Báo cáo nghiên cứu độ sâu vạn chữ: Phân tích toàn diện mở rộng off-chain

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

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Tương lai của blockchain là một tầm nhìn vĩ đại: phi tập trung, tính an toàn và khả năng mở rộng; nhưng thường thì blockchain chỉ có thể đạt được hai trong số này, và việc thỏa mãn cả ba yêu cầu này được gọi là vấn đề tam giác không thể của blockchain. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách giải quyết vấn đề này, làm thế nào để cải thiện thông lượng và tốc độ giao dịch của blockchain trong khi đảm bảo tính phi tập trung và an toàn, tức là giải quyết vấn đề mở rộng, là một trong những chủ đề nóng được thảo luận trong quá trình phát triển hiện tại của blockchain.

Hãy định nghĩa một cách tổng quát về tính phi tập trung, an toàn 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, từ đó đảm bảo mạng không bị kiểm soát bởi một nhóm nhỏ các bên tham gia tập trung lớn.
• An toàn: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao thì độ an toàn càng cao, do đó chuỗi có thể chống lại tỷ lệ lớn các bên tham gia tấn công nó.
• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain trong việc xử lý một lượng lớn giao dịch.

Fork lớn đầu tiên của mạng Bitcoin xuất phát từ vấn đề mở rộng. Khi số lượng người dùng và khối lượng giao dịch của Bitcoin tăng lên, mạng Bitcoin với giới hạn mỗi khối là 1MB bắt đầu gặp phải vấn đề tắc nghẽn; từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có những bất đồng về vấn đề mở rộng, một bên là phái ủng hộ mở rộng khối đại diện bởi Bitcoin ABC, bên còn lại là phái khối nhỏ đại diện bởi Bitcoin Core, cho rằng nên sử dụng giải pháp Segwit để tối ưu cấu trúc chuỗi chính. Vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, Bitcoin ABC đã phát triển hệ thống khách hàng 8MB của riêng mình và bắt đầu hoạt động, dẫn đến sự xuất hiện của fork lớn đầu tiên trong lịch sử Bitcoin, đồng thời cũng từ đó đã ra đời loại tiền mới BCH.

Tương tự, mạng Ethereum cũng chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo an ninh và tính phi tập trung của mạng; mặc dù mạng Ethereum không giống như mạng Bitcoin giới hạn khối lượng giao dịch bằng cách giới hạn kích thước khối, mà thay vào đó biến tướng thành việc đặt giới hạn cho phí nhiên liệu có thể chứa trong một khối duy nhất, nhưng mục đích vẫn là để đạt được Trustless Consensus và đảm bảo sự phân bố rộng rãi của các nút ( bất kể việc hủy bỏ hay tăng giới hạn đều sẽ loại bỏ nhiều nút nhỏ có băng thông, bộ nhớ và khả năng tính toán không đủ ).

Từ CryptoKitties năm 2017, mùa DeFi, cho đến sự trỗi dậy sau này của GameFi và NFT, nhu cầu về thông lượng trên thị trường ngày càng tăng, nhưng ngay cả Ethereum, một hệ thống hoàn chỉnh, cũng chỉ có thể xử lý 15~45 giao dịch mỗi giây (TPS), điều này dẫn đến chi phí giao dịch ngày càng tăng, thời gian thanh toán kéo dài, hầu hết các Dapps khó có thể chịu đựng chi phí vận hành, toàn bộ mạng cũng trở nên chậm chạp và đắt đỏ đối với người dùng, vấn đề mở rộng blockchain cần phải được giải quyết gấp. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: không hy sinh tính phi tập trung và độ an toàn, mà còn có thể tăng tốc độ giao dịch của mạng blockchain (thời gian hoàn tất ngắn hơn) và thông lượng giao dịch (TPS cao hơn).

