Phân tích độ sâu mở rộng off-chain

Tác giả: Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Vấn đề tam giác không thể xảy ra của blockchain: phi tập trung, an ninh và khả năng mở rộng khó có thể đáp ứng đồng thời. Một trong những chủ đề nóng hiện nay trong phát triển blockchain là làm thế nào để tăng thông lượng và tốc độ giao dịch của blockchain mà vẫn đảm bảo phi tập trung và an ninh, tức là giải quyết vấn đề mở rộng.

Định nghĩa về độ sâu, tính an toàn và khả năng mở rộng của blockchain:

• Phi tập trung: Số lượng nút càng nhiều, mức độ phi tập trung càng cao, mạng lưới không bị kiểm soát bởi một nhóm nhỏ.
• An toàn: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, độ an toàn càng cao, có thể chống lại các cuộc tấn công của một tỷ lệ người tham gia lớn.
• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain trong việc xử lý một lượng lớn giao dịch.

Sự phân tách cứng quan trọng đầu tiên của mạng Bitcoin xuất phát từ vấn đề mở rộng. Vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, hệ thống khách hàng phát triển 8MB của Bitcoin ABC bắt đầu hoạt động, dẫn đến sự phân tách cứng quan trọng đầu tiên trong lịch sử Bitcoin, tạo ra đồng tiền mới BCH.

Mạng Ethereum giới hạn khối lượng giao dịch bằng cách hạn chế phí nhiên liệu có thể chứa trong một khối, nhằm đạt được sự đồng thuận không cần tin cậy và đảm bảo sự phân bố rộng rãi của các nút. Với sự gia tăng của các ứng dụng trên chuỗi, nhu cầu về thông lượng trên thị trường ngày càng tăng, nhưng Ethereum chỉ có thể xử lý 15~45 giao dịch mỗi giây, dẫn đến chi phí giao dịch tăng, thời gian thanh toán kéo dài, hầu hết các Dapps khó có thể chịu đựng chi phí vận hành, mạng trở nên chậm và đắt đỏ, vấn đề mở rộng blockchain cần được giải quyết gấp.

2. Các loại giải pháp mở rộng

Theo tiêu chuẩn “Có thay đổi một lớp mạng chính hay không”, các kế hoạch mở rộng được chia thành hai loại lớn: mở rộng trên chuỗi và mở rộng off-chain.

2.1 Mở rộng chuỗi

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

Mở rộng trên chuỗi có nhiều giải pháp khác nhau, bài viết này sẽ không đi sâu vào, dưới đây là tóm tắt hai giải pháp:

• 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 làm tăng yêu cầu đối với thiết bị nút hiệu suất cao, làm tăng rào cản 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 là mỗi nút tham gia vào tất cả việc ghi chép, mà là bởi các phân đoạn khác nhau tức là các nút khác nhau chịu trách nhiệm ghi chép khác nhau, tính toán song song có thể xử lý nhiều giao dịch đồng thời; điều này có thể giảm áp lực tính toán của 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 bị phân tán, sẽ giảm “độ an toàn” của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi mã của một 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 lớp dưới đều có thể đe dọa nghiêm trọng đến tính an toàn của toàn bộ mạng, mạng có thể buộc phải thực hiện phân nhánh hoặc ngừng nâng cấp sửa chữa.

2.2 Mở rộng off-chain

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

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

• Layer2: Kênh trạng thái, Plasma, Rollups ( Rollups lạc quan, ZK Rollups )
• Các giải pháp khác: Sidechains, Validium

3. Giải pháp mở rộng off-chain

3.1 Kênh trạng thái

3.1.1 Tóm tắt

Kênh trạng thái quy định rằng người dùng chỉ cần tương tác với mạng chính khi kênh được mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp, và thực hiện tương tác giữa người dùng với người dùng theo phương thức off-chain, nhằm giảm thời gian và chi phí giao dịch của người dùng, đồng thời cho phép 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”, chẳng hạn như trò chơi cờ vua giữa hai người. Mỗi kênh được quản lý bởi một hợp đồng thông minh đa ký hoạt động trên mạng chính, hợp đồng này kiểm soát tài sản được gửi vào kênh, xác thực cập nhật trạng thái và phân xử các tranh chấp giữa các bên tham gia ( theo chứng cứ gian lận có chữ ký và dấu thời gian ).

