Phân tích độ sâu 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, an ninh và khả năng mở rộng; nhưng thường thì blockchain chỉ có thể đạt được hai trong số đó, việc đồng thời đáp ứng cả ba yêu cầu này được gọi là vấn đề tam giác bất khả thi của blockchain. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách giải quyết vấn đề này, làm thế nào để nâng cao khả năng thông lượng và tốc độ giao dịch của blockchain trong khi vẫn đảm bảo tính phi tập trung và an ninh, tức là giải quyết vấn đề mở rộng, là một trong những chủ đề nóng đang được thảo luận trong quá trình phát triển blockchain hiện nay.

Hãy để chúng ta 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 của 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 đối tác 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 một tỷ lệ lớn người tham gia tấn công nó.
• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain để xử lý một lượng lớn giao dịch.

Nút phân tách lớn đầu tiên của mạng Bitcoin bắt nguồn từ vấn đề mở rộng. Khi số lượng người dùng và khối lượng giao dịch của Bitcoin ngày càng tăng, mạng Bitcoin với giới hạn mỗi khối là 1MB bắt đầu đối mặt với vấn đề tắc nghẽn; bắt đầu từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có sự bất đồng về vấn đề mở rộng, một bên là nhóm ủng hộ mở rộng khối đại diện bởi Bitcoin ABC, bên còn lại là nhóm khối nhỏ đại diện bởi Bitcoin Core, cho rằng nên sử dụng phương án Segwit để tối ưu hóa cấu trúc chuỗi chính. Vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, Bitcoin ABC đã phát triển một hệ thống máy khách tự phát triển lên 8MB, dẫn đến sự xuất hiện của nút phân tách lớn đầu tiên trong lịch sử Bitcoin, đồng thời cũng từ đó đã ra đời đồng tiền mới BCH.

Tương tự, mạng Ethereum cũng chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo sự an toàn và phi tập trung của mạng; mặc dù mạng Ethereum không giới hạn khối lượng giao dịch bằng cách hạn chế kích thước khối như mạng Bitcoin, mà thay vào đó đã chuyển biến thành việc đặt giới hạn cho phí nhiên liệu có thể chứa trong một khối đơn, nhưng mục đích vẫn là để đạt được sự đồng thuận không đáng tin cậy (Trustless Consensus) và đảm bảo sự phân phối rộng rãi của các nút. Dù là hủy bỏ hay tăng giới hạn, điều này sẽ loại bỏ nhiều nút nhỏ có băng thông, lưu trữ và tính toán không đủ.

Từ CryptoKitties vào năm 2017, mùa hè DeFi, đến sự trỗi dậy của các ứng dụng trên chuỗi như GameFi và NFT, nhu cầu về độ sâu trong thị trường ngày càng tăng, nhưng ngay cả Ethereum với khả năng lập trình Turing cũng chỉ xử lý được 15~45 giao dịch mỗi giây (TPS), điều này dẫn đến việc 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 lưới trở nên chậm chạp và đắt đỏ đối với người dùng, vấn đề mở rộng chuỗi khối cần phải được giải quyết ngay lập tức. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: không hy sinh tính phi tập trung và an toàn, mà còn có thể nâng cao tốc độ giao dịch của mạng lưới chuỗi khối (thời gian hoàn tất ngắn hơn) và độ sâu giao dịch(TPS cao hơn).

2. Các loại phương án mở rộng

Chúng tôi phân loại các phương án mở rộng thành hai loại lớn: mở rộng trên chuỗi và mở rộng off-chain, dựa trên tiêu chuẩn "Liệu có thay đổi một lớp mạng chính hay không".

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, giải pháp chính hiện nay là phân mảnh.

Mở rộng trên chuỗi có nhiều phương án, bài viết này sẽ không trình bày 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, làm 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 tất cả các ghi chép, mà là các 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 của các nút và ngưỡng gia nhập, cải thiện 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 giao thức mạng chính có thể gây ra những tác động tiêu cực không thể lường trước, vì bất kỳ lỗ hổng bảo mật nhỏ nào trong lớp nền đều có thể đe dọa nghiêm trọng đến sự an toàn của toàn mạng, và mạng có thể bị buộc phải phân nhánh hoặc ngừng sửa chữa nâng cấp. Ví dụ, sự cố lạm phát của Zcash vào năm 2018: Mã nguồn của Zcash được sửa đổi từ mã nguồn phiên bản Bitcoin 0.11.2, vào năm 2018, một kỹ sư đã phát hiện ra lỗ hổng nghiêm trọng trong mã nền, tức là token có thể được phát hành vô hạn, ngay lập tức đội ngũ đã mất 8 tháng để sửa chữa bí mật, và chỉ công khai sự việc sau khi lỗ hổng đã được khắc phục.

