Phân tích độ sâu mở rộng off-chain

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Tầm nhìn tương lai của blockchain là đạt được tính phi tập trung, an toàn và khả năng mở rộng. Nhưng thường chỉ có thể đáp ứng hai trong số ba yếu tố này, điều này được gọi là vấn đề tam giác không thể của blockchain. Một trong những chủ đề nóng hiện nay trong phát triển blockchain là làm thế nào để cải thiện khả năng thông qua và tốc độ giao dịch của blockchain trong khi vẫn đảm bảo tính phi tập trung và an toàn, tức là giải quyết vấn đề mở rộng.

Định nghĩa về sự phi tập trung, an ninh và khả năng mở rộng của blockchain:

• Phi tập trung: Bất kỳ ai cũng có thể trở thành nút tham gia vào việc sản xuất và xác minh hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều thì mức độ phi tập trung càng cao.

• An toàn: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, độ an toàn càng cao, chuỗi có thể chống lại một tỷ lệ lớn hơn các cuộc tấn công từ những người tham gia.

• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain để xử lý một lượng lớn giao dịch.

Sự phân tách cứng lớn đầu tiên của mạng Bitcoin xuất phát từ vấn đề mở rộng. Khi số lượng người dùng và khối lượng giao dịch ngày càng tăng, giới hạn dung lượng khối 1MB đã dẫn đến tắc nghẽn mạng. Bắt đầu từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có sự khác biệt về vấn đề mở rộng, cuối cùng dẫn đến việc phân tách cứng lớn đầu tiên của Bitcoin vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, tạo ra BCH.

Mạng Ethereum cũng chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo tính bảo mật và phi tập trung. Từ CryptoKitties năm 2017, đến mùa hè DeFi và sau này là GameFi, NFT, nhu cầu về thông lượng trên thị trường không ngừng 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. Giải pháp mở rộng lý tưởng là nâng cao tốc độ giao dịch và thông lượng mà không hy sinh tính phi tập trung và bảo mật.

2. Các loại kế hoạch mở rộng

Theo "có thay đổi một lớp mạng chính hay không", kế hoạch mở rộng có thể được chia thành hai loại lớn: mở rộng trên chuỗi và mở rộng off-chain.

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 đoạn.

Mở rộng trên chuỗi chủ yếu có hai phương án:

1. Mở rộng không gian khối, tăng số lượng giao dịch được đóng gói trong mỗi khối, nhưng sẽ tăng yêu cầu thiết bị của nút, giảm mức độ phi tập trung.

2. Phân mảnh, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, do các nút khác nhau chịu trách nhiệm ghi chép khác nhau, có thể giảm bớt áp lực tính toán của các nút và ngưỡng gia nhập, nhưng sẽ làm giảm tính an toàn của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi một lớp giao thức chính mạng có thể gây ra những tác động tiêu cực khó lường, những lỗ hổng bảo mật nhỏ ở tầng dưới có thể đe dọa nghiêm trọng đến an ninh toàn mạng.

2.2 off-chain mở rộng

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

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

Layer2:

• Kênh trạng thái
• Sidechain
• Plasma
• Rollups( tối ưu hóa Rollup và Zero-Knowledge Rollup)

Khác:

• 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 mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp kênh, và các tương tác giữa người dùng được thực hiện off-chain để giảm thời gian và chi phí giao dịch, 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", 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 các cập nhật trạng thái và phân xử tranh chấp giữa các bên tham gia. Sau khi các bên tham gia triển khai hợp đồng trên mạng blockchain, họ sẽ gửi tiền và khóa lại, sau khi cả hai bên ký xác nhận, kênh chính thức được mở. Kênh cho phép các bên tham gia thực hiện các giao dịch off-chain miễn phí không giới hạn số lần ( miễn là giá trị chuyển khoản ròng không vượt quá tổng số token đã gửi ). Các bên tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái và chờ xác nhận chữ ký từ bên kia. Trong điều kiện bình thường, các cập nhật trạng thái được cả hai bên đồng ý sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ khi có tranh chấp hoặc đóng kênh thì mới phụ thuộc vào xác nhận từ mạng chính. Khi đóng kênh, bất kỳ bên tham gia nào cũng có thể gửi yêu cầu giao dịch trên mạng chính, nếu được tất cả các bên ký chấp thuận thì sẽ được thực hiện ngay lập tức, nếu không sẽ phải chờ đến khi "thời gian thách thức" kết thúc để nhận lại số tiền còn lại.

Kênh trạng thái có thể giảm đáng kể khối lượng tính toán của 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 phát hành bản nháp whitepaper về mạng lưới ánh sáng.

• 2015/11: Jeff Coleman lần đầu tiên tổng hợp hệ thống khái niệm State Channel, đề xuất Bitcoin Payment Channel là một trường hợp con của State Channel.

