Phân tích sâu về độ sâu mở rộng off-chain

Tác giả: Cobo Ventures

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Tầm nhìn tương lai của blockchain là phi tập trung, an ninh và khả năng mở rộng, nhưng thường chỉ có thể đạt được hai trong số đó, điều 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 khả năng thông qua và tốc độ giao dịch của blockchain trong khi đảm bảo tính phi tập trung và an ninh, tức là giải quyết vấn đề mở rộng, là một trong những chủ đề nóng trong quá trình phát triển blockchain hiện nay.

Định nghĩa về độ sâu, tính an toàn và khả năng mở rộng của blockchain:

• Phi tập trung: bất kỳ ai cũng có thể trở thành nút tham gia vào sản xuất và xác minh hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều, mức độ phi tập trung càng cao, đảm bảo mạng không bị kiểm soát bởi một số ít người tham gia tập trung lớn.

• 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 tỷ lệ lớn các cuộc tấn công từ người tham gia.

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

Lần phân tách cứng lớn đầu tiên của mạng Bitcoin bắt nguồn 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; bắt đầu từ năm 2015, trong cộng đồng Bitcoin đã có sự khác biệt về vấn đề mở rộng, một bên là những người ủng hộ mở rộng kích thước khối, bên còn lại là những người ủng hộ sử dụng giải pháp Segwit với các khối nhỏ. Vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, những người ủng hộ mở rộng đã tự phát triển hệ thống khách hàng lên đến 8MB và bắt đầu hoạt động, dẫn đến lần phân tách cứng lớn đầu tiên trong lịch sử 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 mạng Ethereum không giới hạn khối lượng giao dịch như mạng Bitcoin bằng cách hạn chế kích thước khối, mà thực tế là chuyển sang thiết lập giới hạn phí nhiên liệu cho một khối duy nhất, nhưng mục đích vẫn là để đạt được sự đồng thuận không cần tin cậy và đảm bảo sự phân phối rộng rãi của các nút.

Từ CryptoKitties năm 2017, mùa hè DeFi, cho đến sự trỗi dậy của các ứng dụng trên chuỗi như GameFi và NFT, nhu cầu về khả năng xử lý ngày càng tăng, nhưng ngay cả Ethereum, với khả năng tính toán Turing 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 hoạt động, toàn bộ mạng lưới cũng trở nên chậm chạp và đắt đỏ đối với người dùng, vấn đề mở rộng blockchain cần được giải quyết gấp. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: nâng cao tốc độ giao dịch và khả năng xử lý giao dịch của mạng blockchain trong khi không hy sinh tính phi tập trung và an toàn.

2. Các loại kế hoạch mở rộng

Chúng tôi phân loại các giải pháp mở rộng thành hai loại lớn: mở rộng trên chuỗi và mở rộng off-chain theo 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, giải pháp chính hiện tại là phân đoạn.

Mở rộng trên chuỗi có nhiều phương án, bài viết này không mở rộng, chỉ liệt kê 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, nâng cao ngưỡng gia nhập của các nút, giảm "mức độ phi tập trung".

• Giải pháp thứ hai là phân đoạn, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, không còn là mỗi nút tham gia vào tất cả các ghi chép, mà là các phân đoạn 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 một lúc; điều này có thể giảm áp lực tính toán cho các nút và ngưỡng 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 làm giảm "tính an toàn" của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi mã của giao thức mạng chính có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực khó lường, vì bất kỳ lỗ hổng bảo mật nhỏ nào ở lớp dưới đều có thể đe dọa nghiêm trọng đến tính an toàn của toàn bộ mạng, mạng có thể bị buộc phải phân tách hoặc ngừng cập nhật sửa chữa. Ví dụ, sự cố lạm phát của Zcash vào năm 2018: mã của Zcash được chỉnh sửa dựa trên mã của phiên bản Bitcoin 0.11.2, vào năm 2018, một kỹ sư đã phát hiện ra lỗ hổng nguy hiểm cao trong mã nguồn, tức là token có thể được phát hành không giới hạn, ngay lập tức đội ngũ 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 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

Kênh trạng thái 3.1

3.1.1 Tóm tắt

Kênh trạng thái quy định chỉ khi nào kênh được mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp, người dùng mới cần tương tác với mạng chính, và thực hiện tương tác giữa các người dùng ở chế độ off-chain, nhằm giảm thiểu thời gian và chi phí giao dịch của người dùng, đồng thời 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 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 ( theo chứng minh 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 bên tham gia thực hiện 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 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. Thông thường, các cập nhật trạng thái được hai bên đồng ý sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ trong trường hợp có tranh chấp hoặc khi 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 đồng ý ký phê duyệt, 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 theo 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 phải chờ đến khi kết thúc "thời gian thách thức" để 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 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 Kênh Trạng thái, đề xuất Kênh Thanh toán của Bitcoin là một trường hợp con trong khái niệm Kênh Trạng thái.

