Phân tích độ sâu mở rộng off-chain

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Tầm nhìn tương lai của blockchain là đạt được sự phi tập trung, an toàn và khả năng mở rộng, nhưng thường chỉ có thể đáp ứng đồng thời hai trong số 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 trong khi đảm bảo sự phi tập trung và an toàn, tức là giải quyết vấn đề mở rộng.

Định nghĩa về tính phi tập trung, an ninh và khả năng mở rộng của blockchain như sau:

• Phi tập trung: bất kỳ ai cũng có thể tham gia vào sản xuất và xác thực hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều, mức độ phi tập trung càng cao.
• An ninh: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, an ninh càng cao, có thể chống lại tỷ lệ tấn công lớn.
• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain trong việc xử lý một lượng lớn giao dịch.

Bitcoin và Ethereum đều chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo an ninh và tính phi tập trung của mạng. Tuy nhiên, với sự gia tăng của các ứng dụng trên chuỗi, nhu cầu về thông lượng trên thị trường ngày càng tăng, dẫn đến chi phí giao dịch gia tăng, thời gian thanh toán kéo dài, và hầu hết các DApps gặp khó khăn trong việc chịu đựng chi phí hoạt động. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: tăng tốc độ giao dịch và thông lượng của mạng blockchain mà không hy sinh tính phi tập trung và an ninh.

2. Các loại giải pháp mở rộng

Giải pháp mở rộng có thể được chia thành hai loại lớn là mở rộng trên chuỗi và mở rộng off-chain dựa trên "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 đoạn.

Các giải pháp mở rộng trên chuỗi chính bao gồm:

1. Mở rộng không gian khối, tăng số lượng giao dịch được đóng gói trong mỗi khối, nhưng sẽ tăng yêu cầu đối với nút, giảm mức độ phi tập trung.

2. Phân mảnh, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, do các nút khác nhau chịu trách nhiệm ghi chép khác nhau, có thể giảm áp lực cho các nút, tăng tốc độ xử lý giao dịch và mức độ phi tập trung, nhưng sẽ làm giảm tính an toàn của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi một lớp giao thức mạng chính có thể gây ra những tác động tiêu cực khó lường, bất kỳ lỗ hổng bảo mật nhỏ nào ở lớp nền cũng sẽ đe dọa nghiêm trọng đến tính an toàn của toàn bộ mạng.

2.2 mở rộng off-chain

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: bao gồm kênh trạng thái, chuỗi bên, Plasma, Rollups, v.v.
• Các phương án khác: bao gồm Validium và các phương án 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 mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp kênh, và thực hiện sự tương tác giữa người dùng với nhau ở độ sâu off-chain, nhằm giảm thời gian và chi phí giao dịch, đồng thời đạt được số lần giao dịch không bị hạn chế.

Kênh trạng thái là giao thức P2P đơn giản, phù hợp với "các ứng dụng dựa trên lượt", 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 phân xử tranh chấp giữa các bên tham gia.

3.1.2 Thời gian

• 2015/02: Joseph Poon và Thaddeus Dryja phát hành bản thảo whitepaper về mạng lưới Lightning.
• 2015/11: Jeff Coleman lần đầu tiên hệ thống hóa khái niệm State Channel.
• 2016/01: Joseph Poon và Thaddeus Dryja chính thức công bố sách trắng mạng lưới ánh sáng Bitcoin.
• 2017/11: Đề xuất quy chuẩn thiết kế State Channel đầu tiên dựa trên khung Payment Channel Sprites.
• 2018/06: Counterfactual đề xuất thiết kế Kênh Trạng thái Tổng quát chi tiết.
• 2018/10: Đề xuất khái niệm Mạng Kênh Trạng Thái và Kênh Ảo.
• 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 mở rộng khái niệm Watchtowers, giải quyết vấn đề người tham gia cần phải online liên tục.
• 2020/03: Hydra đã đề xuất Kênh Isomorphic Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Quy trình làm việc của kênh trạng thái như sau:

1. Người dùng gửi tiền vào hợp đồng thông minh trên mạng chính để mở kênh.
2. Người dùng 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. Khi đóng kênh, người dùng gửi trạng thái cuối cùng cho hợp đồng. Nếu cả hai bên ký xác nhận, hợp đồng sẽ phân phối quỹ theo trạng thái cuối cùng; nếu có tranh chấp, cần chờ đến khi kết thúc thời gian thách thức.

