sinh thái Bitcoin. Trong nhiều phát triển công nghệ của hệ sinh thái Bitcoin, việc xây dựng lớp thứ hai là vô cùng quan trọng. Bài viết này nhằm tóm tắt kiến thức cơ bản về lớp thứ hai của Bitcoin, hy vọng có thể gợi ý và thúc đẩy sự phát triển hơn nữa trong lĩnh vực này.

Thế giới blockchain bắt đầu với Bitcoin và kết thúc với hệ sinh thái Bitcoin. Ethereum cũng có thể được coi là một khám phá công nghệ sidechain của Bitcoin.

Trong bài viết này, "xây dựng lớp hai" và "xây dựng mạng lớp hai" có thể được sử dụng thay thế cho nhau, thường thì cái sau mang nghĩa hẹp hơn, cái trước có nghĩa rộng hơn. Tuy nhiên, để giữ sự nhất quán với các thuật ngữ thường được sử dụng trong ngành, chúng tôi cũng sẽ sử dụng khái niệm "xây dựng mạng lớp hai".

1. Sứ mệnh của Layer2

Để hiểu các vấn đề cơ bản cần giải quyết trong việc xây dựng lớp thứ hai của Bitcoin, chúng ta bắt đầu từ các đặc tính cơ bản của hệ thống blockchain.

1.1 Các đặc tính cơ bản và nhu cầu của blockchain

Chúng tôi áp dụng khái niệm mà Vitalik đề xuất: blockchain là một "máy tính thế giới". Từ góc độ này, việc hiểu rõ hơn về nhiều đặc tính của blockchain sẽ dễ dàng hơn. Sau này, chúng tôi cũng sẽ phân tích khả năng phát triển của "máy tính thế giới" này dựa trên cấu trúc von Neumann.

Các đặc tính cơ bản của blockchain bao gồm:

Công khai và minh bạch: Đây là đặc điểm của việc lưu trữ dữ liệu và thực hiện lệnh của "máy tính toàn cầu" blockchain, cũng là đặc điểm nội tại cần sự tham gia tính toán của nhiều nút phân phối trên toàn cầu. Đặc điểm này đáp ứng quyền được biết về dữ liệu của người sử dụng, là kết quả chung của yêu cầu hợp tác nội bộ của "máy tính toàn cầu" và nhu cầu bên ngoài của người sử dụng.

Phi tập trung: Đây là đặc điểm kiến trúc của "máy tính thế giới", mức độ phi tập trung và khả năng chịu lỗi được hỗ trợ lý thuyết bởi lý thuyết tướng Byzantine. Mức độ phi tập trung là chỉ số quan trọng về độ an toàn của blockchain, cũng là cơ sở của một số đặc điểm.

An toàn: An toàn được hình thành từ nhu cầu nội tại do các đặc điểm kiến trúc của "máy tính thế giới" tạo ra và nhu cầu bên ngoài từ người sử dụng. Ở cấp độ vi mô, điều này được đảm bảo bởi các công nghệ liên quan đến mật mã, còn ở cấp độ vĩ mô, điều này được đảm bảo bởi tính phi tập trung của kiến trúc.

Khả năng tính toán: Một trong những chức năng chính của máy tính thế giới blockchain này là khả năng tính toán. Thường được đo lường bằng tính hoàn chỉnh Turing. Một số chuỗi được thiết kế cố ý không hoàn chỉnh Turing để duy trì các đặc tính chính.

Hiệu suất: Trong trường hợp có cùng khả năng tính toán, hiệu suất là một khả năng chính khác để xem xét máy tính trong thế giới blockchain. Thông thường được đo bằng số lượng giao dịch được xử lý mỗi giây TPS( ).

Lưu trữ: Blockchain như một "máy tính toàn cầu" chắc chắn phải có chức năng lưu trữ, tức là khả năng ghi lại dữ liệu. Hiện tại, hầu hết đều lưu trữ trong khối, việc lưu trữ trên chuỗi ngoài khối chuyên nghiệp hơn vẫn đang trong quá trình phát triển.

Quyền riêng tư: Quyền riêng tư là một nhu cầu phân khúc trong "máy tính thế giới", tức là yêu cầu duy trì phạm vi quyền của người sản xuất và người sử dụng dữ liệu trong quá trình tính toán và lưu trữ. Điều này chủ yếu được thúc đẩy bởi nhu cầu bên ngoài của người sử dụng.

