Phân tích độ sâu mở rộng off-chain

Tác giả: Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Tương lai của blockchain là một tầm nhìn vĩ đại: phi tập trung, an ninh và khả năng mở rộng; nhưng thường thì blockchain chỉ có thể thực hiện hai trong số ba điều này, và việc đáp ứng cả ba yêu cầu này được gọi là vấn đề tam giác bất khả thi của blockchain. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách giải quyết vấn đề này, làm thế nào để nâng cao khả năng thông qua và tốc độ giao dịch của blockchain trong khi đảm bảo tính phi tập trung và an ninh, tức là giải quyết vấn đề mở rộng, là một trong những chủ đề nóng được thảo luận trong quá trình phát triển blockchain hiện tại.

Hãy để chúng ta định nghĩa một cách tổng quát về tính 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 việc sản xuất và xác thực hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều thì mức độ phi tập trung càng cao, từ đó đảm bảo rằng mạng không bị kiểm soát bởi một nhóm nhỏ các tham gia tập trung lớn.
• An toàn: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, thì độ an toàn càng cao, vì vậy chuỗi có thể chống lại một tỷ lệ lớn người tham gia tấn công nó.
• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain để xử lý một lượng lớn giao dịch.

Sự phân tách cứng lớn đầu tiên của mạng Bitcoin bắt nguồn từ vấn đề mở rộng. Khi số lượng người dùng và khối lượng giao dịch của Bitcoin tăng lên, mạng Bitcoin với giới hạn mỗi khối là 1MB bắt đầu phải đối mặt với vấn đề tắc nghẽn; từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã tồn tại sự khác biệt về vấn đề mở rộng, một bên là nhóm ủng hộ mở rộng khối với đại diện là Bitcoin ABC, bên kia là nhóm nhỏ khối với đại diện là Bitcoin Core, 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 tự phát triển hệ thống khách hàng lên đến 8MB bắt đầu hoạt động, dẫn đến sự xuất hiện của phân tách cứng lớn đầu tiên trong lịch sử Bitcoin, đồng thời cũng từ đó sinh ra đồng tiền mới BCH.

Tương tự, mạng 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 mạng Ethereum không giống như mạng Bitcoin giới hạn khối lượng giao dịch bằng cách hạn chế kích thước khối, mà thực chất đã chuyển sang đặt giới hạn cho phí nhiên liệu có thể chứa trong một khối duy nhất, nhưng mục đích vẫn là để đạt được Trustless Consensus và đảm bảo sự phân bố rộng rãi của các nút. ( Dù có hủy bỏ hay nâng cao giới hạn cũng sẽ loại bỏ nhiều nút nhỏ không đủ băng thông, lưu trữ và tính toán. ).

Từ CryptoKitties năm 2017, mùa hè DeFi, cho 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 ngay cả Ethereum, với khả năng tính toán Turing hoàn chỉnh, cũng chỉ có thể xử lý 15~45 giao dịch mỗi giây (TPS), điều này dẫn đến chi phí giao dịch ngày càng tăng, thời gian thanh toán kéo dài, phần lớn Dapps khó có thể chịu đựng được chi phí vận hành, toàn bộ mạng đối với người dùng cũng trở nên chậm và đắt đỏ, vấn đề mở rộng chuỗi khối cần phải được giải quyết ngay. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: không hy sinh sự phi tập trung và an toàn, mà còn có thể tối đa hóa tốc độ giao dịch của mạng chuỗi khối (thời gian hoàn tất ngắn hơn) và độ sâu giao dịch(TPS cao hơn).

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 off-chain theo tiêu chuẩn "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 giải pháp, bài viết này sẽ không mở rộng, dưới đây là hai giải pháp được liệt kê ngắn gọn:

• Giải pháp một là mở rộng không gian khối, tức là tăng số lượng giao dịch được đóng gói trong mỗi khối, nhưng điều này sẽ nâng cao yêu cầu đối với thiết bị nút hiệu suất cao, tăng ngưỡng gia nhập của nút, giảm mức độ "phi tập trung".
• Giải pháp thứ hai là phân đoạn, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, không còn là mỗi nút tham gia vào tất cả việc ghi chép, mà là các phân đoạn khác nhau tức là các nút khác nhau chịu trách nhiệm ghi chép khác nhau, tính toán song song có thể xử lý nhiều giao dịch cùng một lúc; điều này có thể giảm áp lực tính toán cho các nút và mức độ gia nhập, tăng tốc độ xử lý giao dịch và mức độ phi tập trung; nhưng điều này có nghĩa là sức mạnh tính toán toàn mạng bị phân tán, sẽ giảm "tính an toàn" của toàn bộ mạng.

Việc thay đổi mã của giao thức mạng chính có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực khó lường, vì bất kỳ lỗ hổng bảo mật nào nhỏ nhất ở cấp độ cơ sở đều có thể đe dọa nghiêm trọng đến sự an toàn của toàn bộ mạng, và mạng có thể buộc phải phân nhánh hoặc ngừng hoạt động để sửa chữa và nâng cấp. Ví dụ, sự cố lạm phát 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 nguồn 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, và chỉ công bố sự cố này sau khi lỗ hổng đã 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 tại.

