Phân tích độ sâu mở rộng off-chain

1. Tính cần thiết của việc mở rộng

Tầm nhìn tương lai của blockchain là đạt được sự phi tập trung, an toàn và khả năng mở rộng. Nhưng thường chỉ có thể đáp ứng đồng thời hai trong số đó, điều này được gọi là vấn đề tam giác không thể. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách nâng cao 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.

Hãy để chúng ta định nghĩa về tính 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 hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều thì mức độ phi tập trung càng cao.

• An toàn: Chi phí để kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, thì độ an toàn càng cao, chuỗi có thể chống lại tỷ lệ tấn công lớn hơn.

• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain trong việc 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 gia tăng, mạng Bitcoin với giới hạn mỗi khối là 1MB bắt đầu đối mặt với vấn đề tắc nghẽn. Từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có sự bất đồng về vấn đề mở rộng, một bên ủng hộ việc tăng kích thước khối, bên còn lại ủng hộ việc sử dụng giải pháp SegWit để tối ưu cấu trúc chuỗi chính. Vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, bên ủng hộ việc tăng kích thước khối đã phát triển hệ thống khách hàng 8MB và chạy, dẫn đến sự phân tách cứng lớn đầu tiên của Bitcoin, đồng thời sinh ra đồng tiền mới BCH.

Mạng Ethereum cũng chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo tính bảo mật và phi tập trung của mạng. Mặc dù Ethereum không hạn chế kích thước khối như Bitcoin, nhưng bằng cách thiết lập giới hạn phí nhiên liệu cho một khối, mục đích là để đạt được sự đồng thuận không cần tin cậy và đảm bảo sự phân bố rộng rãi của các nút.

Từ CryptoKitties vào năm 2017, mùa hè DeFi, cho đến sự trỗi dậy của các ứng dụng trên chuỗi như GameFi và NFT, thị trường ngày càng tăng nhu cầu về thông lượng, nhưng Ethereum chỉ có thể xử lý 15-45 giao dịch mỗi giây. 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 hoạt động, toàn bộ mạng lưới trở nên chậm chạp và đắt đỏ, cần phải giải quyết vấn đề mở rộng quy mô. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: Cải thiện tốc độ giao dịch và thông lượng của mạng lưới blockchain càng nhiều càng tốt mà không hy sinh tính phi tập trung và an ninh.

2. Các loại kế hoạch mở rộng

Chúng tôi phân loại các giải pháp mở rộng thành hai loại chính: mở rộng trên chuỗi và mở rộng off-chain, dựa trên tiêu chuẩn "Có hay không thay đổi một lớp mạng chính".

2.1 Mở rộng chuỗi

Khái niệm cốt lõi: giải pháp đạt được hiệu ứng mở rộng thông qua việc thay đổi một lớp giao thức mạng chính, hiện tại giải pháp chính là phân mảnh.

Mở rộng chuỗi có nhiều phương án, bài viết này không trình bày chi tiết, chỉ nêu ra hai phương án:

• 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, tăng ngưỡng gia nhập nút, giảm mức độ phi tập trung.

• Phương án hai là phân mảnh, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, mỗi phần được các nút khác nhau chịu trách nhiệm 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 của nút và ngưỡng gia nhập, tăng tốc độ xử lý giao dịch và mức độ phi tập trung; nhưng có nghĩa là sức mạnh tính toán toàn mạng bị phân tán, sẽ làm giảm độ an toàn của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi mã của giao thức mạng chính ở một lớp có thể gây ra những tác động tiêu cực khó lường, vì bất kỳ lỗ hổng bảo mật nào nhỏ nhất ở tầng dưới cũng sẽ đe dọa nghiêm trọng đến tính an toàn của toàn bộ mạng, mạng có thể buộc phải thực hiện phân nhánh hoặc ngừng sửa chữa nâng cấp.