• 2016/01: Joseph Poon và Thaddeus Dryja chính thức công bố whitepaper về mạng lưới Lightning của Bitcoin, đề xuất giải pháp mở rộng Payment Channel.

• 2017/11: Đưa ra quy chuẩn thiết kế State Channel đầu tiên dựa trên khuôn khổ Payment Channel, Sprites.

• 2018/06: Counterfactual đưa ra thiết kế Kênh Trạng thái Tổng quát chi tiết.

• 2018/10: Đưa ra khái niệm Mạng Kênh Nhà nước và Kênh Ảo.

• 2019/02: Khái niệm kênh trạng thái được mở rộng thành 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 người tham gia trực tuyến liên tục.

• 2020/03: Hydra đưa ra Kênh Đẳng cấu Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Quy trình làm việc của kênh trạng thái:

1. Alice và Bob mở kênh trạng thái bằng cách gửi tiền từ EOA vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi.

2. Alice và Bob có thể thực hiện giao dịch không giới hạn số lần trên off-chain, thông qua việc ký tên tin nhắn mã hóa để giao tiếp với nhau. Cả hai bên đều cần ký tên cho mỗi giao dịch để ngăn chặn hành vi gian lận double spending.

3. Nếu Alice muốn đóng kênh, cô ấy cần gửi trạng thái cuối cùng đến hợp đồng. Nếu Bob ký tên phê duyệt, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền đã khóa dựa trên trạng thái cuối cùng. Nếu Bob không phản hồi, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền sau khi thời gian tranh chấp kết thúc.

Trong trường hợp bi quan, nếu Bob không phản hồi chữ ký cập nhật trạng thái của Alice trong một vòng, Alice có thể gửi trạng thái hợp lệ cuối cùng để thách thức hợp đồng. Hợp đồng cho phép Bob phản hồi bằng cách gửi trạng thái tiếp theo trong một khoảng thời gian. Nếu Bob phản hồi, hai bên có thể tiếp tục giao dịch; nếu không phản hồi, hợp đồng sẽ tự động đóng kênh và trả lại tiền cho Alice.

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận ngay lập tức
• Tốc độ xử lý cao
• Phí giao dịch thấp
• Tính riêng tư tốt

Nhược điểm:

• Khả năng sử dụng kém
• Hiệu quả vốn thấp
• Khó xử lý giao dịch lớn
• Không áp dụng hợp đồng thông minh phức tạp

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin:

• Bản nháp white paper được phát hành vào tháng 2 năm 2015
• Phiên bản chính thức của sách trắng được phát hành vào tháng 1 năm 2016, Lightning Labs được thành lập
• Phiên bản mạng chính đầu tiên LND 0.4 được phát hành vào tháng 3 năm 2018
• Vào tháng 6 năm 2021, El Salvador đã chấp nhận Bitcoin là tiền tệ hợp pháp, vào tháng 9 phát hành ví Lightning Network Chivo.
• Năm 2022, nhiều sàn giao dịch hỗ trợ rút gửi tiền qua mạng lưới Lightning.
• Tháng 11 năm 2022, mạng Lightning có 76.236 kênh thanh toán, với 5049 BTC trong kênh.

Phát triển sinh thái:

• Cơ sở: Mạng BTC
• Cơ sở hạ tầng cốt lõi: Giải pháp mạng Lightning, dịch vụ nút và thanh khoản
• Ứng dụng cấp cao: Dịch vụ thanh toán và tài chính khác

Mạng sét Ethereum:

• Thành lập năm 2017, người sáng lập là nhà phát triển cốt lõi của Ethereum
• Vào tháng 10 năm 2017, ICO đã huy động hơn 30 triệu đô la Mỹ
• Tháng 5 năm 2020, Raiden Light Client đầu tiên được ra mắt
• Cuối năm 2021, nhiều sàn giao dịch đã hủy niêm yết token RDN

Nguyên nhân chưa được áp dụng rộng rãi:

• Ngưỡng sử dụng cao
• Xuất hiện công nghệ mở rộng tiên tiến hơn

Hiện tại, sự phát triển của hệ sinh thái diễn ra chậm chạp, đang được cải tạo thành giải pháp mở rộng hoạt động trên mạng Rollup L2 của Ethereum.