3.1.2 Thời gian

• 2015/02, Joseph Poon và Thaddeus Dryja đã phát hành bản nháp whitepaper về mạng Lightning.
• Tháng 11 năm 2015, Jeff Coleman lần đầu tiên hệ thống hóa 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 cho mạng lưới Bitcoin là Payment Channel ( kênh thanh toán ), giải pháp này chỉ được sử dụng để xử lý các khoản thanh toán chuyển tiền 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 đưa ra một thiết kế Generalized State Channels 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 đề xuất khái niệm State Channel Networks và Virtual Channels.
• 2019/02, khái niệm kênh trạng thái được mở rộng đến N-Party Channels, Nitro là giao thức đầu tiên được xây dựng dựa trên ý tưởng này.
• 2019/10, Pisa để giải quyết vấn đề tất cả người tham gia cần phải trực tuyến liên tục, đã mở rộng khái niệm Watchtowers.
• 2020/03, Hydra đã đưa ra Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Quy trình làm việc của kênh trạng thái:

1. Người dùng gửi tiền vào hợp đồng trên chuỗi và khóa lại, kênh được mở.
2. Người dùng thực hiện giao dịch off-chain, xác nhận mỗi giao dịch bằng chữ ký.
3. Cần đóng kênh, hãy gửi trạng thái cuối cùng đến hợp đồng trên chuỗi.
4. Nếu có tranh chấp, có thể vào thời gian thách thức, nộp chứng cứ.
5. Hợp đồng sẽ hoàn trả tiền cho người dùng dựa trên trạng thái cuối cùng hoặc kết quả thách thức.

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận ngay lập tức
• Phí giao dịch thấp
• Tính riêng tư cao
• Khả năng thông lượng cao

Nhược điểm:

• Cần giám sát trực tuyến liên tục
• Không thể ứng phó với việc rút lui quy mô lớn
• Dung lượng kênh hạn chế
• Tính thanh khoản thấp
• Thiếu tính phổ quát

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới Bitcoin Lightning:

• Là kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin
• Thông qua kênh thanh toán nhỏ off-chain và người trung gian tạo thành mạng lưới giao dịch, giải quyết vấn đề mở rộng mạng Bitcoin.
• Về lý thuyết có thể xử lý một triệu giao dịch mỗi giây
• Hệ sinh thái đang phát triển liên tục, ứng dụng bao gồm nhiều loại như thanh toán, ví, quản lý nút, v.v.

Mạng điện báo Ethereum:

• Kênh thanh toán nhỏ dựa trên Ethereum
• Hiện tại công nghệ này chưa được áp dụng rộng rãi
• Đội ngũ đang cải tiến Raiden Network, để nó hoạt động trên mạng Rollup Layer2 của Ethereum

Celer Network:

• Về bản chất, đây là một mạng lưới ánh sáng được tăng cường với lớp khuyến khích.
• Có thể xây dựng Dapps blockchain kiểu tương tác tần suất cao nhanh chóng, dễ sử dụng, chi phí thấp và an toàn thông qua công nghệ mở rộng off-chain và mô hình kinh tế khuyến khích.
• Đã ra mắt sản phẩm cầu tài sản đa chuỗi cBridge

3.2 Sidechains

3.2.1 Tóm tắt

Sidechain là một hình thức blockchain xuất hiện nhằm tăng tốc giao dịch Bitcoin, có thể sử dụng hợp đồng phức tạp hơn, hoặc cải thiện cơ chế đồng thuận ( như PoS ), hoặc điều chỉnh các tham số khối để cho sidechain phù hợp với các chức năng cụ thể. Kết quả giao dịch của sidechain cuối cùng sẽ được ghi lại trên phía người xác thực khi chuyển trở lại chuỗi chính. Mô hình blockchain này không phải là một hình thức blockchain mới, mà là cơ sở hạ tầng gắn liền với chuỗi chính và hỗ trợ chuỗi chính giải quyết các vấn đề.

