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 có thể mở rộng, nhưng thường chỉ có thể đạt được hai trong ba điều này, đó là vấn đề tam giác không thể của blockchain. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách nâng cao lưu lượng và tốc độ giao dịch của blockchain trong khi vẫn đảm bảo tính phi tập trung và an toàn, tức là giải quyết vấn đề mở rộng.

Hãy để chúng ta định nghĩa sự phi tập trung, an ninh và khả năng mở rộng của blockchain:

• 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 ninh: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, an ninh càng cao, chuỗi có thể chống lại các cuộc tấn công của một tỷ lệ người tham gia lớn.
• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain để xử lý một lượng lớn giao dịch.

Lần phân tách cứng lớn 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 khối 1MB bắt đầu đối mặt với vấn đề tắc nghẽn. Từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có sự khác biệt về vấn đề mở rộng, cuối cùng dẫn đến lần phân tách cứng lớn đầu tiên trong lịch sử Bitcoin vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, tạo ra đồng tiền mới BCH.

Tương tự, mạng lưới Ethereum cũng chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo an ninh và tính phi tập trung của mạng. Mặc dù Ethereum không giới hạn kích thước khối như Bitcoin, nhưng việc đặt giới hạn cho phí nhiên liệu có thể chứa trong một khối cụ thể là nhằm mục đích đạt được Trustless Consensus và đảm bảo sự phân phối rộng rãi của các nút.

Từ CryptoKitties vào năm 2017, mùa hè DeFi, đến sự trỗi dậy của các ứng dụng trên chuỗi như GameFi và NFT, nhu cầu về độ sâu của thị trường ngày càng tăng, nhưng Ethereum vẫn chỉ có thể xử lý 15-45 giao dịch mỗi giây. Điều này dẫn đến việc tăng chi phí giao dịch, thời gian thanh toán kéo dài, khiến hầu hết các DApps khó có thể chịu đựng chi phí vận hành, toàn bộ mạng trở nên chậm chạp 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: nâng cao tốc độ giao dịch và độ sâu của mạng càng nhiều càng tốt mà không hy sinh sự phi tập trung và an toàn.

2. Các loại giải pháp mở rộng

Chúng tôi phân loại các phương án mở rộng thành hai loại lớn là mở rộng trên chuỗi và mở rộng ngoài chuỗi dựa trên 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, hiện tại giải pháp chính là phân đoạn.

Mở rộng trên chuỗi có nhiều phương án, bài viết này không trình bày chi tiết, chỉ liệt kê ngắn gọn hai loại:

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

• Giải pháp thứ hai là phân mảnh, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, do các nút khác nhau phụ trách ghi chép khác nhau. Điều này có thể giảm áp lực tính toán của các nút và ngưỡng gia nhập, cải thiện tốc độ xử lý giao dịch và mức độ phi tập trung; nhưng có nghĩa là sức mạnh tính toán toàn mạng bị phân tán, sẽ giảm "độ an toàn" của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi một lớp 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 tầng dưới đều có thể đe dọa nghiêm trọng đến an ninh của toàn mạng.

2.2 off-chain mở rộng

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

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

• Layer2: Mạng lớp thứ hai được xây dựng trên chuỗi chính
• Sidechain: chuỗi khối độc lập, hoạt động song song với chuỗi chính
• Plasma: một loại sidechain đặc biệt
• Validium: Giải pháp mở rộng khả năng sử dụng dữ liệu ở độ sâu off-chain

