Danksharding: Cách Ethereum Giải Quyết Thách Thức Mở Rộng của Nó

Vấn đề cốt lõi: Tại sao Ethereum cần Danksharding

Trước khi đi vào chi tiết kỹ thuật, điều quan trọng là phải hiểu rõ vấn đề mà danksharding thực sự giải quyết. Khi Ethereum tiếp tục mở rộng, tắc nghẽn mạng đã trở thành một vấn đề dai dẳng. Mỗi giao dịch đều phải được xác thực bởi hàng nghìn nút, và mỗi hợp đồng thông minh thực thi đều yêu cầu toàn bộ mạng xử lý cùng một dữ liệu. Điều này tạo ra một điểm nghẽn: càng nhiều người dùng muốn sử dụng Ethereum, mạng càng chậm và tốn kém hơn.

Phương pháp mở rộng blockchain truyền thống gặp giới hạn cứng. Trong một hệ thống tiêu chuẩn, nơi tất cả các nút phải xác thực tất cả các giao dịch, việc thêm nhiều giao dịch hơn đồng nghĩa với việc tăng khối lượng công việc tương ứng cho từng nút. Đó là lý do tại sao các nhà phát triển Ethereum đã làm việc hướng tới một giải pháp sharding—một cách để mạng có thể thực hiện nhiều việc cùng lúc thay vì buộc tất cả phải đi qua một quy trình xử lý duy nhất.

Hiểu về Sharding: Khái niệm cơ bản

Sharding về cơ bản rất đơn giản trong ý tưởng: thay vì để mỗi nút xác thực mọi giao dịch, chia mạng thành các phân đoạn nhỏ hơn, xử lý song song. Hãy tưởng tượng một mạng Ethereum truyền thống với 1.000 nút. Hiện tại, tất cả 1.000 nút phải xác minh, xử lý và lưu trữ mọi giao dịch. Điều này an toàn nhưng cực kỳ không hiệu quả.

Với sharding, mạng có thể được chia thành 64 shard độc lập. Mỗi shard xử lý phần riêng của mình các giao dịch—một có thể xử lý tất cả các tài khoản bắt đầu bằng ‘A’ đến ‘E’, một khác xử lý ‘F’ đến ‘J’, v.v. Mỗi shard chỉ cần xác thực một phần của mạng, tăng đáng kể khả năng xử lý song song. Các nút cá nhân cũng hưởng lợi: chúng không còn cần tải xuống và xác minh toàn bộ chuỗi khối nữa, chỉ cần shard được phân công của mình.

Kiến trúc này trực tiếp giải thích tại sao sharding truyền thống đã trở thành nền tảng trong các cuộc thảo luận về khả năng mở rộng blockchain. Lợi ích về khả năng xử lý là rõ ràng: thay vì xử lý các giao dịch theo trình tự, mạng có thể thực thi nhiều giao dịch cùng lúc trên các shard khác nhau.

Danksharding: Vượt ra ngoài sharding truyền thống

Vậy điều gì làm cho danksharding khác biệt so với các khái niệm sharding truyền thống? Sự đổi mới đến từ kiến trúc thiết kế của nó, được đặt theo tên nhà nghiên cứu Ethereum Dankrad Feist.

Điểm khác biệt chính nằm ở cách hoạt động đề xuất khối và cam kết dữ liệu. Các phương pháp sharding truyền thống yêu cầu nhiều đề xuất khối—một cho mỗi shard hoặc hệ thống đề xuất đa đề xuất phức tạp hơn. Điều này gây ra sự phức tạp trong phối hợp và tiềm ẩn các vấn đề về bảo mật. Danksharding đơn giản hóa điều này đáng kể bằng cách sử dụng một đề xuất khối duy nhất cho toàn bộ mạng.

Cách tiếp cận tối giản này có nghĩa là:

• Xử lý Giao dịch Thống nhất: Thay vì phối hợp giữa các đề xuất khối riêng biệt, tất cả dữ liệu đều đi qua một đề xuất, giảm thiểu bề mặt tấn công và chi phí phối hợp
• Thị trường Phí Gộp: Tất cả các giao dịch cạnh tranh trong một thị trường phí duy nhất thay vì các thị trường phân mảnh trên các shard, tạo ra quá trình khám phá giá tốt hơn
• Giao dịch Chứa Blob: Danksharding giới thiệu một loại giao dịch mới được thiết kế đặc biệt để chứa dữ liệu blob—lưu trữ tạm thời, rẻ hơn cho dữ liệu Layer 2 rollup mà không cần lưu trữ vĩnh viễn

Vẻ đẹp kiến trúc của danksharding khiến nó trở thành nền tảng trong chiến lược khả năng mở rộng hiện tại của Ethereum. Thay vì gắn sharding vào các hệ thống hiện có, danksharding xây dựng lại nền tảng phù hợp riêng cho mục đích này.

