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 ba điều này, điều này được gọi là vấn đề tam giác không thể của blockchain. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách nâng cao khả năng thông lượng và tốc độ giao dịch của blockchain mà vẫn đảm bảo tính phi tập trung và an toàn, tức là giải quyết vấn đề mở rộng, đây là một trong những chủ đề nóng hiện nay trong sự phát triển của blockchain.

Sự phi tập trung, an toàn và khả năng mở rộng của blockchain có thể được định nghĩa đơn giản là:

• Phi tập trung: bất kỳ ai cũng có thể trở thành nút tham gia vào hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều, mức độ phi tập trung càng cao.
• An toàn: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, tính an toàn càng cao, có thể chống lại các cuộc tấn công của những người tham gia quy mô lớn.
• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain để xử lý một lượng lớn giao dịch.

Lần phân tách cứng 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, giới hạn 1MB cho mỗi khối đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn mạng. Từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có sự khác biệt về vấn đề mở rộng, cuối cùng dẫn đến lần phân tách cứng quan trọng đầu tiên của Bitcoin vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, tạo ra một loại tiền mới là BCH.

Mạng Ethereum cũng chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo tính bảo mật và phi tập trung. Mặc dù không giới hạn kích thước khối như Bitcoin, nhưng đã gián tiếp hạn chế khối lượng giao dịch thông qua việc giới hạn phí nhiên liệu của từng 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 đến sự trỗi dậy sau này của DeFi, GameFi và NFT, nhu cầu về độ sâu của thị trường liên tục gia tăng, nhưng Ethereum chỉ có thể xử lý từ 15-45 giao dịch mỗi giây. Điều này dẫn đến chi phí giao dịch tăng, thời gian thanh toán kéo dài, hầu hết các Dapps khó có thể chịu đựng chi phí vận hành, toàn bộ mạng trở nên chậm chạp và đắt đỏ, vấn đề mở rộng blockchain cần được giải quyết ngay lập tức. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: nâng cao tốc độ giao dịch và độ sâu 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", chúng ta có thể chia các phương án mở rộng 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 phương án, ở đây liệt kê tóm tắt hai phương án:

• 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 thiết bị của nút và giảm mức độ phi tập trung.

• Giải pháp thứ hai là phân mảnh, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, 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 sẽ giảm độ an toàn của toàn bộ mạng.

Thay đổi mã của giao thức chính trên mạng có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực khó lường, vì bất kỳ lỗ hổng bảo mật nào ở tầng dưới cũng sẽ đe dọa nghiêm trọng đến sự an toàn của toàn bộ mạng, có thể dẫn đến phân tách hoặc gián đoạn nâng cấp. Ví dụ, sự cố lỗ hổng lạm phát của Zcash vào năm 2018, đội ngũ đã mất 8 tháng để sửa chữa bí mật trước khi công bố.

2.2 mở rộng off-chain

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

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

Layer2:

• Kênh trạng thái
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

Khác:

• Sidechains
• Validium

3. Giải pháp mở rộng off-chain

3.1 Kênh trạng thái

3.1.1 Tóm tắt

Kênh trạng thái quy định chỉ khi kênh được mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp, người dùng mới cần tương tác với mạng chính, để các tương tác giữa người dùng được thực hiện off-chain, nhằm giảm thiểu thời gian và chi phí giao dịch, đạt được số lần giao dịch không bị hạn chế.

Kênh trạng thái là một giao thức P2P đơn giản, phù hợp với "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 trên mạng chính, kiểm soát tài sản đã gửi, xác minh cập nhật trạng thái và phân xử tranh chấp ( dựa trên bằng chứng gian lận có chữ ký và dấu thời gian ). Người tham gia gửi tiền và khóa lại sau khi triển khai hợp đồng lên mạng, kênh chính thức được mở khi cả hai bên xác nhận bằng chữ ký. Kênh cho phép người tham gia thực hiện các giao dịch miễn phí không giới hạn số lần off-chain ( miễn là giá trị chuyển nhượng ròng không vượt quá tổng số tiền đã gửi ). Người tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái và chờ bên kia xác nhận bằng chữ ký. Trong trường hợp bình thường, các cập nhật trạng thái được cả hai bên đồng ý sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ phụ thuộc vào xác nhận của mạng chính khi có tranh chấp hoặc khi đóng kênh. Khi đóng, bất kỳ bên nào cũng có thể gửi yêu cầu lên mạng chính, nếu nhận được sự phê duyệt chữ ký của tất cả mọi người thì sẽ thực hiện ngay lập tức, nếu không sẽ phải chờ kết thúc "thời gian thách thức" mới nhận được tiền.

Kênh trạng thái có thể giảm đáng kể khối lượng tính toán trên mạng chính, tăng tốc độ giao dịch và giảm chi phí giao dịch.