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận ngay lập tức
• Phí giao dịch thấp
• Độ riêng tư cao
• Phù hợp cho các giao dịch nhỏ thường xuyên

Nhược điểm:

• Cần khóa trước tiền vốn
• Không áp dụng cho giao dịch nhiều bên
• Người tham gia cần phải trực tuyến liên tục
• Khi đóng kênh cần chờ thời gian thách thức

3.1.5 Ứng dụng

Các ứng dụng chính bao gồm:

1. Mạng lưới Lightning Bitcoin: Kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin, cho phép giao dịch nhanh chóng với chi phí thấp.

2. Mạng Lightning Ethereum: Kênh thanh toán nhỏ dựa trên Ethereum, mục tiêu là thực hiện thanh toán token ERC20 ngay lập tức, chi phí thấp và có thể mở rộng.

3. Celer Network: Tăng cường lớp khuyến khích của mạng lưới chớp, phù hợp với các DApps loại tương tác tần suất cao.

3.1.6 So sánh ứng dụng

Mạng lưới Bitcoin Lightning, Mạng lưới Ethereum Lightning và Celer Network có sự khác biệt nhất định trong việc triển khai công nghệ, tình huống ứng dụng và phát triển hệ sinh thái. Mạng lưới Bitcoin Lightning chủ yếu được sử dụng cho thanh toán Bitcoin, Mạng lưới Lightning được sử dụng cho thanh toán token Ethereum, trong khi Celer Network có phạm vi áp dụng rộng hơn.

3.2 Sidechains

3.2.1 Tóm tắt

Chuỗi bên là hình thức blockchain xuất hiện để tăng tốc giao dịch trên chuỗi chính, có thể sử dụng hợp đồng phức tạp hơn hoặc cải thiện cơ chế đồng thuận. Kết quả giao dịch của chuỗi bên cuối cùng sẽ được ghi lại tại đầu cuối của người xác minh chuỗi chính.

3.2.2 Dòng thời gian

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

3.2.3 Nguyên lý kỹ thuật

Có hai cách chính mà sidechain giao tiếp với mainchain:

1. Neo định giá hai chiều ( Symmetric Pegged ): Các xác thực của chuỗi chính và chuỗi phụ ghi lại thông tin tiêu đề khối của nhau theo thời gian thực.

2. Không phối hợp neo ( Pegged không đối xứng ): Các xác thực chuỗi phụ giám sát hoạt động của chuỗi chính, nhưng chuỗi chính không ghi lại thông tin chuỗi phụ. Cần giới thiệu cơ chế Chứng nhận để xác thực các giao dịch được chuỗi phụ gửi lại.

Tóm tắt cơ chế sidechain:

• Tài sản từ chuỗi chính đến chuỗi phụ: chuỗi chính khóa tài sản, chuỗi phụ tạo ra tài sản được đóng gói
• Tài sản từ sidechain đến mainchain: sidechain tiêu hủy tài sản đóng gói, mainchain mở khóa tài sản

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

3.2.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Khả năng thông qua giao dịch cao hơn
• Phí giao dịch thấp hơn
• Các tình huống ứng dụng linh hoạt
• Không ảnh hưởng đến tính an toàn của chuỗi chính

Nhược điểm:

• Giả định tin cậy bổ sung
• Cầu cross-chain có thể có rủi ro về an ninh
• Phân tán thanh khoản

3.2.5 Ứng dụng

Các ứng dụng chính bao gồm:

1. xDai( hiện Gnosis Chain): sử dụng $xDai làm phí giao dịch, áp dụng cơ chế đồng thuận PoSDAO.

