Kiến thức cơ bản về mạng lớp hai của Bitcoin

Sự trỗi dậy của các ký hiệu Bitcoin đã mang lại sức sống mới cho hệ sinh thái Bitcoin, khiến nhiều người quay trở lại quan tâm đến Bitcoin. Trong sự phát triển công nghệ của hệ sinh thái Bitcoin, việc xây dựng lớp thứ hai là vô cùng quan trọng. Bài viết này tóm tắt kiến thức cơ bản về lớp thứ hai của Bitcoin, hy vọng có thể khơi dậy thêm nhiều người hoàn thiện các ý tưởng liên quan, thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.

Thế giới blockchain bắt đầu bằng Bitcoin và kết thúc bằng hệ sinh thái Bitcoin. Ethereum cũng có thể được coi là một cuộc khám phá công nghệ sidechain của Bitcoin.

Trong bài viết này, khái niệm "xây dựng lớp hai" và "xây dựng mạng lớp hai" về cơ bản là tương đương, nhưng khái niệm sau hẹp hơn. Để phù hợp với cách diễn đạt thường dùng trong ngành, bài viết cũng sẽ sử dụng khái niệm "xây dựng mạng lớp hai".

1. Sứ mệnh của Layer2

Để hiểu những vấn đề cơ bản cần giải quyết trong việc xây dựng lớp hai của Bitcoin, chúng ta bắt đầu từ những đặc điểm cơ bản của hệ thống blockchain.

1.1 Các đặc tính cơ bản và nhu cầu của blockchain

Chúng tôi mượn khái niệm của Vitalik: Blockchain là một "máy tính thế giới". Hiểu nhiều đặc điểm của blockchain từ góc độ này sẽ rõ ràng hơn. Sau đó, chúng tôi sẽ phân tích khả năng phát triển của "máy tính thế giới" này dựa trên cấu trúc Von Neumann trong máy tính.

Trước tiên, tóm tắt một số đặc điểm cơ bản:

Công khai và minh bạch: Đây là đặc điểm lưu trữ dữ liệu và thực thi lệnh của "máy tính thế giới" blockchain, đồng thời cũng là đặc điểm nhu cầu nội tại cần sự tham gia tính toán của nhiều nút phân tán trên toàn cầu. Đặc điểm này hoàn toàn đáp ứng quyền được biết về dữ liệu của người sử dụng, là kết quả chung của yêu cầu hợp tác nội bộ của "máy tính thế giới" và nhu cầu bên ngoài của người sử dụng.

Phi tập trung: Đặc điểm này là đặc điểm kiến trúc của "máy tính thế giới", mức độ phi tập trung và khả năng chống lỗi, về lý thuyết, đều được hỗ trợ bởi lý thuyết tướng Byzantine ( trong trường hợp cộng tác viên có thể không trung thực, tức là không tuân thủ giao thức ). Hệ thống không phải tướng Byzantine về lý thuyết không phải là hệ thống blockchain, chúng ta sẽ thấy hai trường hợp của hệ thống không phải blockchain trong xây dựng lớp hai sau này. Mức độ phi tập trung là một chỉ số quan trọng về độ an toàn của blockchain, cũng là cơ sở của một số đặc điểm.

An ninh: An ninh được hình thành từ sự kết hợp giữa nhu cầu nội tại do đặc điểm cấu trúc của "máy tính thế giới" tạo ra và nhu cầu bên ngoài từ người sử dụng. Từ cấp độ vi mô, an ninh được đảm bảo bởi các công nghệ liên quan đến mật mã, trong khi từ cấp độ vĩ mô, nó được đảm bảo bởi tính phi tập trung của cấu trúc, từ đó đảm bảo rằng an ninh của "máy tính thế giới" sẽ không bị ảnh hưởng bởi việc giả mạo dữ liệu vi mô hoặc sự phá hoại cấu trúc vĩ mô.

Khả năng tính toán: Một trong những chức năng chính của máy tính thế giới blockchain là khả năng tính toán. Để đo lường chỉ số này, chúng ta thường xem xét tính Turing đầy đủ. Một số chuỗi để giữ lại những đặc điểm chính của mình đã được thiết kế có chủ đích để không đầy đủ Turing. Ví dụ, trong mạng Bitcoin, Satoshi không chỉ làm cho mã lệnh của nó không đầy đủ Turing, mà còn cố tình loại bỏ một số tập lệnh trong quá trình phát triển để duy trì tính ổn định và an toàn. Tất cả các công nghệ đầy đủ Turing đều nhằm mở rộng khả năng tính toán của blockchain. Xét từ góc độ thiết kế phân lớp, các hệ thống đơn giản thì phù hợp hơn để làm nền tảng.