3.1.2 Dòng thời gian

• 2015/02: Joseph Poon và Thaddeus Dryja phát hành bản nháp trắng của mạng lưới Lightning
• 2015/11: Jeff Coleman lần đầu tiên hệ thống tóm tắt khái niệm State Channel
• 2016/01: Bản trắng của mạng lưới ánh sáng được công bố chính thức, đề xuất kế hoạch mở rộng Kênh Thanh toán Bitcoin.
• 2017/11: Tiêu chuẩn thiết kế State Channel đầu tiên dựa trên Payment Channel được Sprites đưa ra
• 2018/06: Counterfactual đưa ra thiết kế Generalized State Channels chi tiết
• 2018/10: Generalised State Channel Networks đề xuất khái niệm State Channel Networks và Virtual Channels
• 2019/02: Nitro lần đầu tiên thiết lập giao thức dựa trên Kênh N-Party
• 2019/10: Pisa mở rộng khái niệm Watchtowers để giải quyết vấn đề người tham gia trực tuyến liên tục
• 2020/03: Hydra đưa ra Kênh Isomorphic Nhanh

3.1.3 Nguyên tắc kỹ thuật

Quy trình làm việc truyền thống trên chuỗi: Người dùng thay đổi trạng thái hợp đồng thông minh bằng cách gửi giao dịch lên chuỗi, nhược điểm là sẽ gây ra vấn đề về thời gian và chi phí.

Quy trình làm việc của kênh trạng thái:

1. Alice và Bob mở kênh trạng thái bằng cách gửi tiền vào hợp đồng trên chuỗi.
2. Hai bên có thể thực hiện giao dịch không giới hạn số lần trên off-chain, thông qua việc ký tin nhắn để giao tiếp với nhau.
3. Nếu Alice muốn đóng kênh, cần gửi trạng thái cuối cùng đến hợp đồng.
4. Nếu Bob ký xác nhận, hợp đồng sẽ phân phối tiền theo trạng thái cuối cùng.
5. Nếu Bob không phản hồi, hợp đồng sẽ phân phối tiền sau khi kết thúc thời gian thách thức.

Quy trình làm việc trong trường hợp bi quan:

1. Nếu Bob không phản hồi chữ ký cập nhật trạng thái, Alice có thể gửi trạng thái hợp lệ cuối cùng đến hợp đồng để khởi động thách thức.
2. Hợp đồng cho phép Bob phản hồi trong một khoảng thời gian.
3. Nếu Bob phản hồi, có thể tiếp tục giao dịch; nếu không phản hồi, hợp đồng sẽ tự động đóng kênh và hoàn trả tiền.

3.1.4 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận giao dịch ngay lập tức
• Phí giao dịch cực thấp
• Độ sâu tốt
• Khả năng mở rộng mạnh

Nhược điểm:

• Cần giám sát trực tuyến liên tục
• Chi phí thiết lập ban đầu cao
• Hiệu quả vốn thấp
• Khó xử lý giao dịch đa bên
• Thiếu tính khả kết hợp

3.1.5 Ứng dụng

Các ứng dụng chính bao gồm mạng Lightning Bitcoin, mạng Lightning Ethereum và Celer Network.

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin:

• Tháng 2 năm 2015, bản dự thảo whitepaper được phát hành
• Phiên bản mainnet đầu tiên được phát hành vào tháng 3 năm 2018
• Năm 2021, El Salvador đã chấp nhận Bitcoin làm tiền tệ hợp pháp, ra mắt ví Chivo dựa trên mạng Lightning.
• Tháng 11 năm 2022 có tổng cộng 76,236 kênh thanh toán, quỹ kênh là 5049 BTC

Mạng điện tín Ethereum:

• Thành lập năm 2017, tương tự như mạng Lightning
• Tháng 10 năm 2017, ICO đã huy động hơn 30 triệu đô la Mỹ
• Tháng 5 năm 2020, Light Client đầu tiên được ra mắt trên mạng chính.
• Hiện tại rào cản sử dụng cao, sự phát triển của hệ sinh thái chậm.

Mạng Celer:

• Về bản chất là tăng cường lớp khuyến khích của mạng lưới lightning
• Có thể xây dựng các Dapps tương tác cao tần nhanh chóng, chi phí thấp và an toàn thông qua công nghệ mở rộng off-chain và mô hình kinh tế khuyến khích.
• Ra mắt trên mạng chính Ethereum vào tháng 7 năm 2019
• Hiện tại đã chuyển đổi thành nền tảng tổng hợp mở rộng L2 hỗ trợ cross-chain.