3. Giải pháp mở rộng off-chain

Kênh trạng thái 3.1

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, đặt các tương tác giữa người dùng ở chế độ off-chain để giảm thiểu thời gian và chi phí giao dịch, và đạt được số lượng giao dịch không 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 các cập nhật trạng thái và trọng tài tranh chấp giữa các bên tham gia. Sau khi các bên tham gia triển khai hợp đồng trên mạng, họ gửi 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 off-chain miễn phí không giới hạn số lần ( miễn là giá trị chuyển nhượng ròng không vượt quá tổng số token đã gửi ). Các bên tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái cho nhau, chờ ký xác nhận từ bên kia. 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 thì mới phụ thuộc vào mạng chính để xác nhận. Khi đóng kênh, bất kỳ bên tham gia nào cũng có thể gửi yêu cầu giao dịch trên mạng chính, nếu nhận được sự chấp thuận ký của tất cả mọi người thì sẽ được thực hiện ngay lập tức; nếu không thì phải chờ kết thúc "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 bản nháp white paper về mạng Lightning.
• 2015/11: Jeff Coleman lần đầu tiên hệ thống hóa khái niệm State Channel, đề xuất Payment Channel của Bitcoin là một trường hợp con của State Channel.
• 2016/01: Joseph Poon và Thaddeus Dryja chính thức công bố sách trắng mạng lưới ánh sáng, đề xuất giải pháp mở rộng mạng lưới Bitcoin thông qua Kênh Thanh toán.
• 2017/11: Quy chuẩn thiết kế State Channel đầu tiên dựa trên khung Payment Channel, Sprites, được đưa ra.
• 2018/06: Counterfactual đã đưa ra thiết kế chi tiết của Kênh Trạng thái Tổng quát.
• 2018/10: Mạng Kênh Trạng Thái Tổng Quát đã đưa ra khái niệm Mạng Kênh Trạng Thái và Kênh Ảo.
• 2019/02: Khái niệm kênh trạng thái được mở rộng đến Kênh N-Party, 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 trực tuyến 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:

1. Alice và Bob thông qua việc gửi tiền từ EOA cá nhân vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi, số tiền này được khóa trong hợp đồng. Sau khi cả hai ký xác nhận, kênh trạng thái chính thức được mở.

2. Alice và Bob có thể thực hiện giao dịch không giới hạn số lần trên off-chain, thông qua việc ký các thông điệp mã hóa để giao tiếp với nhau. Cả hai bên đều cần ký cho mỗi giao dịch, để ngăn chặn hành vi gian lận double-spending. Thông qua những thông điệp này, họ đề xuất cập nhật trạng thái tài khoản của mình và chấp nhận các cập nhật trạng thái mà bên kia đề xuất.

3. Nếu Alice muốn đóng kênh kết thúc giao dịch, cần gửi trạng thái cuối cùng của tài khoản mình đến hợp đồng. Nếu Bob ký phê duyệt, hợp đồng sẽ dựa trên trạng thái cuối cùng để trả lại số tiền bị khóa cho người dùng tương ứng. Nếu Bob không phản hồi ký, hợp đồng sẽ trả lại số tiền cho người dùng tương ứng sau khi kết thúc thời gian thách thức.

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận ngay lập tức
• Khả năng thông lượng cao
• Chi phí thấp
• Tính riêng tư tốt

Nhược điểm:

• Cần khóa vốn
• Người tham gia cần trực tuyến liên tục
• Khó xử lý giao dịch đa bên
• Không phù hợp với hợp đồng thông minh phức tạp
• Rủi ro tập trung hóa
• Trải nghiệm người dùng kém

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới Bitcoin Lightning:

• Kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin, thông qua các kênh thanh toán nhỏ off-chain và trung gian tạo thành mạng giao dịch, giải quyết vấn đề mở rộng mạng Bitcoin.
• Bản dự thảo white paper được phát hành vào tháng 2 năm 2015, phiên bản mainnet được phát hành vào tháng 3 năm 2018.
• Đến tháng 11 năm 2022, mạng Lightning có tổng cộng 76,236 kênh thanh toán, với số vốn kênh là 5049 BTC.
• Hệ sinh thái bao gồm hơn 100 ứng dụng như thanh toán, ví, quản lý nút, mở rộng trình duyệt.

Mạng điện báo Ethereum:

• Kênh thanh toán nhỏ dựa trên Ethereum, tương tự như mạng Lightning.
• Thành lập năm 2017, tháng 5 năm 2020 ra mắt phiên bản chính thức đầu tiên của mạng chính.
• Hiện tại chưa được áp dụng rộng rãi, lý do bao gồm ngưỡng sử dụng cao, sự xuất hiện của các công nghệ mở rộng tiên tiến hơn.

Mạng lưới Celer:

• Về bản chất, đây là một mạng lưới ánh sáng được tăng cường với lớp khuyến khích.
• Thành lập năm 2018, tháng 7 năm 2019 mạng chính Ethereum ra mắt.
• Đã chuyển đổi thành nền tảng tổng hợp mở rộng L2 hỗ trợ đa chuỗi, ra mắt các sản phẩm như giao thức DeFi Layer2.finance, giao thức thông tin đa chuỗi Celer IM và cầu nối tài sản cBridge.

