Sharding: đây là giải pháp cho vấn đề mở rộng quy mô của blockchain

Шarding là một trong những phương pháp triển vọng nhất để nâng cao khả năng xử lý của các sổ cái phân tán. Công nghệ này dự kiến chia mạng thành nhiều hệ thống con độc lập (shard), mỗi hệ thống xử lý các giao dịch song song. Điều này cho phép tăng đáng kể tốc độ xử lý dữ liệu và số lượng giao dịch trong một đơn vị thời gian mà không làm giảm mức độ phi tập trung.

Cơ chế hoạt động và nguyên tắc chính

Từ lý thuyết cơ sở dữ liệu đến thực tiễn blockchain

Khái niệm phân chia các kho lưu trữ lớn thành các phần quản lý bắt nguồn từ các hệ thống quản lý dữ liệu truyền thống. Trong bối cảnh các sổ cái phân tán, ý tưởng này đã biến thành công nghệ cho phép mỗi nút trong mạng xử lý không toàn bộ dữ liệu mà chỉ một phần nhất định của nó.

Sharding là phương pháp chia mạng lưới blockchain thành nhiều phân đoạn hoạt động song song. Mỗi phân đoạn chứa một tập hợp con dữ liệu về số dư và các giao dịch, và các nút của nó hoạt động độc lập với các phân đoạn khác. Kết quả là — tăng đáng kể hiệu suất tổng thể mà không cần tất cả các thành viên phải lưu trữ toàn bộ thông tin.

Xử lý tuần tự và song song

Kiến trúc truyền thống của các hệ thống phân tán yêu cầu mỗi nút xác thực phải theo dõi và kiểm tra tất cả các hoạt động. Điều này đảm bảo an toàn, nhưng tạo ra điểm nghẽn: khi mạng phát triển, tốc độ xử lý giảm đi. Các nút ngày càng quá tải, yêu cầu về phần cứng tăng theo cấp số nhân.

Xử lý song song giải quyết vấn đề này theo cách hoàn toàn khác. Thay vì mỗi nút xử lý tất cả các giao dịch liên tiếp, tải trọng được phân phối theo chiều ngang: dữ liệu được chia thành các bộ độc lập, và mỗi phân đoạn hoạt động đồng thời với các phân đoạn khác. Điều này tạo ra hiệu ứng khả năng mở rộng: việc thêm các nút mới vào một shard không làm chậm hoạt động của phần còn lại của mạng.

Phân chia theo chiều ngang: tại sao chính xác như vậy?

Có hai phương pháp phân mảnh cơ sở dữ liệu. Phương pháp theo chiều ngang chia dữ liệu theo hàng — mỗi phân đoạn chứa đầy đủ các trường cho một tập hợp các bản ghi nhất định. Phương pháp theo chiều dọc chia theo cột — các nút khác nhau lưu trữ các thuộc tính khác nhau của cùng một đối tượng.

Đối với các mạng blockchain, phân chia theo chiều ngang là tối ưu vì ba lý do:

Khả năng mở rộng không thỏa hiệp. Mỗi shard hoạt động như một hệ thống độc lập, có khả năng xử lý các hoạt động cùng lúc với các shard khác. Điều này cho phép tăng khả năng xử lý của mạng theo tuyến tính.

Duy trì tính phi tập trung. Vì các nút không cần lưu trữ toàn bộ lịch sử blockchain, yêu cầu về tài nguyên tính toán giảm đi. Nhiều người tham gia hơn có thể tham gia vào mạng như các validator mà không cần phần cứng đắt tiền.

Tính toàn vẹn và xác thực dữ liệu. Mỗi shard chứa đầy đủ thông tin về các giao dịch của nó, cho phép các nút xác thực dữ liệu của phân đoạn của mình một cách độc lập và duy trì đồng thuận mà không cần đồng bộ toàn bộ mạng.

Lợi ích của sharding cho hệ sinh thái

Tăng tốc xử lý các hoạt động

Lợi ích chính — đó là tốc độ. Khi nhiều shard xử lý các giao dịch cùng lúc, khả năng xử lý tổng thể tăng lên nhiều lần. Các dự án sử dụng công nghệ này cho thấy kết quả ấn tượng: ví dụ, Zilliqa sử dụng sharding để đạt hàng nghìn giao dịch mỗi giây. Điều này mở ra cánh cửa cho việc chấp nhận rộng rãi blockchain bởi người dùng đại chúng.

Tối ưu hóa tiêu thụ tài nguyên

Trong mô hình truyền thống, sự phát triển của mạng đồng nghĩa với yêu cầu về phần cứng tăng lên. Mỗi nút mới phải đồng bộ toàn bộ lịch sử, lưu trữ bản sao đầy đủ của sổ cái. Điều này tất yếu dẫn đến tập trung: chỉ các tổ chức có máy chủ mạnh mới có thể tham gia xác thực.

Sharding phá vỡ chuỗi này. Vì mỗi nút chỉ chịu trách nhiệm về một phần dữ liệu, yêu cầu về bộ nhớ và sức mạnh tính toán giảm đi rõ rệt. Điều này dân chủ hóa sự tham gia vào mạng và thúc đẩy tính phi tập trung thực sự.

Mở rộng khả năng xử lý chung

Trong các blockchain truyền thống, việc thêm các nút mới thường làm giảm hiệu suất: tăng khối lượng liên lạc giữa các thành viên, phức tạp hóa quá trình đồng bộ. Sharding hoạt động theo hướng ngược lại: mỗi nút mới tham gia shard sẽ tăng khả năng xử lý cục bộ của nó, mà không làm chậm mạng lưới còn lại. Như vậy, hệ thống mở rộng theo cách chủ thể: càng nhiều người tham gia, hiệu suất càng cao.