Proto-Danksharding: Công nghệ cầu nối

Trước khi có danksharding hoàn chỉnh, Ethereum đang triển khai proto-danksharding—gần như một phiên bản thử nghiệm cung cấp ngay lập tức sự giảm tải mà không cần phải thay đổi toàn bộ kiến trúc.

Proto-danksharding, được giới thiệu qua EIP-4844 trong nâng cấp Ethereum Cancun, cho phép rollup bao gồm dữ liệu blob trong khối với chi phí giảm đáng kể. So sánh với việc triển khai đầy đủ:

Khả năng Proto-Danksharding:

• Giảm chi phí dữ liệu cho Layer 2 rollup từ 100-1000 lần so với giá calldata hiện tại
• Dự kiến cho phép 100-10.000 giao dịch mỗi giây trên hệ thống rollup
• Cung cấp lưu trữ tạm thời cho dữ liệu (blob không tồn tại vĩnh viễn)
• Có thể triển khai mà không cần cấu trúc lại lớn của giao thức

Mục tiêu của Danksharding đầy đủ:

• Đạt hơn 100.000 giao dịch mỗi giây trên toàn bộ hệ sinh thái Ethereum
• Cung cấp không gian shard riêng cho dữ liệu Layer 2
• Yêu cầu nhiều nâng cấp giao thức ngoài EIP-4844
• Giới thiệu xử lý dữ liệu song song thực sự trên 64 shard

Proto-danksharding đóng vai trò như một bước đệm quan trọng, mang lại cải thiện khả năng mở rộng trong ngắn hạn trong khi kiến trúc đầy đủ đang được phát triển và thử nghiệm.

Kiến trúc kỹ thuật: 64 shard trong Ethereum 2.0

Trong triển khai của Ethereum 2.0, mạng sẽ chia thành chính xác 64 shard, mỗi shard hoạt động như một chuỗi độc lập có khả năng xử lý giao dịch và hợp đồng thông minh. Các shard này không hoạt động độc lập hoàn toàn—chúng duy trì liên lạc liên tục với Beacon Chain, lớp điều phối dựa trên Proof of Stake của Ethereum.

Beacon Chain điều phối các validator trên tất cả các shard, phân bổ ngẫu nhiên họ vào các ủy ban shard để xác thực, và đảm bảo tất cả các shard tuân theo cùng các quy tắc đồng thuận. Validator đặt ETH để tham gia và nhận phần thưởng cho hành vi trung thực. Kiến trúc lai này kết hợp hiệu quả xử lý song song của sharding với các đảm bảo an toàn của đồng thuận phối hợp.

Mỗi shard duy trì trạng thái và lịch sử giao dịch riêng. Giao tiếp liên shard có thể phức tạp—các giao dịch ảnh hưởng dữ liệu trên nhiều shard cần xử lý đặc biệt. Tuy nhiên, các nhà phát triển Ethereum đã thiết kế hệ thống sao cho hầu hết các ứng dụng người dùng có thể hoạt động hoàn toàn trong một shard, giảm thiểu nhu cầu giao tiếp liên shard.

Ảnh hưởng về hiệu suất: Từ lý thuyết đến số liệu

Lợi ích về hiệu suất từ danksharding là rõ ràng:

Thông lượng Giao dịch:

• Ethereum hiện tại: khoảng 15 giao dịch mỗi giây
• Giai đoạn proto-danksharding: 100-10.000 giao dịch mỗi giây (chủ yếu lợi ích cho Layer 2 rollups)
• Danksharding đầy đủ: tiềm năng hơn 100.000 giao dịch mỗi giây

Yêu cầu phần cứng:

• Hiện tại: chạy nút yêu cầu tải xuống và xác minh khoảng 1 TB dữ liệu
• Với sharding: nút có thể đồng bộ chỉ với 1/64 dữ liệu shard (~15-20 GB), dễ tiếp cận hơn nhiều

Thời gian xác nhận và độ trễ:

• Các khối shard xác nhận độc lập, cho phép ứng dụng xác nhận giao dịch nhanh hơn
• Giao dịch liên shard vẫn cần thêm bước phối hợp

Các cân nhắc về bảo mật: Giữ vững phòng thủ của Ethereum

Việc giới thiệu sharding không loại bỏ các mối lo về bảo mật—nó chuyển đổi chúng. Các rủi ro chính bao gồm:

Tấn công 51%: Các chuỗi khối truyền thống lo ngại về việc kẻ tấn công kiểm soát 51% sức mạnh băm. Với sharding, một tỷ lệ nhỏ validator có thể tấn công một shard nếu shard đó không được bảo vệ đúng cách. Ethereum giải quyết điều này qua việc phân bổ ngẫu nhiên validator và sử dụng các mẫu mã hóa—ủy ban được phân bổ ngẫu nhiên vào các shard bằng cách sử dụng tính ngẫu nhiên khó dự đoán trước.

Lỗi do phức tạp gây ra: Hệ thống phức tạp hơn có thể tạo ra nhiều điểm lỗi hơn. Ethereum tiếp cận bằng cách thiết kế cẩn thận, thử nghiệm kỹ lưỡng và triển khai dần dần thay vì vội vàng.

Độ trễ liên shard: Giao dịch cần dữ liệu từ nhiều shard sẽ gặp trễ trong truyền thông. Giao thức hạn chế các loại giao dịch này bằng cách thiết kế, giữ phần lớn hoạt động của người dùng trong một shard duy nhất.

Thiết kế này duy trì các đảm bảo an toàn của Ethereum trong khi phân phối công việc xác thực qua các shard song song.

Hợp đồng thông minh và Trải nghiệm nhà phát triển

Danksharding ảnh hưởng thế nào đến hợp đồng thông minh? Trong lý thuyết, một hợp đồng có thể gọi một hợp đồng khác trên shard khác, nhưng trong thực tế, điều này sẽ chậm và tốn kém. Các nhà phát triển có thể thiết kế hợp đồng để giữ trong trạng thái của một shard khi có thể.

Đối với hầu hết các ứng dụng—như DEX, các giao thức cho vay, thị trường NFT—tất cả trạng thái có thể nằm trong một shard duy nhất. Các kịch bản liên shard sẽ chủ yếu xảy ra tại các ranh giới kiến trúc, được xử lý bởi các hợp đồng cầu nối hoặc giải pháp Layer 2.

Các nhà phát triển Ethereum đang tích cực xây dựng công cụ để làm cho điều này minh bạch với nhà phát triển ứng dụng, giúp độ phức tạp của danksharding ẩn trong lớp giao thức thay vì ảnh hưởng đến trải nghiệm nhà phát triển.

Lộ trình Ethereum 2.0: Danksharding nằm ở đâu

Lộ trình nâng cấp của Ethereum đã phát triển theo thời gian. The Merge (tháng 9 năm 2022) chuyển đổi đồng thuận sang Proof of Stake. Các nâng cấp sau như Shanghai tối ưu hóa staking. Nâng cấp Cancun giới thiệu proto-danksharding qua EIP-4844.

Danksharding đầy đủ là cột mốc lớn tiếp theo—hoàn thiện tầm nhìn ban đầu của Ethereum 2.0 về kết hợp đồng thuận Proof of Stake với xử lý dữ liệu sharded. Sau danksharding, các nâng cấp tương lai có thể tập trung vào:

• Cây Verkle để giảm kích thước trạng thái
• Statelessness để đơn giản hóa việc triển khai client
• Mật mã nâng cao để tối ưu hóa hơn nữa

Lộ trình này phản ánh cách tiếp cận thực dụng: cung cấp các cải tiến từng bước (proto-danksharding) trong khi phát triển giải pháp đầy đủ.

Tại sao Proof of Stake là điều kiện cần cho sharding

Một điều kiện tiên quyết quan trọng cho danksharding là đồng thuận Proof of Stake. Trong các hệ thống Proof of Work như Bitcoin, thợ mỏ cạnh tranh đề xuất khối qua công việc tính toán. Điều này khiến việc phối hợp các scheme sharding phức tạp rất khó khăn.