3.1.6 So sánh ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin:

• Ưu điểm: chi phí giao dịch thấp, tính riêng tư tốt
• Nhược điểm: Cần khóa vốn, định tuyến phức tạp

Mạng Lightning Ethereum:

• Ưu điểm: hỗ trợ hợp đồng thông minh
• Nhược điểm: Tiến độ phát triển chậm, ngưỡng sử dụng cao

Celer Network:

• Ưu điểm: hỗ trợ cross-chain, cơ chế khuyến khích hoàn thiện
• Nhược điểm: Độ sâu tập trung cao hơn

3.2 Chuỗi phụ

3.2.1 Tóm tắt

Khái niệm chuỗi bên được đưa ra lần đầu tiên vào năm 2012 trong phòng trò chuyện của các nhà phát triển Bitcoin, và năm 2014, một nhà nghiên cứu của Blockstream đã viết bài báo liên quan đầu tiên. Chuỗi bên là một hình thức blockchain xuất hiện để tăng tốc giao dịch Bitcoin, có thể sử dụng các hợp đồng phức tạp hơn hoặc cải thiện cơ chế đồng thuận. Kết quả giao dịch của chuỗi bên sẽ cuối cùng được truyền về chuỗi chính và sẽ được ghi lại ở phía xác nhận. Mô hình blockchain này không phải là một hình thức mới, mà là cơ sở hạ tầng gắn bó với chuỗi chính nhằm hỗ trợ giải quyết các vấn đề.

3.2.2 Thời gian

• 2012/01: Khái niệm sidechain của Bitcoin được đề xuất trong phòng chat
• 2014/10: Bài báo về sidechain Bitcoin được công bố, đề xuất Symmetric Pegged và Asymmetric Pegged
• 2017/04: Mạng POA ra mắt mạng thử nghiệm sidechain dựa trên đồng thuận PoA của Ethereum
• 2017/10: Matic Network khởi động
• 2017/12: Mạng POA ra mắt trên mạng chính
• 2018/01: Skale ra mắt mạng thử nghiệm
• 2018/10: xDai Chain ra mắt trên mạng thử nghiệm
• 2020/06: Ra mắt mạng chính Skale
• 2020/06: Mạng chính của chuỗi PoS Matic trên Ethereum sidechain ra mắt
• 2021/02: Matic Network đổi tên thành Polygon Network
• 2021/02: Mạng chính của chuỗi phụ Ronin cho trò chơi Axie Infinity hoạt động
• 2021/12: xDai Chain hợp nhất với Gnosis Dao thành Gnosis Chain
• 2022/03: POA Network hợp nhất vào Gnosis Chain

3.2.3 Nguyên lý kỹ thuật

Sidechain chủ yếu có hai cách giao tiếp với chuỗi chính là neo hai chiều và neo không đồng bộ.

Định giá hai chiều (Pegged đối xứng ):

• Các xác thực của chuỗi chính và chuỗi phụ ghi lại trạng thái hiện tại của nhau theo thời gian thực
• Sử dụng công nghệ SPV hai chiều để truyền thông tin
• Khi token trên chuỗi chính được gửi đến chuỗi phụ, nó sẽ tạo ra SPV-Locked Output
• Các trình xác thực chuỗi bên sử dụng chứng minh SPV để mở khóa
• Sau thời gian xác nhận và thời gian thi đấu, người dùng có thể sử dụng tài sản được đúc mới trong chuỗi phụ.

Không phối hợp neo ( Neo không đối xứng ):

• Các xác thực viên chuỗi phụ theo dõi hoạt động chuỗi chính theo thời gian thực
• Giao dịch từ chuỗi chính đến chuỗi phụ có thể được ghi lại trực tiếp
• Giao dịch từ sidechain đến mainchain cần đưa vào cơ chế Certifiers
• Certifiers ghi lại thông tin quan trọng và tổng hợp chữ ký
• Cần thế chấp tài sản để đảm bảo không phá hủy hệ thống

Hiện nay ngày càng nhiều sidechain lựa chọn sử dụng cơ chế PoA hoặc Relayers để xác nhận trạng thái khối của mainchain.

Tóm tắt cơ chế chuỗi bên:

• Chuỗi chính đến chuỗi phụ: Chuỗi chính khóa tài sản, chuỗi phụ tạo ra tài sản wrapped
• Sidechain đến chuỗi chính: Sidechain tiêu hủy tài sản wrapped, chuỗi chính mở khóa tài sản

An toàn của tài sản chuỗi bên phụ thuộc vào độ an toàn của cơ chế đồng thuận chuỗi bên.

3.2.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Độ sâu cao, có thể tùy chỉnh chức năng
• Tài sản chuỗi chính có thể trao đổi
• Giảm tải cho chuỗi chính
• Giảm chi phí giao dịch

Nhược điểm:

• Độ sâu của sự an toàn phụ thuộc vào cơ chế đồng thuận của chính nó
• Cần một liên bang hoặc bên có thẩm quyền đáng tin cậy
• Giao dịch chuỗi chéo phức tạp
• Có thể gây ra sự phân tách thanh khoản