2.2 mở rộng off-chain

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 Nhà nước
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

Khác:

• Chuỗi bên
• 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 thực hiện các tương tác giữa người dùng ở độ sâu off-chain, nhằm giảm thiểu thời gian và chi phí giao dịch, cũng như 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 hai người. Mỗi kênh được quản lý bởi một hợp đồng thông minh đa ký chạy trên mạng chính, hợp đồng này kiểm soát tài sản được gửi vào kênh, xác thực các bản 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 gửi một khoản 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 miễn phí không giới hạn số lần off-chain, miễn là giá trị ròng chuyển nhượng của họ không vượt quá tổng số token đã gửi. Các bên tham gia lần lượt gửi bản cập nhật trạng thái cho nhau, chờ đợi sự xác nhận ký từ bên kia. Khi bên kia ký xác nhận, bản cập nhật trạng thái này được coi là hoàn thành. Trong trường hợp bình thường, các bản cập nhật trạng thái mà cả hai bên đồng ý sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ trong trường hợp xảy ra tranh chấp hoặc đóng kênh, 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 rút tiền được tất cả mọi người ký phê duyệt, thì sẽ được thực hiện ngay lập tức trên blockchain, tức là hợp đồng thông minh phân phối số tiền còn lại đã khóa theo số dư của mỗi bên tham gia trong trạng thái cuối cùng của kênh; nếu các bên tham gia khác không phê duyệt ký, thì tất cả mọi người phải chờ đến khi "thời gian thách thức" kết thúc mới có thể nhận được số tiền còn lại.

Tóm lại, giải pháp 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 đã phát hành bản nháp whitepaper của mạng lưới 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 sách trắng "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" đề xuất giải pháp mở rộng của mạng lưới Bitcoin là Payment Channel ) kênh thanh toán ###, giải pháp này chỉ được sử dụng để xử lý các khoản thanh toán chuyển khoản trên mạng lưới Bitcoin.

• Tháng 11 năm 2017, quy chuẩn thiết kế về State Channel đầu tiên dựa trên khung Payment Channel, Sprites, đã được đưa ra.

• 2018/06, Counterfactual đã đưa ra một thiết kế Kênh Trạng Thái Tổng Quát 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 đã đề xuất khái niệm State Channel Networks và Virtual Channels.

• 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 tất cả người tham gia cần phải trực tuyến liên tục.

• 2020/03, Hydra đã đưa ra 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 tài khoản cá nhân vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi, những khoản tiền này được khóa trong hợp đồng cho đến khi kênh được đóng, lúc 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 giao dịch không giới hạn số lần off-chain, các bên tham gia giao tiếp với nhau thông qua tin nhắn chữ ký mã hóa ) thay vì giao tiếp với mạng blockchain ###. Cả hai người dùng đều cần ký tên cho mỗi giao dịch để ngăn chặn hành vi chi tiêu gấp đôi. Thông qua những tin nhắn này, họ đề xuất các cập nhật trạng thái tài khoản của mình và chấp nhận các cập nhật trạng thái mà bên kia đề xuất.

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

(# 3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận giao dịch ngay lập tức
• Thông lượng cao
• Phí giao dịch thấp
• Bảo vệ quyền riêng tư

Nhược điểm:

• Cần khóa tiền
• Cần giám sát trực tuyến liên tục
• Rào cản hạ tầng cao
• Không thể thực hiện các thao tác phức tạp
• Cần phối hợp off-chain
• Không thể hỗ trợ hợp tác nhiều bên

)# 3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin

Tổng quan: Mạng lưới ánh sáng là kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin, quá trình phát triển công nghệ tổng thể của nó trải qua: xây dựng kênh thanh toán một chiều bằng cách ký 2/2, sau khi tăng cường RSMC có thể xây dựng kênh thanh toán hai chiều, sau đó tăng cường HTLC có thể kết nối kênh thanh toán mở rộng thành thanh toán nhiều người, cuối cùng xây dựng mạng thanh toán tức là mạng lưới ánh sáng. Thông qua kênh thanh toán nhỏ off-chain, sau đó nhờ vào trung gian cấu thành mạng giao dịch, có thể giải quyết vấn đề mở rộng của mạng Bitcoin. Việc sử dụng tổng thể của mạng lưới ánh sáng tuân theo quy trình "Gửi tiền ### thiết lập kênh ### → Giao dịch mạng lưới ánh sáng ( cập nhật trạng thái kênh ) → Hoàn tiền/Thanh toán ( kết thúc kênh )"; Về lý thuyết, mạng lưới ánh sáng có thể xử lý một triệu giao dịch mỗi giây.