Các điểm yếu và thách thức nghiêm trọng

Các cuộc tấn công vào các shard riêng lẻ

Việc giảm yêu cầu tính toán để quản lý shard tạo ra nguy cơ mới. Kẻ tấn công cần ít tài nguyên hơn nhiều để chiếm đoạt một phân đoạn so với toàn bộ mạng. Các cuộc tấn công này gọi là “tấn công 1%”: kẻ xấu có thể chiếm shard, kiểm soát một phần nhỏ tổng công suất mạng. Shard bị xâm phạm sau đó có thể tạo ra các giao dịch giả hoặc chặn các hoạt động hợp pháp.

Phức tạp trong các hoạt động cross-shard

Các hoạt động giữa các shard là cơn ác mộng kỹ thuật. Nếu người dùng gửi tiền từ shard này sang shard khác, hệ thống phải đảm bảo rằng việc gửi từ shard đầu tiên chỉ xảy ra sau khi xác nhận đã nhận trong shard thứ hai. Lỗi trong logic này có thể dẫn đến chi tiêu gấp đôi: tài sản tồn tại đồng thời trong cả hai shard. Vấn đề này khó giải quyết mà không gây ra độ trễ đáng kể trong xử lý.

Khả năng truy cập và khả năng chịu lỗi

Nếu một số shard tạm thời ngưng hoạt động (do lỗi kỹ thuật hoặc tấn công DDoS), hệ thống sẽ mất khả năng truy cập dữ liệu lưu trữ tại đó. Điều này có thể dẫn đến mất tính toàn vẹn của sổ cái hoặc không thể xác thực các giao dịch nhất định. Việc duy trì mức độ dự phòng dữ liệu phù hợp đòi hỏi nguồn lực đáng kể.

Cân bằng tải và đồng bộ hóa

Phân phối dữ liệu không hợp lý giữa các shard có thể dẫn đến quá tải. Một số shard có thể xử lý nhiều hơn nhiều so với các shard khác, tạo ra các điểm nghẽn. Ngoài ra, đồng bộ giữa các nút trong điều kiện kết nối mạng yếu có thể làm chậm toàn bộ quá trình, đặc biệt khi các thành viên sử dụng phần cứng có giới hạn về sức mạnh tính toán.

Đảm bảo đồng thuận mạng

Không có giao thức phân phối tải đáng tin cậy, hệ thống trở nên không ổn định. Nguy cơ phân phối không đối xứng các tài nguyên có thể dẫn đến mất đồng bộ giữa các shard và làm gián đoạn toàn bộ chuỗi.

Triển khai trong Ethereum

Nền tảng Ethereum đang phát triển kế hoạch toàn diện về triển khai sharding như một phần của cập nhật mở rộng Ethereum 2.0. Đây là quá trình chuyển đổi nhiều giai đoạn, bao gồm một số bước quan trọng.

Trong các giai đoạn cuối, các nhà phát triển Ethereum dự định thực hiện hoàn chỉnh kiến trúc với các shard, nơi mạng sẽ gồm nhiều phân đoạn hoạt động song song. Điều này sẽ giúp Ethereum tăng đáng kể khả năng xử lý và giảm phí giao dịch — hai vấn đề then chốt của mạng hiện tại.

Tuy nhiên, con đường này không dễ dàng. Các nhà phát triển đối mặt với các thách thức căn bản: làm thế nào để đảm bảo an toàn cho từng shard? Làm thế nào để đảm bảo giao tiếp chính xác giữa các phân đoạn? Làm thế nào để tránh tập trung khi các shard riêng lẻ yêu cầu ít tài nguyên hơn để quản lý?

Đội ngũ Ethereum kiểm tra kỹ lưỡng từng giai đoạn, tiến hành mô phỏng các kịch bản tấn công và lỗi khác nhau. Mỗi thành phần đều trải qua kiểm tra nghiêm ngặt trước khi tích hợp vào mạng chính.

Triển vọng và suy nghĩ cuối cùng

Sharding không chỉ là một thủ thuật kỹ thuật, mà còn là một phương pháp nền tảng để giải quyết cái gọi là tam giác blockchain: đồng thời đảm bảo khả năng mở rộng, an toàn và phi tập trung. Trong thời gian dài, ba đặc tính này dường như không thể cùng tồn tại. Sharding đã đề xuất một con đường mới.

Công nghệ này mang theo tiềm năng lớn cũng như các rủi ro thực tế. Một mặt, nó mở ra triển vọng mở rộng blockchain mà không hy sinh các giá trị của nó. Mặt khác — tạo ra các loại điểm yếu mới, đòi hỏi các giải pháp sáng tạo.

Các dự án khác nhau trong hệ sinh thái xem sharding như một tương lai khả thi. Đối với Ethereum, việc triển khai công nghệ này trở thành một bước ngoặt quan trọng trên hành trình cạnh tranh với các hệ thống tập trung về tốc độ và chi phí, đồng thời giữ vững các đặc tính của phi tập trung và an toàn thực sự.

Thành công sẽ phụ thuộc vào các nghiên cứu liên tục, các thử nghiệm trên mạng thử nghiệm và đặc biệt — khả năng của cộng đồng nhà phát triển dự đoán và khắc phục các vấn đề không lường trước. Đây không phải là vấn đề của những tháng tới, mà là một quá trình tiến hóa dài hạn của công nghệ.