Phân tích độ sâu mở rộng off-chain

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Tầm nhìn tương lai của blockchain là phi tập trung, an toàn 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, mọi người đã khám phá cách giải quyết bài toán này, với điều kiện đảm bảo tính phi tập trung và an toàn trong khi nâng cao thông lượng và tốc độ giao dịch của blockchain, tức là giải quyết vấn đề mở rộng, là một trong những chủ đề nóng trong quá trình phát triển blockchain hiện nay.

Đặc điểm của blockchain về tính phi tập trung, an ninh và khả năng mở rộng được định nghĩa như sau:

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

• An ninh: Chi phí cần thiết để kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, an ninh càng cao, chuỗi có thể chống lại một tỷ lệ lớn các cuộc tấn công từ người tham gia.

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

Lần phân tách quan trọng đầu tiên của mạng Bitcoin xuất phát từ vấn đề mở rộng. Khi số lượng người dùng và khối lượng giao dịch tăng lên, mạng Bitcoin với giới hạn mỗi khối là 1MB bắt đầu phải đối mặt với vấn đề tắc nghẽn. Bắt đầu từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có những bất đồng về vấn đề mở rộng, một bên ủng hộ việc mở rộng kích thước khối, bên còn lại 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 phát triển hệ thống khách hàng với khối 8MB và bắt đầu hoạt động, dẫn đến lần phân tách quan trọng đầu tiên của Bitcoin, và từ đó đã ra đời đồng tiền mới BCH.

Mạng Ethereum cũng chọn hy sinh một phần độ sâu để đảm bảo an ninh và tính phi tập trung của mạng. Mặc dù không giới hạn kích thước khối như Bitcoin, nhưng thông qua việc giới hạn phí nhiên liệu mà một khối đơn có thể chứa để xác định lượng giao dịch, mục đích là đạt được Trustless Consensus và đảm bảo sự phân phối rộng rãi của các nút.

Từ CryptoKitties năm 2017, đến mùa hè DeFi, rồi đến sự nổi lên của các ứng dụng trên chuỗi như GameFi và NFT, nhu cầu về thông lượng trên thị trường ngày càng tăng. Nhưng ngay cả Ethereum có khả năng lập trình Turing cũng chỉ xử lý được 15-45 giao dịch mỗi giây, dẫn đến tăng chi phí giao dịch, thời gian thanh toán kéo dài, hầu hết các Dapps khó có thể chịu đựng được chi phí vận hành, toàn bộ mạng lưới trở nên chậm và đắt đỏ đối với người dùng. Vấn đề mở rộng blockchain cần được giải quyết khẩn cấp. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: tăng tốc độ giao dịch và thông lượng của mạng lưới blockchain càng nhiều càng tốt mà không hy sinh sự phi tập trung và an ninh.

2. Các loại kế hoạch mở rộng

Theo tiêu chuẩn "Có thay đổi một lớp mạng chính hay không", các phương án mở rộng có thể được chia 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 mảnh.

Mở rộng trên chuỗi có nhiều giải pháp, xin liệt kê ngắn gọn hai loại:

• Giải pháp một là mở rộng không gian khối, tăng số lượng giao dịch được đóng gói trong mỗi khối, nhưng điều này sẽ làm tăng yêu cầu về thiết bị nút hiệu suất cao, giảm "mức độ phi tập trung".

• Giải pháp hai là phân mảnh, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, mỗi phần được các nút khác nhau chịu trách nhiệm ghi chép, và 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 ngưỡng gia nhập, cải thiện tốc độ xử lý giao dịch và mức độ phi tập trung, nhưng sẽ làm giảm "an toàn" của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi mã của giao thức mạng chính có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực không thể lường trước, vì bất kỳ lỗ hổng bảo mật nào nhỏ bé ở lớp dưới đều có thể đe dọa nghiêm trọng 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 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 có lỗ hổng nghiêm trọng, tức là token có thể được phát hành vô hạn, ngay lập tức đội ngũ đã mất 8 tháng để sửa chữa bí mật, sự kiện 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:

• Layer2: Xây dựng các lớp mới trên chuỗi chính, xử lý hầu hết các giao dịch và tính toán, chỉ tương tác với chuỗi chính khi cần thiết. Bao gồm kênh trạng thái, chuỗi bên, Plasma, Rollups, v.v.

• Giải pháp khác: không xây dựng lớp mới, mà thực hiện mở rộng thông qua các phương pháp kỹ thuật khác. Như Validium, Volition, v.v.