2.2 off-chain mở rộng

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

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

3. Giải pháp mở rộng off-chain

( 3.1 Kênh trạng thái

3.1.1 Tóm tắt

Kênh trạng thái quy định rằng chỉ khi kênh được mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp, người dùng mới cần tương tác với mạng chính, và tương tác giữa người dùng với người dùng được thực hiện off-chain, nhằm giảm 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", chẳng hạn như trò chơi cờ vua 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 thực cập nhật trạng thái và phân xử tranh chấp giữa các bên tham gia ) dựa trên chứng minh gian lận có chữ ký và dấu thời gian ###. 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 giữa các bên tham gia 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 cập nhật trạng thái cho nhau, chờ xác nhận ký từ bên kia. Khi bên kia ký xác nhận, cập nhật trạng thái này được coi là hoàn thành. 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 khi đóng kênh, việc xác nhận từ mạng chính mới được dựa vào. 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 nhận được sự chấp thuận chữ ký đồng thuận của tất cả mọi người, thì sẽ được thực hiện ngay lập tức trên chuỗi, tức là hợp đồng thông minh sẽ phân phối số tiền còn lại đã bị khóa dựa trên số dư của mỗi bên tham gia trong trạng thái cuối cùng của kênh; nếu các bên tham gia khác không ký chấp thuận, thì tất cả mọi người sẽ 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 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 bản nháp whitepaper về mạng 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 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.
• 2017/11, Quy chuẩn thiết kế đầu tiên về State Channel dựa trên khung Payment Channel có tên là Sprites được đưa ra.
• 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 đã đưa ra khái niệm về State Channel Networks và Virtual Channels.
• 2019/02, khái niệm kênh trạng thái được mở rộng đến 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 đề xuất Kênh Isomorphic Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Quy trình làm việc của kênh trạng thái:

1. Alice và Bob thông qua việc nạp 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 lại mới trả lại số dư 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 trong off-chain thông qua kênh này, các bên tham gia giao tiếp với nhau thông qua các tin nhắn ký tên mã hóa ( thay vì giao tiếp với mạng blockchain ). Cả hai người dùng đều cần ký từng giao dịch để ngăn chặn hành vi gian lận double-spending. Thông qua những tin nhắn này, họ đề xuất cập nhật trạng thái tài khoản của mình và chấp nhận các 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 đến hợp đồng, nếu Bob ký phê duyệt, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền bị 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 bị khóa và trả lại cho người dùng tương ứng sau khi kết thúc thời gian thách thức.

Quy trình làm việc của kênh trạng thái trong các trường hợp bi quan: lúc đầu, hai người tham gia gửi tiền và sau đó bắt đầu trao đổi cập nhật trạng thái. Giả sử rằng tại một thời điểm nào đó, Bob không phản hồi chữ ký cập nhật trạng thái do Alice gửi trong vòng của mình, tại thời điểm này, Alice có thể thách thức bằng cách gửi trạng thái hợp lệ cuối cùng của mình cho hợp đồng, trong đó cũng bao gồm chữ ký trước đó của Bob, để chứng minh rằng giao dịch cuối cùng đã được Bob chấp thuận và trạng thái cuối cùng đã được Bob xác nhận. Hợp đồng sau đó cho phép Bob trả lời trong một khoảng thời gian bằng cách gửi trạng thái tiếp theo cho hợp đồng; Nếu Bob phản hồi, bộ đôi có thể tiếp tục giao dịch trong kênh của tiểu bang; Nếu Bob không phản hồi trong khoảng thời gian đó, hợp đồng sẽ tự động đóng kênh trạng thái và trả lại tiền cho Alice.

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận ngay lập tức, giao dịch có thể hoàn thành ngay lập tức.
• Tốc độ giao dịch cao, lý thuyết là không giới hạn giao dịch
• Phí giao dịch thấp, chỉ cần thanh toán phí trên chuỗi khi mở hoặc đóng kênh.
• Tính riêng tư tốt, giao dịch off-chain sẽ không được công khai trên mạng chính.

Nhược điểm:

• Tỷ lệ sử dụng vốn thấp, cần khóa vốn
• Không thân thiện với người dùng, cần giám sát kênh trực tuyến liên tục
• Tạo kênh khá phức tạp
• Khó thiết kế các kênh trạng thái chung
• Thiếu thanh khoản, kênh không thể linh hoạt chuyển tiền

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới tia Bitcoin

Tổng quan: Lightning Network là một kênh thanh toán vi mô của mạng Bitcoin và kinh nghiệm phát triển kỹ thuật tổng thể của nó như sau: 2/2 đa chữ ký để xây dựng kênh thanh toán một chiều, thêm RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract) để xây dựng kênh thanh toán hai chiều, sau đó thêm HTLC(Hash Sau Contract) khóa thời gian, nó có thể được kết nối với kênh thanh toán để mở rộng sang thanh toán nhiều người, và cuối cùng là xây dựng mạng lưới thanh toán, đó là Lightning Network. Thông qua kênh thanh toán vi mô off-chain, và sau đó với sự trợ giúp của các bên trung gian để hình thành một mạng lưới giao dịch, vấn đề mở rộng mạng Bitcoin có thể được giải quyết. Việc sử dụng tổng thể Lightning Network tuân theo quy trình "gửi tiền ( thiết lập kênh )→ giao dịch Lightning Network ( cập nhật trạng thái kênh )→ hoàn tiền/thanh toán ( đóng ) kênh"; Về mặt lý thuyết, Lightning Network có thể xử lý một triệu giao dịch mỗi giây.

Thời gian:

• Tháng 2 năm 2015, Joseph Poon và Thaddeus Dryja đã công bố bản nháp của tài liệu trắng về Mạng Lightning;
• Phiên bản chính thức của whitepaper được phát hành vào tháng 1 năm 2016 và thành lập