Hiệu suất: Trong điều kiện khả năng tính toán tương đương, hiệu suất là một khả năng chính khác để xem xét máy tính của thế giới blockchain. Thông thường, nó được đo bằng TPS, tức là số lượng giao dịch được xử lý mỗi giây.

Lưu trữ: Blockchain được mô tả là "máy tính toàn cầu", vì vậy nó chắc chắn phải có chức năng lưu trữ, đó là khả năng ghi lại dữ liệu. Hiện tại, hầu hết đều được lưu trữ trong khối, trong khi lưu trữ ngoài khối chuyên nghiệp hơn vẫn đang trong quá trình phát triển.

Riêng tư: Riêng tư là một yêu cầu phân khúc trong "máy tính thế giới", tức là yêu cầu duy trì phạm vi quyền hạn của người sản xuất và người sử dụng dữ liệu trong quá trình tính toán và lưu trữ ( Chúng tôi cũng đưa khả năng chống kiểm duyệt vào phần riêng tư ). Điều này chủ yếu được thúc đẩy bởi nhu cầu bên ngoài của người sử dụng.

Còn có một chỉ số tổng hợp về khả năng mở rộng, thường chỉ khả năng mở rộng của toàn bộ kiến trúc, đặc tính này ảnh hưởng đến hầu hết các đặc tính cơ bản, ở cấp độ kiến trúc, khả năng mở rộng của hệ thống là một chỉ số rất quan trọng. Ngoài ra còn có một số khả năng kết nối, hoặc một số khả năng trong các tình huống cụ thể khác, ở đây không thảo luận quá nhiều, khi gặp những tình huống đặc biệt này, sẽ phân tích chi tiết hơn.

Trong những đặc tính cơ bản của các blockchain này, hầu hết đều bị giới hạn bởi tam giác bất khả thi trong mối quan hệ phát triển lẫn nhau. Ví dụ, giả thuyết DSS tức là phi tập trung (Decentralization, D), an ninh (Security, S) và khả năng mở rộng (Scalability, S).

Trong hệ thống phân tán, tam giác bất khả thi tương tự là nguyên tắc CAP, CAP chỉ ra rằng trong một hệ thống phân tán, Consistency( nhất quán), Availability( tính khả dụng), Partition tolerance( khả năng chịu lỗi phân vùng) không thể đạt được đồng thời. Hệ thống blockchain là một hệ thống phân tán có vấn đề của những người chỉ huy Byzantine, vì vậy cũng áp dụng cho nguyên tắc CAP.

1.2 Vai trò của việc xây dựng tầng hai

Xây dựng lớp hai cần hoàn thành những vai trò nào? Cung cấp những chức năng gì? Xây dựng lớp hai chắc chắn phải mở rộng những thiếu sót của hệ thống lớp một, thực hiện những điều không phù hợp để hoàn thành trên hệ thống lớp một ở lớp hai.

Chúng ta có thể rút ra một kết luận ban đầu từ các đặc điểm của blockchain được tóm tắt ở trên, đó là nhất định phải mở rộng những khả năng cơ bản này: công khai minh bạch, phi tập trung, tính an toàn, khả năng tính toán, hiệu suất ( thông lượng ), lưu trữ, quyền riêng tư, v.v. Ngoài những khả năng cơ bản từ góc độ kỹ thuật, còn có một vấn đề kinh tế rất quan trọng cần giải quyết, đó là giảm chi phí, thường thì chi phí tổng thể cho việc thực hiện giao dịch trên một mạng lớp một là khá cao, cần sử dụng mạng lớp hai để giảm những chi phí này.

Tóm lại, để tăng dung lượng, giảm chi phí và tùy chỉnh đặc tính, tất cả các giải pháp đều là xây dựng lớp thứ hai. Về đặc tính tùy chỉnh, hiện tại vẫn chưa đủ rõ ràng, hoặc thường bị che giấu trong hai đặc tính đầu tiên, có một số điều khó hiểu. Chúng ta có thể hiểu rằng, đặc tính của mạng lớp một đối với nhiều ứng dụng có mức độ yêu cầu khác nhau, có thể điều chỉnh lại độ thực hiện của các đặc tính khác nhau cho một số ứng dụng trên lớp thứ hai.