2. Các loại kế hoạch mở rộng

Chúng tôi dựa vào "Có thay đổi một lớp mạng chính hay không" làm tiêu chuẩn, chia các phương án mở rộng 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 chuỗi có nhiều phương án, bài viết này không đi vào chi tiết, dưới đây là hai phương án được liệt kê ngắn gọn:

• 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 nâng cao yêu cầu đối với thiết bị nút hiệu suất cao, tăng ngưỡng gia nhập của nút, giảm mức độ "phi tập trung".
• Giải pháp thứ hai là phân mảnh, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, không còn là mỗi nút tham gia vào tất cả các ghi chép, mà là các phân mảnh khác nhau, tức là các nút khác nhau chịu trách nhiệm cho các ghi chép khác nhau, tính toán song song có thể xử lý nhiều giao dịch cùng lúc; điều này có thể giảm áp lực tính toán cho các nút và rào cản gia nhập, tăng 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 nào nhỏ nhất ở lớp nền cũng sẽ nghiêm trọng đe dọa đến sự an toàn của toàn bộ mạng, mạng có thể buộc phải phân tách hoặc ngừng nâng cấp sửa chữa. Ví dụ, sự cố lạm phát của Zcash vào năm 2018: Mã của Zcash được sửa đổi dựa trên mã phiên bản Bitcoin 0.11.2, vào năm 2018, một kỹ sư phát hiện ra rằng mã nền của nó có lỗ hổng nghiêm trọng, nghĩa là token có thể được phát hành không giới hạn, ngay lập tức nhóm đã mất 8 tháng để sửa chữa bí mật, sự cố này chỉ được công khai sau khi lỗ hổng được khắc phục.

2.2 off-chain mở rộng

Khái niệm cốt lõi: Giải pháp mở rộng không thay đổi giao thức mạng chính lớp 1 hiện tại.

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

3. Giải pháp mở rộng off-chain

Kênh trạng thái 3.1

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, và các tương tác giữa người dùng với người dùng được thực hiện off-chain, nhằm giảm thiểu 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", ví dụ, trò chơi cờ vua giữa hai người. Mỗi kênh được quản lý bởi một hợp đồng thông minh đa chữ ký chạy trên mạng chính, hợp đồng này kiểm soát tài sản được gửi vào kênh, xác minh cập nhật trạng thái và trọng tài tranh chấp giữa các bên tham gia ( dựa trên bằng chứng gian lận có chữ ký và dấu thời gian ). Sau khi các bên tham gia triển khai hợp đồng trên mạng blockchain, họ gửi một khoản tiền và khóa lại, sau khi cả hai bên ký xác nhận, kênh chính thức được mở. Kênh cho phép các giao dịch miễn phí không giới hạn số lần giữa các bên tham gia ( miễn là giá trị chuyển nhượng ròng của họ không vượt quá tổng số token đã gửi vào ). Các bên tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái cho nhau, chờ xác nhận chữ ký từ bên kia. Khi bên kia xác nhận chữ ký, cập nhật trạng thái này được coi là hoàn thành. Trong điều kiện bình thường, các cập nhật trạng thái mà cả hai bên đồng ý sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ khi có tranh chấp hoặc khi đóng kênh thì mới phụ thuộc vào mạng chính để xác nhận. Khi cần đóng kênh, bất kỳ bên tham gia nào cũng có thể đưa ra yêu cầu giao dịch trên mạng chính, nếu yêu cầu thoát được tất cả các bên ký phê duyệt thì sẽ được thực hiện ngay lập tức trên chuỗi, tức là hợp đồng thông minh sẽ phân phối số tiền đã khóa còn lại dựa trên số dư của mỗi bên tham gia trong trạng thái cuối cùng của kênh; nếu các bên tham gia khác không ký phê duyệt, thì tất cả mọi người sẽ phải chờ đến khi kết thúc "thời gian thách thức" mới nhận được số tiền còn lại.

Tóm lại, giải pháp kênh trạng thái có thể giảm đáng kể khối lượng tính toán trên mạng chính, nâng cao tốc độ giao dịch và giảm chi phí giao dịch.

3.1.2 Dòng thời gian

• 2015/02, Joseph Poon và Thaddeus Dryja đã phát hành dự thảo whitepaper về mạng lưới Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman lần đầu tiên hệ thống hóa khái niệm State Channel, đưa ra 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" đề xuất giải pháp mở rộng cho mạng lưới Bitcoin, Payment Channel( kênh thanh toán), giải pháp này chỉ được sử dụng để xử lý các giao dịch thanh toán trên mạng lưới Bitcoin.
• Tháng 11 năm 2017, tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến 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 đưa ra khái niệm về State Channel Networks và Virtual Channels.
• 2019/02, khái niệm trạng thái kênh được mở rộng đến Kênh N-Party, 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 tất cả người tham gia cần phải trực tuyến liên tục.
• 2020/03, Hydra đề xuất Kênh Isomorphic Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Quy trình làm việc chung của kênh trạng thái:

1. Alice và Bob thông qua việc gửi tiền từ EOA cá nhân vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi, số tiền này được khóa trong hợp đồng cho đến khi kênh đóng, sau đó số dư sẽ được trả lại cho người dùng; sau khi hai bên ký xác nhận, kênh trạng thái giữa hai người chính thức được mở.