• 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 mạng lưới Bitcoin, Payment Channel( kênh thanh toán), giải pháp này chỉ được sử dụng để xử lý các khoản thanh toán chuyển tiền trên mạng lưới Bitcoin.

• Tháng 11 năm 2017, tiêu chuẩn thiết kế đầu tiên về State Channel dựa trên khung Payment Channel có tên là 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 hoàn toàn liên quan đến kênh trạng thái đầu tiên.

• 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 bên 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 minh họa 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 cho thấy 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, 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 ( với số tiền 1,2), số tiền này được khóa trong hợp đồng cho đến khi kênh đóng, lúc đó số dư mới được trả lại cho người dùng; sau khi hai bên ký xác nhận, kênh trạng thái chính thức được mở giữa hai người.

• Bước thứ hai, Alice và Bob có thể tiến hành giao dịch không giới hạn số lần trong off-chain thông qua kênh này ( đường kẻ màu xanh ), 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 việc chi tiêu gấp đôi. Thông qua những tin nhắn này, họ đưa ra cập nhật trạng thái tài khoản của mình và chấp nhận các cập nhật trạng thái do đối phương đề xuất.

• Bước ba, nếu Alice muốn đóng kênh kết thúc giao dịch giữa Alice và Bob, Alice cần gửi trạng thái cuối cùng của tài khoản mình ( tương tác 3) đến hợp đồng, nếu Bob ký duyệt, hợp đồng sẽ trả lại số tiền đã bị khóa theo trạng thái cuối cùng cho người dùng tương ứng ( tương tác 4,5). Nếu Bob không phản hồi ký, hợp đồng sẽ trả lại số tiền đã bị khóa cho người dùng tương ứng sau khi thời gian thách thức kết thúc.

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 các cập nhật trạng thái ( đường chấm màu 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 thách thức bằng cách gửi trạng thái hợp lệ cuối cùng của mình đến hợp đồng ( tương tác 4), trạng thái hợp lệ này cũng chứa chữ ký trước đó của Bob, từ đó chứng minh rằng giao dịch cuối cùng đã nhận được sự chấp thuận của Bob, và trạng thái cuối cùng đã nhận được sự xác nhận của Bob. Sau đó, hợp đồng cho phép Bob trong một khoảng thời gian phản hồi bằng cách gửi trạng thái tiếp theo đến hợp đồng; nếu Bob phản hồi, hai người có thể tiếp tục giao dịch trong kênh trạng thái; nếu Bob không phản hồi trong khoảng thời gian đó, hợp đồng tự động đóng kênh trạng thái và trả lại tiền cho Alice ( tương tác 5).

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Độ sâu tức thì
• Phí cực thấp
• Bảo mật tốt
• Tính mở rộng cao
• Tính linh hoạt cao

Nhược điểm:

• Cần tất cả các bên tham gia trực tuyến liên tục
• Không phù hợp với tính toán phức tạp
• Chi phí ban đầu để thiết lập kênh cao
• Khả năng mở rộng kém
• Cần phải gửi tiền khóa trước

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin

Tổng quan:

Mạng lưới Lightning là kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin, quá trình phát triển công nghệ tổng thể của nó trải qua: kênh thanh toán một chiều được xây dựng từ ký quỹ 2/2, sau khi thêm RSMC(Hợp đồng Đến hạn có thể thu hồi), có thể xây dựng kênh thanh toán hai chiều, sau đó thêm HTLC(Hợp đồng Khóa Thời gian Hash), có thể kết nối kênh thanh toán mở rộng cho 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 người trung gian để tạo thành mạng giao dịch, có thể giải quyết vấn đề mở rộng mạng Bitcoin. Việc sử dụng tổng thể của mạng lưới Lightning tuân theo quy trình "tiền gửi(thiết lập kênh)→giao dịch mạng lưới Lightning(cập nhật trạng thái kênh)→hoàn trả/giải quyết(kết thúc kênh)"; lý thuyết mạng lưới Lightning có thể xử lý một triệu giao dịch mỗi giây.

Thời gian:

• Vào tháng 2 năm 2015, Joseph Poon và Thaddeus Dryja đã công bố bản nháp của sách trắng mạng lưới ánh sáng;
• Vào tháng 1 năm 2016, bản white paper chính thức được phát hành và Lightning Labs được thành lập;
• 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 đô la, khoảng chưa đến 100.000 người dùng sử dụng mạng lưới Lightning.