Với Proof of Stake, validator được chọn qua lựa chọn mã hóa thay vì cạnh tranh tính toán. Điều này cho phép:

• Phân bổ validator dự đoán được: Giao thức có thể xác định rõ ràng validator nào sẽ thuộc shard nào
• Cơ chế phạt: Validator có thể bị (slashed) vì hành vi sai trái, tạo động lực mạnh để trung thực
• Tiết kiệm năng lượng: PoS tiêu thụ ít năng lượng hơn PoW, cho phép nhiều người tham gia hơn

Chuyển sang PoS là điều kiện tiên quyết, không phải vấn đề riêng biệt. Danksharding luôn dự định hoạt động dựa trên nền tảng PoS của Ethereum.

Phân quyền mạng: Lợi ích bất ngờ của sharding

Một mối lo phổ biến về sharding là liệu nó có làm giảm tính phân quyền không. Ngược lại: bằng cách giảm yêu cầu phần cứng của mỗi nút, sharding thực sự nâng cao tính phân quyền.

Với sharding đầy đủ, một nút chỉ cần lưu trữ và xác minh 1/64 dữ liệu chuỗi khối. Điều này có nghĩa là:

• Máy tính để bàn có thể chạy nút xác thực đầy đủ (thay vì cần phần cứng chuyên dụng)
• Rào cản tham gia toàn cầu giảm xuống (đặc biệt phù hợp với các khu vực có băng thông hạn chế)
• Bộ validator có thể duy trì lớn và phân bổ địa lý rộng khắp

Ethereum đã thiết kế sharding rõ ràng để duy trì hoặc nâng cao tính phân quyền khi mở rộng.

Tích hợp Layer 2: Người hưởng lợi ngay lập tức

Trong khi tầm nhìn đầy đủ của danksharding hướng tới Ethereum trực tiếp, người hưởng lợi ngay lập tức của proto-danksharding chính là các hệ thống rollup Layer 2 như Arbitrum, Optimism, và Polygon.

Layer 2 hiện tại gặp một điểm nghẽn: đăng tải dữ liệu giao dịch lên Ethereum để đảm bảo an toàn. Proto-danksharding giảm mạnh chi phí này thông qua dữ liệu blob, giảm giá từ vài đô la xuống còn phần trăm cent mỗi giao dịch. Điều này trực tiếp giảm phí cho người dùng cuối.

Danksharding đầy đủ sẽ tối ưu hơn nữa, cuối cùng cho phép Layer 2 đăng tải dữ liệu vào không gian shard riêng được thiết kế đặc biệt cho mục đích này thay vì cạnh tranh không gian khối với các giao dịch khác.

Thời gian và trạng thái phát triển

Hiện tại:

• Proto-danksharding (EIP-4844): đã được triển khai trong nâng cấp Ethereum Cancun
• Danksharding đầy đủ: vẫn đang phát triển tích cực, các chi tiết triển khai đang hoàn thiện
• Thời gian dự kiến: còn nhiều năm nữa, dự kiến bắt đầu thử nghiệm trong năm 2024-2025

Việc ra mắt chính xác phụ thuộc vào tiến trình phát triển và khả năng thử nghiệm kỹ lưỡng. Ethereum ưu tiên độ chính xác hơn tốc độ—tốt hơn là triển khai chậm rãi để tránh hệ thống lỗi.

Kết luận: Giải quyết vấn đề mở rộng của Ethereum

Danksharding đại diện cho một cách tư duy mới về khả năng mở rộng của blockchain. Thay vì cố gắng xử lý nhiều giao dịch hơn qua điểm nghẽn hiện tại, nó phân phối các giao dịch qua các đường xử lý song song trong khi vẫn duy trì các đảm bảo an toàn thống nhất.

Hành trình từ Ethereum đơn chuỗi hiện tại đến hệ thống sharded hoàn chỉnh trải dài từ proto-danksharding (đang sống) đến đầy đủ (tương lai). Phương pháp này cho phép Ethereum cung cấp các cải tiến từng bước trong khi phát triển giải pháp toàn diện.

Đối với người dùng, danksharding mang lại phí thấp hơn và giao dịch nhanh hơn. Đối với nhà phát triển, nó mở ra khả năng cho các ứng dụng trước đây không khả thi về mặt kinh tế. Đối với ngành blockchain, nó thể hiện một lộ trình thực tế để đạt được khả năng mở rộng ý nghĩa mà không hy sinh bảo mật hay phân quyền.

Việc giới thiệu danksharding trong Ethereum 2.0 thể hiện cam kết của mạng lưới trong việc giải quyết các vấn đề thực tế trong khi giữ vững các giá trị cốt lõi. Đây là một thành tựu kỹ thuật định hình lại khả năng của các ứng dụng blockchain.