Những đặc điểm cơ bản của blockchain này chủ yếu bị chi phối bởi tam giác không thể, như giả thuyết DSS: phi tập trung (Decentralization), an ninh (Security) và khả năng mở rộng (Scalability) không thể đạt được tối ưu đồng thời.

1.2 Vai trò của xây dựng lớp hai

Vai trò của việc xây dựng lớp hai là mở rộng những thiếu sót của hệ thống lớp một, hoàn thành các chức năng mà hệ thống lớp một không thể thực hiện. Cụ thể, việc xây dựng lớp hai cần mở rộng những khả năng cơ bản này: công khai minh bạch, phi tập trung, an toàn, khả năng tính toán, hiệu suất ( thông lượng ), lưu trữ, quyền riêng tư và những thứ khác. Ngoài khía cạnh kỹ thuật, còn cần giải quyết một vấn đề kinh tế quan trọng: giảm chi phí.

Tóm lại, xây dựng lớp thứ hai là giải pháp được thiết kế để tăng khả năng, giảm chi phí và tùy chỉnh đặc điểm trong ba chiều này.

Trong xây dựng lớp hai, khả năng cơ bản của blockchain có thể sẽ phải đánh đổi, có thể giảm thiểu hoặc thậm chí từ bỏ một số đặc tính để đổi lấy sự cải thiện đáng kể của các đặc tính khác. Ví dụ, một số lớp hai giảm mức độ phi tập trung và an ninh để cải thiện hiệu suất; một số khác thay đổi cấu trúc hệ thống và phương thức thanh toán để tăng thông lượng. Cũng có một số lớp hai tăng cường một đặc tính nào đó mà không làm giảm các đặc tính cơ bản, như RGB tăng cường tính riêng tư và khả năng chống kiểm duyệt, nhưng cũng làm tăng độ khó trong việc thực hiện kỹ thuật.

1.3 Tại sao phải thực hiện thiết kế phân lớp?

Thiết kế phân lớp là phương pháp thường được sử dụng để xử lý các hệ thống phức tạp, thông qua việc chia hệ thống thành nhiều cấu trúc lớp và định nghĩa mối quan hệ cũng như chức năng giữa các lớp, nhằm đạt được tính mô-đun, khả năng bảo trì và khả năng mở rộng của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu quả thiết kế và độ tin cậy của hệ thống.

Đối với hệ thống giao thức khổng lồ, việc sử dụng thiết kế phân lớp có lợi rõ ràng: dễ hiểu, phân công thực hiện và cải tiến theo từng mô-đun. Giống như mô hình bảy lớp ISO/OSI trong mạng máy tính, nhưng trong thực tế, có thể hợp nhất một số lớp, chẳng hạn như giao thức bốn lớp TCP/IP.

Các ưu điểm của thiết kế phân lớp bao gồm:

1. Các tầng độc lập, công việc giữa các tầng trên và dưới không ảnh hưởng đến nhau.
2. Tính linh hoạt tốt, sự thay đổi của một lớp không ảnh hưởng đến các lớp khác
3. Cấu trúc có thể phân tách, các lớp có thể sử dụng công nghệ phù hợp nhất.
4. Dễ dàng thực hiện và bảo trì
5. Thúc đẩy tiêu chuẩn hóa

2. Một số hướng xây dựng Layer2 của Bitcoin

Bitcoin的二层建设主要有三种路线:

(1) Lộ trình mở rộng dựa trên chuỗi, tương tự như lớp thứ hai EVM, là cấu trúc blockchain;

(2) Dựa trên lộ trình phân phối, với mạng Lightning làm đại diện, là cấu trúc phân phối;

(3) Dựa trên hệ thống tập trung, với chỉ mục tập trung làm đại diện, là cấu trúc tập trung.

Hai cách đầu tiên đã có một số ứng dụng thực tế và khám phá. Cách đầu tiên do sự phát triển mạnh mẽ của Ethereum và sự khám phá của các chuỗi mô phỏng Bitcoin khác, tương đối dễ thực hiện hơn. Cách thứ hai dựa trên phân tán thường có độ khó lớn hơn, phát triển chậm hơn, với mạng lưới Lightning làm đại diện. Cách thứ ba gây tranh cãi hơn, có vẻ không giống như xây dựng lớp thứ hai, nhưng dường như hoàn thành chức năng của việc xây dựng lớp thứ hai.

