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: phân quyền, an toàn và khả năng mở rộng; nhưng thường thì blockchain chỉ có thể đạt được hai trong số ba điều này, việc đồng thời đáp ứng 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 phân quyền 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 blockchain hiện tại.

Hãy để chúng ta định nghĩa một cách tổng quát về tính phi tập trung, độ an toàn và tính mở rộng của blockchain:

• Phi tập trung: bất kỳ ai cũng có thể trở thành nút tham gia vào hệ thống blockchain để sản xuất và xác minh, số lượng nút càng nhiều thì mức độ phi tập trung càng cao, từ đó đảm bảo rằng mạng không bị kiểm soát bởi một nhóm nhỏ các tham gia tập trung lớn.
• An ninh: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao thì an ninh càng cao, như vậy 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.

Hard 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 phải đối mặt với vấn đề tắc nghẽn; từ năm 2015, trong cộng đồng Bitcoin đã có sự chia rẽ về vấn đề mở rộng, một bên là phái mở rộng với đại diện là Bitcoin ABC, bên còn lại là phái khối nhỏ với đại diện là Bitcoin Core, cho rằng nên sử dụng giải pháp Segwit để tối ưu hóa cấu trúc chuỗi chính. Vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, Bitcoin ABC đã tự phát triển hệ thống khách hàng 8MB và bắt đầu hoạt động, dẫn đến sự xuất hiện của hard fork lớn đầu tiên trong lịch sử Bitcoin, đồng thời cũng đã ra đời đồng tiền mới BCH.

Tương tự, mạng Ethereum cũng lựa chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo an ninh và phi tập trung của mạng; mặc dù mạng Ethereum không hạn chế khối lượng giao dịch bằng cách giới hạn kích thước khối như mạng Bitcoin, mà thực chất là chuyển sang việc thiết lập giới hạn cho phí nhiên liệu có thể chứa trong một khối duy nhất, nhưng mục đích đều là để đạt được Trustless Consensus và đảm bảo sự phân bố rộng rãi của các nút. ( Dù có hủy bỏ hay tăng giới hạn, sẽ có rất nhiều nút nhỏ với băng thông, lưu trữ và tính toán không đủ bị loại bỏ. ).

Từ CryptoKitties năm 2017, mùa hè DeFi, cho đến sự gia tăng của các ứng dụng trên chuỗi như GameFi và NFT, nhu cầu về độ sâu của thị trường ngày càng tăng, nhưng ngay cả Ethereum hoàn toàn có thể lập trình cũng chỉ xử lý được từ 15~45 giao dịch mỗi giây ( TPS ), điều này dẫn đến kết quả là chi phí giao dịch ngày càng tăng, thời gian thanh toán kéo dài, phần lớn Dapps khó có thể chịu đựng chi phí vận hành, toàn bộ mạng lưới trở nên chậm chạp và đắt đỏ hơn đối với người dùng, vấn đề mở rộng blockchain cần được giải quyết gấp. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: không hy sinh tính phi tập trung và an ninh, đồng thời có thể nâng cao tốc độ giao dịch của mạng lưới blockchain ( thời gian hoàn tất ngắn hơn ) và thông lượng giao dịch ( TPS cao hơn ).

2. Các loại kế hoạch mở rộng

Chúng tôi phân loại các kế hoạch mở rộng thành hai loại lớn là mở rộng trên chuỗi và mở rộng off-chain dựa trên tiêu chí "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, hiện tại giải pháp chính là phân mảnh.