Thời gian:

• Vào tháng 2 năm 2015, Joseph Poon và Thaddeus Dryja đã phát hành bản nháp của tài liệu trắng về mạng lưới Lightning.
• Xuất bản phiên bản chính thức của sách trắng vào tháng 1 năm 2016 và thành lập Lightning Labs;
• Ngày 15 tháng 3 năm 2018, Lightning Labs phát hành phiên bản chính thức đầu tiên của mạng Lightning, Lightning Network Daemon (LND) phiên bản 0.4.
• Đầu năm 2021, dung lượng công cộng của mạng lưới Lightning (TVL) chỉ khoảng 40 triệu USD, khoảng dưới 100.000 người dùng sử dụng mạng lưới Lightning.
• Tháng 6 năm 2021, El Salvador tuyên bố áp dụng Bitcoin làm tiền tệ hợp pháp, tháng 9 phát hành ví Chivo dựa trên mạng Lightning.
• Năm 2022, Cash App và 26 nền tảng giao dịch tiền điện tử bao gồm OKX, Kraken, Bitfinex đã công bố hỗ trợ mạng Lightning, cho phép thực hiện chức năng nạp, rút và chuyển BTC nhanh chóng và với chi phí thấp.
• Vào tháng 10 năm 2022, Lightning Labs đã phát hành giao thức mới dựa trên Taproot ------ Taro protocol( phiên bản alpha), hiện đang được thử nghiệm trên mạng thử nghiệm, trong tương lai sẽ có thể được sử dụng để đúc, gửi và nhận tài sản trên mạng Bitcoin, và thực hiện các giao dịch tức thì, lớn và có phí thấp thông qua mạng Lightning.
• Ngày 23 tháng 11 năm 2022, theo 1ml.com, Mạng lưới Lightning có tổng cộng 76.236 kênh thanh toán, số vốn kênh là 5049 $BTC($81.8M).

Phát triển sinh thái: Hệ sinh thái mạng lưới BTC Lightning từ dưới lên trên lần lượt là: mạng BTC cơ sở---cơ sở hạ tầng cốt lõi---các Dapps khác nhau.

Cơ sở hạ tầng cốt lõi bao gồm

• Giải pháp mạng Lightning: Các cá nhân và doanh nghiệp có thể chạy và kết nối với phần mềm mạng Lightning, trong đó chiếm thị phần lớn nhất là Lightning Labs của Lightning Labs.
• Nút và dịch vụ thanh khoản: Bởi vì người dùng tự vận hành nút của riêng mình tương đối phức tạp, cần cung cấp giao diện thân thiện hơn với người dùng để giúp quản lý các kênh thanh toán chớp nhoáng.

Trên cơ sở hạ tầng cốt lõi là các dịch vụ thanh toán và tài chính khác nhau cũng như các ứng dụng, ví dụ, Strike được xây dựng trên giải pháp LND cho phép người dùng mua bán BTC, sử dụng BTC để thưởng cho người sáng tạo trên Twitter và cho phép các thương nhân Shopify chấp nhận BTC.

Đến tháng 11 năm 2022, các Dapps dựa trên mạng lưới Bitcoin Lightning đã tăng lên hơn 20 loại và hơn 100 ứng dụng, các loại ứng dụng chủ yếu bao gồm thanh toán mạng lưới Bitcoin Lightning, ví, quản lý nút, tiện ích mở rộng trình duyệt, podcast và phát trực tuyến. Hiện tại, nền tảng công nghệ liên quan đến cơ sở hạ tầng nút đã cơ bản chín muồi, hỗ trợ ví đang gia tăng, dịch vụ tài chính và tích hợp thanh toán tiếp tục phát triển, nhiều ứng dụng giải trí hơn đang được xây dựng trên mạng lưới Lightning, hệ sinh thái mạng lưới Lightning đang phát triển mạnh mẽ.

(## Mạng điện Ethereum

Tổng quan: Sét