Chúng ta có thể sử dụng tổng giá trị khóa (TVL) làm tiêu chuẩn đo lường, các giải pháp lớp hai có TVL càng cao thì càng xuất sắc. Theo thời gian và sự phát triển của công nghệ, các giải pháp tối ưu sẽ liên tục thay đổi.

Đối với mạng lưới lớp hai của Bitcoin, chỉ cần dựa vào mạng lưới Bitcoin, thiết lập mối liên hệ kỹ thuật, và một số đặc tính vượt trội hơn mạng lưới lớp một của Bitcoin, đều có thể được coi là xây dựng mạng lưới lớp hai của Bitcoin. Nói cách khác, việc tiêu tốn BTC như gas, với BTC là tài sản cơ sở, mở rộng hiệu suất của Bitcoin được tính là xây dựng lớp hai.

2.1 Xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi

Các chuỗi mô phỏng Bitcoin trong giai đoạn đầu đã tiến hành nhiều khám phá, chẳng hạn như "Colorcoin"( đồng màu), "CovertCoins" và "MasterCoin"; các chuỗi phân nhánh Bitcoin mở rộng khác nhau, chẳng hạn như BCH(Bitcoin Cash), BSV(Bitcoin SV), BTG(Bitcoin Gold); các công nghệ sidechain khác nhau đều dựa trên các trường hợp xây dựng mở rộng chuỗi, có thể được xem như là lớp thứ hai theo nghĩa rộng.

Ethereum cũng có thể được coi là một cuộc khám phá cải tiến dựa trên Bitcoin. Vitalik đã phát triển một hệ thống blockchain thế hệ mới để giải quyết những thiếu sót của Bitcoin ( như hệ thống không tài khoản UTXO, ngôn ngữ thực thi không hoàn chỉnh Turing, khả năng mở rộng kém, v.v. ). Mặc dù Ethereum không phải là một công trình lớp hai trực tiếp trên Bitcoin, nhưng xét từ góc độ rộng hơn, nó là một cuộc khám phá xây dựng dựa trên chuỗi.

Khám phá những cải tiến không đủ của Ethereum so với Bitcoin và sự phát triển cũng như xác minh của lớp hai Ethereum đã cung cấp tham khảo cho sự phát triển của mạng lớp hai dựa trên chuỗi của Bitcoin. Các giải pháp Rollup khác nhau, giải pháp liên chuỗi, công nghệ kênh tin nhắn, cũng như công nghệ phân đoạn của Ethereum đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của hệ sinh thái công nghệ Ethereum.

Xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi trong Bitcoin chủ yếu bao gồm hai loại chuỗi điển hình: một loại là mô hình tài khoản tương thích EVM, loại còn lại là mô hình UTXO giống Bitcoin. Các trường hợp hiện có ( định nghĩa lớp thứ hai rộng ) bao gồm: Ethereum, Polygon, Bsc, Arbitrum, v.v. là mô hình tài khoản EVM, CKB(Nervos), Chia là mô hình UTXO.

Ngoài ra, các dự án lớp hai đã thành công trên Ethereum cũng sẽ tham gia xây dựng lớp hai Bitcoin. Đối với những dự án này, khối lượng công việc và thách thức để chuyển đổi sang lớp hai Bitcoin sẽ tương đối nhỏ. Dựa trên sự phát triển trưởng thành và mô-đun hóa của rollup trên Ethereum, cách xây dựng lớp hai này có thể trở thành xu hướng chính trong các cuộc thảo luận về mở rộng, và cũng là giải pháp nhanh chóng có hiệu quả nhất.

Ưu nhược điểm của việc xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi:

Ưu điểm:

• Giữ lại hầu hết các đặc tính cơ bản của blockchain
• Thường giải quyết vấn đề hoàn chỉnh của Turing
• Giảm đáng kể chi phí giao dịch
• Mở rộng khả năng mạng ở một mức độ nhất định
• Các trường hợp xây dựng phong phú, việc thực hiện kỹ thuật tương đối dễ dàng
• Di chuyển ứng dụng trên tầng dễ dàng

Nhược điểm:

• Vẫn bị hạn chế bởi blockchain, hiệu suất nâng cao có hạn.
• Có thể cần giảm mức độ phi tập trung hoặc an ninh để cải thiện hiệu suất
• Có thể cần xây dựng Layer3 hoặc Layer4( trên lớp thứ hai của lớp thứ hai )

2.2 Xây dựng lớp thứ hai dựa trên hệ thống phân tán

Một số xây dựng lớp hai dựa trên hệ thống phân phối, cấu trúc và khung của nó không còn là cấu trúc blockchain, mà là hệ thống phân phối dựa trên Channel. Mạng Lightning là đại diện điển hình.