Mở rộng trên chuỗi có nhiều giải pháp, bài viết này sẽ không trình bày chi tiết, dưới đây là hai giải pháp 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 làm tăng yêu cầu đối với thiết bị nút hiệu suất cao, nâng cao ngưỡng gia nhập của các nút, làm giảm 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 việc ghi chép tất cả, mà là các phân mảnh khác nhau tức là 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, 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 làm 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 khó lường, vì bất kỳ lỗ hổng bảo mật nào nhỏ nhất ở lớp dưới cũng sẽ đe dọa nghiêm trọng đến tính bảo mật của toàn bộ mạng, mạng có thể buộc phải phân tách hoặc ngừng hoạt động để nâng cấp sửa chữa. Ví dụ, sự cố lạm phát của Zcash vào năm 2018: mã của Zcash được sửa đổi từ mã phiên bản Bitcoin 0.11.2, vào năm 2018 một kỹ sư đã phát hiện ra rằng mã nền tảng có lỗ hổng nghiêm trọng, tức là token có thể được phát hành không giới hạn, và ngay lập tức đội ngũ đã dành 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 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 người dùng chỉ cần tương tác với mạng chính khi kênh được mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp, và thực hiện các tương tác giữa người dùng với nhau ở chế độ 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 thực cập nhật trạng thái và phân xử các 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 ròng chuyển nhượng của họ không vượt quá tổng số token đã gửi vào ). Các bên tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái cho nhau và chờ chữ ký xác nhận từ bên kia. Khi bên kia ký xác nhận, cập nhật trạng thái này coi như hoàn thành. Trong điều kiện bình thường, các cập nhật trạng thái đã được hai bên đồng ý sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ khi có tranh chấp hoặc khi đóng kênh, thì mới dựa 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 mọi người ký đồng ý, thì sẽ được thực hiện ngay lập tức trên chuỗi, tức là hợp đồng thông minh sẽ phân phối số tiền 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 đồng ý, thì tất cả mọi người phải chờ đợi kết thúc "thời gian thách thức" 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 white paper về mạng lưới Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman lần đầu tiên hệ thống tóm tắt 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 phương án mở rộng của mạng lưới Bitcoin là Payment Channel( kênh thanh toán), phương án 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 có tên là Sprites được đề xuất.
• 2018/06, Counterfactual đã đưa ra một thiết kế State Channels Tập hợp 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 đến N-Party Channels, Nitro là giao thức đầu tiên được xây dựng dựa trên ý tưởng này.
• 2019/10, Pisa để giải quyết vấn đề tất cả các người tham gia cần phải trực tuyến liên tục, đã mở rộng khái niệm Watchtowers.
• 2020/03, Hydra đã đưa ra Kênh Isomorphic Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Hình 1 trình bày quy trình làm việc trên chuỗi truyền thống: Alice và Bob tương tác với hợp đồng thông minh được triển khai trên mạng chính, người dùng thay đổi trạng thái của hợp đồng thông minh bằng cách gửi giao dịch lên chuỗi. Nhược điểm là sẽ mang lại vấn đề về thời gian và chi phí như đã thảo luận ở trên.

Hình 2 trình bày quy trình làm việc chung mà hầu hết các giao thức kênh trạng thái tuân theo: Trong trường hợp lạc quan, Alice và Bob cần thực hiện các thao tác giống như trước đây, nhưng lần này họ sử dụng kênh trạng thái, thay vì tương tác với hợp đồng trên chuỗi.

• Bước đầu tiên, Alice và Bob tương tác bằng cách gửi tiền từ EOA cá nhân của họ vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi (, số tiền 1,2) này sẽ được khóa trong hợp đồng cho đến khi kênh đóng, lúc này số dư mới được trả lại cho người dùng; sau khi hai người ký xác nhận, kênh trạng thái giữa hai người chính thức được mở.
• Bước thứ hai, Alice và Bob về lý thuyết có thể thực hiện không giới hạn số lần giao dịch off-chain qua kênh này ( đường nét màu xanh ), các bên tham gia giao tiếp với nhau thông qua các tin nhắn 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 gian lận double spend. Thông qua các 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.
• Bước ba, nếu Alice muốn đóng kênh kết thúc giao dịch với Bob, Alice cần gửi trạng thái cuối cùng của tài khoản mình cho hợp đồng ( tương tác 3), nếu Bob ký duyệt, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền bị khóa dựa trên trạng thái cuối cùng trả lại cho người dùng tương ứng ( tương tác 4,5). Nếu Bob không phản hồi ký duyệt, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền bị khóa trả lại cho người dùng tương ứng sau khi kết thúc thời gian thách thức.

Hình 3 hiển thị quy trình làm việc của kênh trạng thái trong trường hợp bi quan: ban đầu, hai người tham gia gửi tiền ( tương tác 1, 2), sau đó bắt đầu trao đổi cập nhật trạng thái ( đường chấm xanh ). Giả sử vào một thời điểm nào đó, Bob không phản hồi chữ ký cập nhật trạng thái mà Alice gửi đến trong lượt của mình ( tương tác 3), lúc này, Alice có thể khởi xướng một thách thức bằng cách gửi trạng thái hợp lệ cuối cùng của mình cho hợp đồng ( tương tác 4), trạng thái hợp lệ này cũng bao gồm chữ ký của Bob trước đó, từ đó chứng minh giao dịch cuối cùng đã được Bob chấp thuận, và trạng thái cuối cùng đã được Bob xác nhận. Sau đó, hợp đồng cho phép Bob trong một khoảng thời gian phản hồi bằng cách gửi trạng thái tiếp theo cho hợp đồng; nếu Bob phản hồi, thì hai người có thể tiếp tục giao dịch trong kênh trạng thái; nếu Bob không phản hồi trong khoảng thời gian đó, thì hợp đồng tự động đóng kênh trạng thái và trả tiền lại cho Alice ( tương tác 5).

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận giao dịch ngay lập tức
• Khả năng thông lượng cao
• Phí thấp
• Tính riêng tư cao

Nhược điểm:

• Cần khóa vốn
• Người dùng cần thường xuyên đăng nhập
• Độ sâu tăng lên

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin

Tổng quan:

Mạng lưới Lightning là kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin, sự phát triển công nghệ tổng thể của nó trải qua: kênh thanh toán một chiều xây dựng bằng ký quỹ 2/2, tăng cường RSMC.