Mạng lưới Celer:

• Bản chất là tăng cường lớp khuyến khích của mạng lưới Lightning
• Xây dựng các DApps tương tác tần suất cao nhanh chóng và chi phí thấp thông qua công nghệ mở rộng off-chain và mô hình kinh tế khuyến khích
• Phù hợp với các nền tảng esports và các tình huống có tần suất tương tác cao
• Thành lập năm 2018, phát hành token vào tháng 3 năm 2019
• Mạng chính Ethereum ra mắt vào tháng 7 năm 2019
• Hiện tại đã chuyển đổi thành nền tảng tổng hợp mở rộng L2 hỗ trợ đa chuỗi

3.1.6 So sánh ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin:

• Cách thức kênh trạng thái trưởng thành nhất
• Ứng dụng rộng rãi, hệ sinh thái phong phú

Mạng Lightning Ethereum:

• Sự phát triển sinh thái bị đình trệ
• Chuyển đổi sang giải pháp L2 Rollup

Celer Network:

• Đã tăng cường thiết kế lớp khuyến khích
• Đã chuyển đổi thành nền tảng tổng hợp L2 đa chuỗi

3.2 Chuỗi bên

3.2.1 Tóm tắt

Khái niệm chuỗi phụ được đưa ra lần đầu tiên trong phòng trò chuyện của các nhà phát triển Bitcoin vào năm 2012, và bài báo liên quan đầu tiên được công bố vào năm 2014.

Chuỗi bên là hình thức chuỗi khối xuất hiện để tăng tốc giao dịch Bitcoin, có thể sử dụng hợp đồng phức tạp hơn hoặc cải thiện cơ chế đồng thuận. Kết quả giao dịch chuỗi bên cuối cùng sẽ được ghi lại ở phía người xác thực. Mô hình này gắn liền với chuỗi chính và hỗ trợ chuỗi chính giải quyết vấn đề.

3.2.2 Dòng thời gian

• 2012/01: Khái niệm sidechain của Bitcoin được đưa ra trong phòng chat
• 2014/10: Bài báo về sidechain Bitcoin được công bố
• 2017/04: Mạng thử nghiệm POA Network ra mắt
• 2017/10:Matic Network khởi động
• 2017/12: Mạng POA chính thức ra mắt
• 2018/01: Mạng thử nghiệm Skale được ra mắt
• 2018/10: Chuỗi xDai đưa vào vận hành thử nghiệm trên mạng
• 2020/06:Skale ra mắt mạng chính
• 2020/06: Matic PoS Chain chính thức ra mắt trên mạng chính
• 2021/02:Matic đổi tên thành Polygon
• 2021/02:Chuỗi phụ Ronin của Axie Infinity ra mắt
• 2021/12: xDai Chain và Gnosis Dao hợp nhất
• 2022/03: POA Network hợp nhất vào Gnosis Chain

3.2.3 Nguyên lý kỹ thuật

Sidechain chủ yếu có hai cách giao tiếp với chuỗi chính:

1. Neo hướng đôi ( Được neo đối xứng ): Các xác thực của chuỗi chính và chuỗi phụ ghi lại trạng thái hiện tại của nhau theo thời gian thực. Sử dụng công nghệ SPV hai chiều, khi token của chuỗi chính được gửi đến chuỗi phụ, sẽ tạo ra SPV-Locked Output, chỉ có các xác thực của chuỗi phụ mới có thể sử dụng chứng minh SPV để mở khóa.

Quy trình chính:

• Người dùng sẽ gửi tài sản đến địa chỉ đặc biệt SPV-Locked Output
• Gửi chứng minh SPV tới sidechain sau khi chờ đợi thời gian xác nhận.
• Chờ đợi thời gian thi đấu để tránh tấn công kép.
• Sau khi hoàn tất, người dùng có thể sử dụng tài sản được niêm phong mới được đúc trên chuỗi phụ.

2. Không đồng bộ neo ( Neo không đối xứng ): Các trình xác nhận chuỗi phụ theo dõi hoạt động của chuỗi chính theo thời gian thực. Khi chuỗi chính chuyển tiền sang chuỗi phụ, chuỗi phụ có thể chủ động ghi lại, nhưng khi chuỗi phụ chuyển tiền về chuỗi chính thì cần phải đưa vào cơ chế Certifiers. Certifiers ghi lại thông tin quan trọng và xác thực giao dịch được trả lại từ chuỗi phụ thông qua chữ ký tổng hợp.

Nói một cách đơn giản về cơ chế sidechain: Chuỗi phụ: Chuỗi chính khóa tài sản, chuỗi phụ tạo ra tài sản được đóng gói Mainchain: Sidechain hủy bỏ tài sản đóng gói, Mainchain mở khóa tài sản

An toàn tài sản trên chuỗi phụ phụ thuộc vào cơ chế đồng thuận của chuỗi phụ. Nếu tài sản được tạo ra trên chuỗi phụ không phù hợp với chuỗi chính, việc tiêu hủy những tài sản này để yêu cầu mở khóa từ chuỗi chính sẽ có rủi ro bị đánh cắp tài sản.

3.2.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Độ linh hoạt cao
• Giảm bớt gánh nặng cho chuỗi chính
• Có khả năng mở rộng mạnh
• Tính tương thích tốt

Nhược điểm:

• Độ sâu trung tâm thấp
• Độ an toàn tương đối thấp
• Cần tin tưởng vào các xác thực của sidechain
• Chuyển tiền liên chuỗi