3.2 Chuỗi phụ

3.2.1 Tóm tắt

Khái niệm về chuỗi bên được đưa ra lần đầu tiên vào năm 2012, là một hình thái blockchain xuất hiện nhằm tăng tốc độ giao dịch Bitcoin. Chuỗi bên có thể sử dụng các hợp đồng phức tạp hơn, hoặc cải thiện cơ chế đồng thuận ( như PoS ), hoặc điều chỉnh các tham số khối để chuỗi bên phù hợp với các chức năng cụ thể. Kết quả giao dịch của chuỗi bên cuối cùng sẽ được ghi lại ở phía xác thực khi được chuyển trở lại chuỗi chính. Mô hình blockchain này không phải là hình thái blockchain mới, mà là cơ sở hạ tầng gắn liền với chuỗi chính và hỗ trợ chuỗi chính giải quyết các vấn đề.

3.2.2 Thời gian

• 2012/01: Khái niệm sidechain của Bitcoin được đưa ra trong phòng trò chuyện
• 2014/10: Bài báo về sidechain Bitcoin được công bố lần đầu: Symmetric Pegged và Asymmetric Pegged
• 2017/04: Mạng POA ra mắt mạng thử nghiệm sidechain dựa trên sự đồng thuận Proof of Authentication của Ethereum
• 2017/10:Matic Network ra mắt
• 2017/12:Mạng lưới POA chính thức ra mắt
• 2018/01: Skales thử nghiệm mạng ra mắt
• 2018/10:xDai Chain ra mắt trên mạng thử nghiệm
• 2020/06: Skale chính thức ra mắt trên mạng chính
• 2020/06: Mạng chính của chuỗi Matic PoS bên cạnh Ethereum đã được ra mắt
• 2021/02:Matic Network đổi tên thành Polygon Network
• 2021/02: Mạng chính Ronin của trò chơi Axie Infinity bắt đầu hoạt động
• 2021/12:xDai Chain đã hợp nhất với Gnosis Dao thành Gnosis Chain
• 2022/03: Mạng POA sáp nhập vào Gnosis Chain

3.2.3 Nguyên lý kỹ thuật

Nguyên lý kỹ thuật của sidechain bao gồm hai công nghệ cross-chain chính:

Gắn đối xứng:

• Các trình 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 chuyển sang chuỗi phụ, sẽ tạo ra đầu ra đặc biệt chỉ có các xác thực viên trên chuỗi phụ mới có thể mở khóa.
• Cần chờ đợi thời gian xác nhận và thời gian tranh chấp, để tránh tấn công chi tiêu gấp đôi.

Gắn kết không đối xứng:

• Các xác thực viên sidechain cần theo dõi hoạt động của chuỗi chính theo thời gian thực
• Chuyển khoản từ chuỗi chính sang chuỗi phụ ( giao dịch chuyển tiếp ) được ghi lại chủ động bởi chuỗi phụ
• Chuyển khoản từ sidechain đến mainchain ( giao dịch ngược ) cần phải đưa vào cơ chế Certifiers.
• Certifiers ghi lại thông tin quan trọng và truyền lại vào chuỗi chính thông qua chữ ký tổng hợp

Tóm tắt cơ chế chuỗi bên:

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

An toàn của tài sản trên chuỗi phụ phụ thuộc vào cơ chế đồng thuận của chuỗi phụ. Nếu ai đó tạo ra tài sản từ không khí trên chuỗi phụ, có thể có rủi ro bị đánh cắp tiền.

3.2.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Khả năng mở rộng tốt
• Tùy chỉnh cao
• Không ảnh hưởng đến sự an toàn của chuỗi chính
• Có thể thử nghiệm các tính năng mới

Nhược điểm:

• Độ sâu bảo mật yếu
• Các thao tác cross-chain phức tạp
• Phân tán thanh khoản
• Cần cơ chế khuyến khích độc lập
• Rủi ro tập trung

3.2.5 Ứng dụng

xDai( hiện Gnosis Chain):

• Ra mắt mạng chính vào tháng 9 năm 2018
• Áp dụng mô hình xác thực PoSDAO
• Sáp nhập với Gnosis DAO vào tháng 11 năm 2021
• Hiện tại TVL khoảng $53M, có 35 dự án đang diễn ra

Polygon:

• Năm 2017, Matic Network được thành lập, vào tháng 2 năm 2021 đổi tên thành Polygon
• Ra mắt mạng chính Matic PoS Chain và Matic Plasma Chain vào tháng 6 năm 2020
• Hiện tại chuyển sang giải pháp L2 toàn diện
• Sở hữu 37k+ DApp, 1.8B tổng giao dịch, 135M+ người dùng

Ronin:

• Ra mắt mainnet vào tháng 3 năm 2021, chuyên