Giải pháp mở rộng off-chain có thể được chia thành Layer2 và các giải pháp 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 tương tác giữa người dùng với người dùng ở chế độ off-chain, nhằm giảm thiểu thời gian và chi phí giao dịch của người dùng, đồng thời cho phép 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 giữa 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 giữa các bên tham gia ngoài chuỗi ( miễn là giá trị ròng chuyển khoản của họ không vượt quá tổng số token đã gửi ). Các bên tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái cho nhau, chờ xác nhận chữ ký từ bên kia. Khi bên kia ký xác nhận, cập nhật trạng thái này được coi là hoàn thành. Thông thường, cập nhật trạng thái được cả hai bên đồng ý sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ trong trường hợp xảy ra tranh chấp hoặc khi đóng kênh thì mới phụ thuộc vào xác nhận của mạng chính. 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 thoát nhận được sự chấp thuận chữ ký đồng thuận từ tất cả mọi người, 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 chấp thuận chữ ký, thì tất cả mọi người sẽ phải chờ đến khi kết thúc "thời gian thách thức" để nhận số tiền còn lại.

Tóm lại, giải pháp 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 Thời gian

• 2015/02, Joseph Poon và Thaddeus Dryja đã phát hành dự thảo whitepaper của mạng lưới Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman đã lần đầu tiên tổng hợp một cách hệ thống khái niệm State Channel, đưa ra 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 tài liệu trắng "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" đề xuất giải pháp mở rộng của mạng lưới Bitcoin là Payment Channel( kênh thanh toán), giải pháp này chỉ được sử dụng để xử lý các khoản thanh toán chuyển tiền trên mạng Bitcoin.
• 2017/11, tiêu chuẩn thiết kế đầu tiên về State Channel dựa trên khung Payment Channel, Sprites, đã được đề xuất.
• 2018/06, Counterfactual đã đề xuất một thiết kế Generalized State Channels 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 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 đó.
• 2019/10, Pisa đã mở rộng khái niệm Watchtowers để giải quyết vấn đề tất cả các bên tham gia cần phải trực tuyến liên tục.
• 2020/03, Hydra đề xuất Kênh Isomorphic Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Quy trình làm việc chung của kênh trạng thái như sau:

1. Alice và Bob thông qua việc gửi tiền từ EOA cá nhân của họ vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi, số tiền này được khóa trong hợp đồng cho đến khi kênh đóng, lúc đó số dư mới được trả lại cho người dùng; sau khi cả hai ký xác nhận, kênh trạng thái chính thức được mở giữa hai người.

2. Alice và Bob có thể thực hiện giao dịch không giới hạn số lần trên off-chain thông qua kênh này, các bên tham gia giao tiếp với nhau thông qua tin nhắn ký mật mã ( thay vì giao tiếp với mạng blockchain ). Cả hai người dùng đều cần ký cho mỗi giao dịch để ngăn chặn hành vi chi tiêu gấp đôi. Thông qua những tin nhắn 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 với Bob, Alice cần gửi trạng thái cuối cùng của tài khoản mình cho hợp đồng, nếu Bob ký phê duyệt, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền bị khóa trả lại cho người dùng tương ứng dựa trên trạng thái cuối cùng. Nếu Bob không phản hồi ký tên, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền bị khóa trả lại cho người dùng tương ứng sau khi kết thúc thời gian thách thức.

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Tốc độ giao dịch nhanh, gần như xác nhận ngay lập tức
• Phí giao dịch cực thấp
• Khả năng thông lượng cao, số lượng giao dịch không giới hạn về lý thuyết
• Độ sâu tốt, chỉ có trạng thái cuối cùng lên chuỗi

Nhược điểm:

• Cần khóa tiền
• Tất cả người tham gia cần phải trực tuyến liên tục
• Dung lượng kênh hạn chế
• Việc thiết lập và đóng kênh sẽ tốn phí giao dịch.
• Hợp đồng thông minh phức tạp khó thực hiện
• Vấn đề thanh khoản

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin

Tổng quan: Lightning Network là một kênh thanh toán vi mô của mạng Bitcoin và kinh nghiệm phát triển kỹ thuật tổng thể của nó: 2/2 đa chữ ký để xây dựng kênh thanh toán một chiều, xây dựng kênh thanh toán hai chiều sau khi thêm RSMC, sau đó kết nối kênh thanh toán để mở rộng sang thanh toán nhiều người sau khi thêm HTLC và cuối cùng là xây dựng mạng thanh toán là Lightning Network. Thông qua kênh thanh toán vi mô off-chain, và sau đó với sự trợ giúp của các bên trung gian để hình thành một mạng lưới giao dịch, vấn đề mở rộng mạng Bitcoin có thể được giải quyết. Việc sử dụng tổng thể Lightning Network tuân theo quy trình "gửi tiền ( thiết lập kênh )→ giao dịch Lightning Network ( cập nhật trạng thái kênh )→ hoàn tiền/thanh toán ( đóng ) kênh"; Về mặt lý thuyết, Lightning Network 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 whitepaper mạng lưới ánh sáng.
• Tháng 1 năm 2016 phát hành phiên bản chính thức của sách 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, dung lượng công cộng của Lightning Network (TVL) chỉ khoảng 40 triệu USD, khoảng chưa đến 100.000 người dùng sử dụng Lightning Network.
• Tháng 6 năm 2021, El Salvador đã tuyên bố áp dụng Bitcoin làm tiền tệ hợp pháp, tháng 9 phát hành ví Chivo dựa trên mạng Lightning.
• Năm 2022, Cash App và 26 sàn giao dịch tiền điện tử bao gồm OKX, Kraken, Bitfinex đã công bố hỗ trợ mạng lưới Lightning, giúp thực hiện chức năng nạp, rút và chuyển BTC ngay lập tức và với chi phí thấp.
• Tháng 10 năm 2022, Lightning Labs đã phát hành giao thức mới dựa trên Taproot - Taro protocol( phiên bản alpha), hiện đang được thử nghiệm trên mạng thử nghiệm, trong tương lai sẽ có thể được sử dụng để đúc, gửi và nhận tài sản trên mạng Bitcoin, và thông qua mạng Lightning.