3.2.2 Dòng thời gian

• Tháng 1 năm 2012, khái niệm về sidechain của Bitcoin đã được đưa ra trong phòng chat.
• 2014/10, bài báo về sidechain Bitcoin lần đầu tiên được công bố: Symmetric Pegged và Asymmetric Pegged
• 2017/04, Mạng POA ra mắt mạng thử nghiệm của một sidechain dựa trên sự đồng thuận Proof of Authentication của Ethereum
• 2017/10, Matic Network ra mắt
• 2017/12, mạng lưới POA chính thức ra mắt
• 2018/01, Mạng thử nghiệm Skales ra mắt
• 2018/10, mạng thử nghiệm xDai Chain được ra mắt
• 2020/06, Skale mainnet ra mắt
• 2020/06, mạng chính của chuỗi PoS Matic trên Ethereum sidechain ra mắt
• 2021/02, thương hiệu Matic Network được đổi tên thành Polygon Network
• 2021/02, Mạng chính Ronin của trò chơi Axie Infinity bắt đầu hoạt động
• 2021/12, xDai Chain và Gnosis Dao hợp nhất thành Gnosis Chain
• 2022/03, POA Network hợp nhất vào Gnosis Chain

3.2.3 Nguyên lý kỹ thuật

Hai cơ chế chính của sidechain:

1. Neo chiều ( Neo được neo đối xứng ): Các xác thực của chuỗi chính và chuỗi phụ ghi lại trạng thái của nhau theo thời gian thực. Khi token của chuỗi chính chuyển đến chuỗi phụ, sẽ phát sinh đầu ra đặc biệt, chỉ có các xác thực của chuỗi phụ mới có thể mở khóa.

2. Không phối hợp neo ( Neo không đối xứng ): Người xác thực chuỗi phụ theo dõi hoạt động của chuỗi chính, có thể chủ động ghi lại các giao dịch từ chuỗi chính đến chuỗi phụ. Nhưng khi từ chuỗi phụ đến chuỗi chính, chuỗi chính không thể xác nhận trạng thái của chuỗi phụ, cần phải đưa cơ chế Certifiers vào.

Nói một cách đơn giản về cơ chế chuỗi bên:

• Chuỗi chính đến chuỗi phụ: Chuỗi chính khóa tài sản, chuỗi phụ tạo ra tài sản wrapped.
• Sidechain đến chuỗi chính: Sidechain hủy bỏ tài sản wrapped, chuỗi chính mở khóa tài sản

An toàn tài sản chuỗi bên phụ thuộc vào cơ chế đồng thuận của chuỗi bên.

3.2.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Có thể tùy chỉnh cao độ
• Tài sản chuỗi chính có thể sử dụng
• Không ảnh hưởng đến chuỗi chính
• Có thể thực hiện chức năng phức tạp

Nhược điểm:

• Độ sâu an toàn thấp
• Độ sâu trung tâm thấp
• Phân tán tính thanh khoản
• Thiếu tài sản gốc

3.2.5 Ứng dụng

xDai ( hiện Gnosis Chain ):

• Token $xDai được neo 1:1 với $Dai
• Sử dụng cơ chế đồng thuận PoSDAO
• Đã hợp nhất với Gnosis

Polygon:

• Trình hợp nhất giải pháp mở rộng Ethereum
• Cung cấp chuỗi bên Polygon PoS và nhiều giải pháp Rollup khác nhau
• Phát triển hệ sinh thái nhanh chóng, có nhiều Dapp và người dùng

Ronin:

• Chuỗi phụ trò chơi Axie Infinity
• Sử dụng cơ chế đồng thuận PoA
• Đã từng bị tấn công nghiêm trọng bởi hacker

3.3 Plasma

3.3.1 Tóm tắt

Plasma là một khung xây dựng Dapp có thể mở rộng. Nó xuất hiện như một giải pháp tiến hóa của chuỗi phụ, nhằm giảm thiểu lòng tin của người dùng vào các nhà điều hành chuỗi phụ.