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 các tương tác giữa người dùng sẽ được thực hiện off-chain, nhằm giảm thiểu thời gian và chi phí giao dịch, 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 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 trọng tài 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 ). Các bên tham gia luân phiên gửi cập nhật trạng thái cho nhau, chờ đợi sự xác nhận chữ ký của bên kia. Một khi bên kia ký xác nhận, cập nhật trạng thái này được coi là hoàn tất. Thông 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, 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 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 phê duyệt, thì tất cả mọi người phải chờ đợi sự kết thúc của "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 Thời gian

• 2015/02, Joseph Poon và Thaddeus Dryja phát hành dự thảo sách trắng mạng lưới ánh sáng.

• 2015/11, 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 bản 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 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 mang tên Sprites 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 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

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 gửi giao dịch lên chuỗi để thay đổi trạng thái của hợp đồng thông minh. Nhược điểm là sẽ mang lại các vấn đề về thời gian và chi phí như đã thảo luận ở trên.

Hình 2 mô tả 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 vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi (, 1,2), những khoản tiền này được khóa trong hợp đồng cho đến khi kênh đóng lại mới trả lại số dư 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 các giao dịch không giới hạn số lần trên off-chain thông qua kênh này ( đường viền màu xanh ), các bên tham gia giao tiếp với nhau thông qua các tin nhắn có chữ ký mã hóa ( thay vì giao tiếp với mạng blockchain ). Cả hai người dùng đều cần phải ký từng giao dịch để ngăn chặn hành vi gian lận double spending. Thông qua các tin nhắn này, họ đưa ra cập nhật trạng thái tài khoản của mình và chấp nhận các cập nhật trạng thái mà bên kia đưa ra.

• Bước ba, nếu Alice muốn đóng kênh kết thúc giao dịch với Bob, Alice cần nộp trạng thái cuối cùng của tài khoản mình ( tương tác 3) cho hợp đồng, nếu Bob ký chấp thuận, hợp đồng sẽ dựa trên trạng thái cuối cùng để giải phóng số tiền bị khóa trả về người dùng tương ứng ( tương tác 4,5). Nếu Bob không phản hồi ký, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền bị khóa trả về người dùng tương ứng sau khi thời gian thách thức kết thúc.

Hình 3 cho thấy 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 đổi trạng thái cập nhật ( đường chấm xanh ). Giả sử vào một thời điểm nào đó, Bob không phản hồi Alice gửi đến chữ ký cập nhật trạng thái ( 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 bao gồm chữ ký trước đó của Bob, từ đó chứng minh giao dịch cuối cùng đã nhận được sự chấp thuận của Bob, 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, thì cả hai 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 lại tiền cho Alice ( tương tác 5).

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận giao dịch ngay lập tức
• Lưu lượng cao
• Chi phí giao dịch thấp
• Tính riêng tư tốt

Nhược điểm:

• Cần khóa vốn
• Cần tất cả người tham gia trực tuyến thời gian thực
• Rút tiền có độ trễ
• Chi phí khởi tạo kênh cao
• Làm ơn mở lại kênh
• Độ sâu mạng lưới kênh cao

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin

Tổng quan: Mạng lưới Lightning là kênh thanh toán nhỏ cho mạng Bitcoin, quá trình phát triển công nghệ tổng thể của nó trải qua: xây dựng kênh thanh toán một chiều với đa chữ ký 2/2, sau khi thêm RSMC(Hợp đồng Thời gian Chờ có thể thu hồi ) có thể xây dựng kênh thanh toán hai chiều, sau đó thêm HTLC(Hợp đồng Thời gian Khóa Hash) có thể kết nối kênh thanh toán mở rộng đến thanh toán nhiều người, 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 hình 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 "gửi tiền(thiết lập kênh)→giao dịch mạng lưới Lightning(cập nhật trạng thái kênh)→hoàn tiền/ thanh toán(kết thúc kênh)"; về lý thuyết, mạng lưới Lightning có thể xử lý một triệu giao dịch mỗi giây.

Thời gian:

• Tháng 2 năm 2015, Joseph Poon và Thaddeus Dryja đã phát hành bản nháp của sách trắng mạng lưới ánh sáng;
• Vào tháng 1 năm 2016, phát hành phiên bản chính thức của tài liệu trắng 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, công suất công cộng của mạng lưới Lightning (TVL) chỉ khoảng 40 triệu USD, khoảng chưa tới 100.000 người dùng sử dụng mạng lưới Lightning.
• Tháng 6 năm 2021, El Salvador đã công bố áp dụng Bitcoin làm tiền tệ hợp pháp,