Trong xây dựng lớp hai, khả năng cơ bản của blockchain sẽ có sự lựa chọn khác nhau, sẽ giảm bớt một số đặc tính, thậm chí loại bỏ một số đặc tính, để đổi lấy sự cải thiện đáng kể của một số đặc tính. Ví dụ: một số lớp hai để nâng cao hiệu suất sẽ giảm bớt mức độ phi tập trung, sẽ giảm bớt độ an toàn; một số lớp hai để tăng thông lượng, như mạng Lightning, sẽ thay đổi cấu trúc hệ thống và cách thức thanh toán. Còn có một số lớp hai sẽ không giảm bớt các đặc tính cơ bản mà tăng cường một số đặc tính, chẳng hạn như cách xử lý RGB, rõ ràng tăng cường tính riêng tư và khả năng chống kiểm duyệt, nhưng làm tăng độ khó trong việc thực hiện công nghệ. Trong các trường hợp sau, chúng ta sẽ thấy sự xây dựng lớp hai đồng thời giảm bớt hoặc thay đổi một số đặc tính.

Trong đó, giảm chi phí nên là một nhu cầu cơ bản của tất cả các xây dựng lớp hai.

1.3 Tại sao cần thiết phải thiết kế phân lớp?

Thiết kế phân lớp là một phương pháp và lý thuyết giúp con người xử lý các hệ thống phức tạp, thông qua việc chia hệ thống thành nhiều cấu trúc lớp và xác định mối quan hệ cũng như chức năng giữa các lớp, nhằm đạt được tính mô-đun, khả năng bảo trì và khả năng mở rộng của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu quả thiết kế và độ tin cậy của hệ thống.

Đối với một hệ thống giao thức rộng lớn và đồ sộ, việc sử dụng phân lớp sẽ mang lại những lợi ích rõ ràng. Điều này giúp mọi người dễ hiểu, dễ dàng phân công thực hiện và dễ dàng cải tiến theo mô-đun. Giống như thiết kế mô hình bảy lớp ISO/OSI trong mạng máy tính, nhưng trong việc triển khai cụ thể, có thể hợp nhất một số lớp, ví dụ, giao thức mạng cụ thể TCP/IP là giao thức bốn lớp.

Cụ thể nói về ưu điểm của việc phân lớp giao thức:

1.Các cấp độ giữa chúng là độc lập. Một cấp độ không cần biết cách thực hiện của cấp độ tiếp theo, mà chỉ cần biết dịch vụ mà cấp độ đó cung cấp thông qua giao diện giữa các cấp. Như vậy, độ phức tạp của toàn bộ vấn đề giảm xuống. Nói cách khác, cách thức làm việc của cấp độ trước không ảnh hưởng đến công việc của cấp độ tiếp theo, do đó khi thiết kế công việc cho mỗi cấp độ, chỉ cần đảm bảo giao diện không thay đổi, có thể điều chỉnh cách thức làm việc trong cấp độ một cách tự do.

2.Tính linh hoạt tốt. Khi bất kỳ lớp nào xảy ra thay đổi, chỉ cần mối quan hệ giao diện giữa các lớp giữ nguyên, thì các lớp trên hoặc dưới lớp đó đều không bị ảnh hưởng. Khi một lớp xuất hiện đổi mới công nghệ hoặc một lớp gặp vấn đề trong quá trình làm việc thì sẽ không ảnh hưởng đến công việc của các lớp khác, việc loại trừ vấn đề cũng chỉ cần xem xét vấn đề của lớp đó một cách riêng biệt.

3.Có thể phân chia về cấu trúc. Mỗi lớp có thể áp dụng công nghệ phù hợp nhất để thực hiện. Sự phát triển của công nghệ thường không đối xứng, việc phân chia theo cấp độ hiệu quả tránh được hiệu ứng thùng gỗ, không bị ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc tổng thể do sự không hoàn thiện của một phương diện công nghệ nào đó.

4.Dễ dàng triển khai và bảo trì. Cấu trúc này giúp việc triển khai và gỡ lỗi một hệ thống lớn và phức tạp trở nên dễ dàng hơn, vì toàn bộ hệ thống đã được phân chia thành một số tiểu hệ thống tương đối độc lập. Trong quá trình gỡ lỗi và bảo trì, có thể gỡ lỗi từng lớp một cách riêng biệt, tránh tình trạng không tìm thấy hoặc giải quyết sai vấn đề.

5.Có thể thúc đẩy công việc tiêu chuẩn hóa. Bởi vì mỗi lớp chức năng và dịch vụ mà nó cung cấp đã được mô tả chính xác. Lợi ích của việc tiêu chuẩn hóa là có thể thay thế bất kỳ lớp nào trong đó một cách tự do, rất thuận tiện cho việc sử dụng và nghiên cứu.