2. Alice và Bob có thể thực hiện các giao dịch không giới hạn số lần ở độ sâu off-chain thông qua kênh này, các bên tham gia giao tiếp với nhau thông qua các thông điệp chữ ký mã hóa ( thay vì giao tiếp với mạng blockchain ). Cả hai người dùng đều cần ký từng giao dịch để ngăn chặn các hành vi gian lận như double-spending. Thông qua các thông điệp này, họ đề xuất cập nhật trạng thái tài khoản của mình và chấp nhận cập nhật trạng thái do bên kia đề xuất.

3. Nếu Alice muốn đóng kênh kết thúc giao dịch giữa Alice và Bob, Alice cần gửi trạng thái cuối cùng của tài khoản mình cho hợp đồng, nếu Bob ký duyệt, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền đã khóa theo trạng thái cuối cùng và trả lại cho người dùng tương ứng. Nếu Bob không phản hồi ký, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền đã khóa và trả lại cho người dùng tương ứng sau khi thời gian thách thức kết thúc.

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận ngay lập tức
• Chi phí thấp
• Tính riêng tư cao
• Không cần tin tưởng bên thứ ba

Nhược điểm:

• Cần phải trực tuyến nhiều lần
• Không thể xử lý rút tiền quy mô lớn
• Cần khóa trước vốn
• Không áp dụng cho ứng dụng phức tạp

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin

Tổng quan: Mạng lưới Lightning là kênh thanh toán nhỏ trong mạng Bitcoin, sự phát triển công nghệ tổng thể của nó trải qua: 2/2 ký tên xây dựng kênh thanh toán một chiều, sau khi tăng cường RSMC (Revocable Sequence Maturity Contract) có thể xây dựng kênh thanh toán hai chiều, sau đó tăng cường HTLC (Hash Time Lock Contract) có thể kết nối kênh thanh toán mở rộng ra nhiều người thanh toán, cuối cùng xây dựng mạng thanh toán tức là mạng lưới Lightning. Thông qua kênh thanh toán nhỏ off-chain, sau đó nhờ vào trung gian tạo thành mạng giao dịch, có thể giải quyết vấn đề mở rộng mạng Bitcoin. Sử dụng tổng thể của mạng lưới Lightning tuân theo quy trình "Gửi tiền ( thiết lập kênh )→ Giao dịch mạng lưới Lightning ( cập nhật trạng thái kênh )→ Hoàn tiền / Thanh toán ( kết thúc kênh )"; lý thuyết mạng lưới Lightning có thể xử lý một triệu giao dịch mỗi giây.

Thời gian:

• Tháng 2 năm 2015, phát hành bản nháp whitepaper
• Tháng 1 năm 2016, phát hành bản chính thức của sách trắng và thành lập Lightning Labs
• Tháng 3 năm 2018, phát hành phiên bản mainnet đầu tiên
• Năm 2021, nhiều sàn giao dịch hỗ trợ, El Salvador áp dụng
• Năm 2022, phát triển thêm hệ sinh thái

Phát triển sinh thái:

• Nền tảng: Mạng BTC
• Cơ sở hạ tầng cốt lõi: Giải pháp mạng ánh sáng, nút và dịch vụ thanh khoản
• Ứng dụng lớp trên: thanh toán, dịch vụ tài chính và các loại ứng dụng khác

Mạng sét Ethereum

Tổng quan: Mạng sét là kênh thanh toán nhỏ dựa trên Ethereum, tương tự như mạng chớp, với mục đích đạt được thanh toán token ERC20 gần như ngay lập tức, phí thấp và khả năng mở rộng.

Thời gian:

• Thành lập năm 2017
• ICO tháng 10 năm 2017
• Ra mắt mạng chính vào tháng 5 năm 2020
• Cuối năm 2021, nhiều sàn giao dịch đã gỡ bỏ token.

Hiện tại chưa được áp dụng rộng rãi, lý do bao gồm:

1. Sử dụng ngưỡng cao
2. xuất hiện sớm hơn