2. Polygon: Giải pháp mở rộng Ethereum, cung cấp chuỗi bên PoS và chuỗi Plasma.

3. Ronin: chuỗi phụ được phát triển cho trò chơi Axie Infinity, sử dụng cơ chế đồng thuận PoA.

3.2.6 So sánh ứng dụng

xDai, Polygon và Ronin có sự khác biệt trong cơ chế đồng thuận, ứng dụng và phát triển hệ sinh thái. xDai chủ yếu được sử dụng để thanh toán, Polygon là giải pháp mở rộng đa chức năng, Ronin tập trung vào ứng dụng trò chơi.

3.3 Plasma

3.3.1 Tóm tắt

Plasma là một khung xây dựng DApp có thể mở rộng, nhằm giảm thiểu sự tin tưởng của người dùng vào các Operator chuỗi bên. Ngay cả khi Operator làm điều xấu, Plasma cũng có thể ngăn chặn việc người dùng bị đánh cắp tài sản.

3.3.2 Thời gian

• 2017/08: Vitalik và Joseph Poon đã đề xuất tài liệu trắng Plasma
• 2018/01: Đề xuất Plasma MVP
• 2018/03: Đề xuất Plasma Cash
• 2018/06: Đề xuất Plasma Debit
• 2018/11: Đề xuất Plasma Prime
• Từ năm 2019: Cộng đồng Ethereum bắt đầu khám phá giải pháp Rollups

3.3.3 Nguyên lý kỹ thuật

Ý tưởng cốt lõi của Plasma:

• off-chain thực thi: Hầu hết công việc được xử lý bên ngoài mạng chính
• Cam kết trạng thái: Operator định kỳ gửi Merkle Root trên mạng chính
• Cơ chế rút tiền: Người dùng có thể rút tiền qua Merkle Proof

Quy trình chính của Plasma:

1. Người dùng gửi tiền vào mạng chính
2. Người dùng giao dịch trên chuỗi Plasma
3. Operator đóng gói giao dịch, gửi Merkle Root lên mạng chính
4. Người dùng có thể rời khỏi chuỗi Plasma thông qua Merkle Proof

3.3.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Khả năng thông lượng cao
• Phí giao dịch thấp
• Kế thừa tính bảo mật của mạng chính

Nhược điểm:

• Cơ chế thoát phức tạp
• Vấn đề khả dụng dữ liệu
• Sự rút lui quy mô lớn có thể dẫn đến tắc nghẽn
• Chức năng hợp đồng thông minh hạn chế

3.3.5 Ứng dụng

Các ứng dụng chính bao gồm:

1. Plasma Group: đã chuyển đổi thành Optimism, tập trung nghiên cứu Optimistic Rollup

2. OMG Network: sau đó được đổi tên thành Boba Network, chuyển sang giải pháp Optimistic Rollup

3. Polygon: cung cấp chuỗi Plasma, sau đó trọng tâm chuyển sang công nghệ Rollup

3.3.6 Tóm tắt

Plasma là một giải pháp công nghệ chuyển tiếp, do hạn chế kỹ thuật, chưa được áp dụng rộng rãi. Hầu hết các dự án đã chuyển sang giải pháp Rollup.

3.4 Rollups

3.4.1 Tóm tắt

Ý tưởng cốt lõi của Rollups là đưa tính toán và lưu trữ trạng thái vào off-chain, trong khi lưu trữ cam kết trạng thái và dữ liệu giao dịch nén trên chuỗi. Chủ yếu được chia thành hai loại: Optimistic Rollups và ZK Rollups.

3.4.2 Nguyên lý kỹ thuật

Các đặc điểm kỹ thuật chính của Rollups:

• off-chain ảo: hoàn thành tính toán giao dịch và thay đổi trạng thái
• Nén giao dịch: giảm lượng dữ liệu lưu trữ trên chuỗi
• Cam kết trạng thái: Định kỳ gửi trạng thái gốc trên mạng chính
• Khả năng dữ liệu: Dữ liệu giao dịch được lưu trữ trong calldata của mạng chính

Chi phí giao dịch Rollups = Chi phí lưu trữ dữ liệu L1 + Chi phí xử lý tính toán L2

3.4.3 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Khả năng thông qua cao
• Phí giao dịch thấp
• Kế thừa tính bảo mật của mạng chính
• Đi tín nhiệm

Nhược điểm:

• Trễ rút tiền