Hệ thống phân tán được cấu thành từ một số tiến trình và kênh Channel hữu hạn. Để truyền tải tin nhắn, cần kiểm soát dữ liệu, sự kiện, và kênh, điều này đã là một vấn đề phức tạp. Ở đây, Channel chỉ đến khái niệm kênh cấp trên, như kênh thanh toán trong mạng lưới ánh sáng, kênh tin nhắn trong Nostr, chứ không phải khái niệm Channel cấp dưới trong mạng lưới phân tán.

Xây dựng lớp thứ hai dựa trên phân phối được chia thành hai loại:

(1) Chỉ hoàn thành việc truyền tải giá trị, như mạng lưới ánh sáng;

(2) vừa hoàn thành việc truyền tải giá trị, vừa hoàn thành công nghệ Turing đầy đủ, như RGB.

Xây dựng lớp hai dựa trên phân phối vì liên quan đến việc truyền giá trị, phải đối mặt với nhiều khó khăn vượt xa việc truyền tải tin nhắn, chẳng hạn như tổng dung lượng giá trị trong kênh, tính nghiêm ngặt của giao dịch, ngăn chặn việc tiêu dùng lần hai, v.v. Do đó, sự phát triển của các công trình lớp hai này diễn ra khá chậm và không có nhiều trường hợp trưởng thành.

Việc thực hiện tính toán Turing đầy đủ trên một lớp thứ hai như vậy, tức là thiết lập hệ thống máy ảo Turing đầy đủ trên Channel, khó khăn hơn. Chẳng hạn, giao thức RGB thực hiện tính toán Turing đầy đủ trên hệ thống phân tán thông qua xác minh từ phía khách hàng và niêm phong một lần.

Các trường hợp xây dựng lớp thứ hai dựa trên hệ thống phân tán trong Bitcoin bao gồm: Lightning Network, RGB, v.v. Theo tiêu chuẩn xây dựng lớp thứ hai theo nghĩa rộng, liệu Nostr có thuộc về xây dựng lớp thứ hai của hệ thống phân tán theo cơ chế Channel không? Các trường hợp sử dụng Channel trong Ethereum như Connext, Raiden, Perun có thể là hướng nghiên cứu sâu hơn.

Ưu nhược điểm của xây dựng lớp thứ hai dựa trên hệ thống phân tán:

Ưu điểm:

• Hệ thống trở nên phi tập trung hơn
• Mạng lớp hai có thể chứa vô số nút
• Tính riêng tư và khả năng chống kiểm duyệt mạnh mẽ hơn
• Về lý thuyết có khả năng mở rộng vô hạn và hiệu suất cực cao

Nhược điểm:

• Thực hiện công nghệ phức tạp
• Thuật toán định tuyến, phân tách giá trị và thuật toán đóng gói trong hệ thống phân tán khổng lồ rất phức tạp
• Thiếu kinh nghiệm thực hiện kỹ thuật và cơ sở hạ tầng trong việc truyền tải giá trị
• Hiện thực hóa hệ thống Turing hoàn chỉnh ( Channel+ tính toán ) là thách thức lớn.

2.3 Xây dựng lớp thứ hai dựa trên hệ thống tập trung

Cấu trúc chỉ mục tập trung như Ordinals, hoặc bộ chỉ mục của một số nút chức năng đều là cấu trúc tập trung, cũng là một cách tiếp cận xây dựng lớp hai. Phương pháp này ít được công nhận hơn, vì lớp hai quá tập trung, có giới hạn trong việc mở rộng mạng lớp một. Các đặc tính cơ bản của blockchain dựa trên cấu trúc tập trung trong xây dựng lớp hai đều phụ thuộc vào mạng lớp một, lớp hai chỉ đóng vai trò như một chức năng tính toán và thống kê đơn giản, dường như có thể có hoặc không, có thể bị thay thế bất cứ lúc nào. Nhưng từ góc độ On-Chain và Off-Chain, cũng như từ góc độ nâng cao khả năng của mạng lớp một, cấu trúc tập trung này cũng là một dạng mở rộng lớp hai.

Ngoài Ordinals, sàn giao dịch tập trung cũng có thể được coi là trường hợp như vậy.

Ưu nhược điểm của việc xây dựng lớp hai dựa trên hệ thống trung tâm:

Ưu điểm:

• Hệ thống trung tâm rất thành công