Ý tưởng thiết kế mô-đun phân lớp là phương pháp xử lý phổ biến trong lĩnh vực công nghệ đối với một chức năng lớn, yêu cầu sự hợp tác của nhiều người, và là dự án kỹ thuật cần cải tiến liên tục, và đây là phương pháp đã được kiểm nghiệm qua thực tiễn, có hiệu quả.

2. Một số ý tưởng xây dựng Layer2 của Bitcoin

Chúng tôi lấy việc xây dựng lớp hai của Bitcoin làm ví dụ, thực hiện phân tích liên quan. Lớp hai của Bitcoin có ba hướng xây dựng lớp hai nổi bật:

(1) Một loại là lộ trình mở rộng dựa trên chuỗi, tương tự như lớp hai của EVM, là cấu trúc blockchain;

(2) Một loại dựa trên lộ trình phân tán, với mạng lưới Lightning là đại diện, là cấu trúc phân tán.

(3) Còn có một loại là tuyến đường dựa trên hệ thống tập trung, với chỉ mục tập trung làm đại diện, là cấu trúc tập trung.

Hai phương pháp đầu tiên đều có những đặc điểm riêng, đã có một số sản phẩm đang sử dụng và một số sản phẩm đang trong quá trình khám phá. Đối với phương pháp đầu tiên, nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của Ethereum và những khám phá về các chuỗi mô phỏng Bitcoin khác, việc mở rộng lớp thứ hai dựa trên chuỗi tương đối dễ dàng hơn, có nhiều trường hợp tham khảo hơn. Phương pháp thứ hai dựa trên phân phối thường khó khăn hơn, sự phát triển cũng chậm hơn, với mạng Lightning là đại diện. Phương pháp thứ ba rất gây tranh cãi, vì nó không giống như một công trình lớp thứ hai, nhưng dường như lại hoàn thành chức năng của một công trình lớp thứ hai.

Giải pháp xây dựng lớp hai nào tốt hơn? Chúng ta sử dụng một kết quả kiểm tra thị trường làm tiêu chuẩn đo lường, mạng lớp hai nào có tổng giá trị khóa (TVL) ( Total Value Locked ) cao hơn, thì giải pháp đó là giải pháp tối ưu. Theo thời gian và sự phát triển công nghệ, giải pháp tối ưu này sẽ là một quá trình thay đổi.

Đối với định nghĩa mạng lớp hai của Bitcoin, chỉ cần dựa vào mạng Bitcoin và thiết lập mối liên hệ công nghệ với mạng Bitcoin, một số đặc điểm lại ưu việt hơn mạng lớp một của Bitcoin, đều được coi là xây dựng mạng lớp hai của Bitcoin. Nói cách khác: chỉ cần tiêu tốn BTC làm gas, lấy BTC làm tài sản nền tảng, mở rộng hiệu suất của Bitcoin thì hệ thống đó đều được coi là xây dựng lớp hai. Dựa trên đánh giá này, chúng ta nên công nhận loại hình xây dựng lớp hai thứ ba, tức là xây dựng lớp hai có cấu trúc tập trung.

Sự phát triển công nghệ của Bitcoin, như sửa đổi OP_RETURN, Taproot, chữ ký Schnorr, MAST, Tapscript, đều nên được thiết kế để kết nối lớp một và lớp hai, không nên sử dụng quá nhiều những công nghệ này để phát triển chức năng, vì mạng lớp một dù có mở rộng thế nào cũng sẽ không có sự đột phá chất lượng, cần phải tiến hành xây dựng lớp hai. Nhưng trong trường hợp chưa có sản phẩm lớp hai Bitcoin tốt hơn, khả năng kết nối lớp một và lớp hai này sẽ bị sử dụng quá mức trong một khoảng thời gian.

2.1 Xây dựng lớp thứ hai dựa trên chuỗi

Các chuỗi mô phỏng Bitcoin thời kỳ đầu đã thực hiện nhiều khám phá, như "Colorcoin"( đồng màu), "CovertCoins" và "MasterCoin"; các chuỗi mô phỏng Bitcoin mở rộng khác nhau, như BCH(Bitcoin Cash), BSV(Bitcoin SV), BTG(Bitcoin Gold); các công nghệ sidechain khác nhau đều dựa trên các trường hợp xây dựng mở rộng của chuỗi, có thể nói là một loại lớp hai theo nghĩa rộng.

Bao gồm Ethereum, cũng là một loại khám phá cải tiến dựa trên Bitcoin. Vitalik đã không thành công trong việc thuyết phục các đội dự án khác về sự không hoàn hảo của Bitcoin.