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 bất khả thi của blockchain. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách cải thiện lưu lượng và tốc độ giao dịch của blockchain trong khi 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 phát triển blockchain.

Đặc điểm phi tập trung, an ninh và khả năng mở rộng của blockchain có thể được định nghĩa là:

• Phi tập trung: Bất kỳ ai cũng có thể trở thành nút tham gia vào hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều, độ sâu phi tập trung càng cao, đảm bảo mạng không bị kiểm soát bởi một số ít người tham gia tập trung.

• An toàn: Chi phí để giành quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao, độ an toàn càng cao, chuỗi có thể chống lại một tỷ lệ lớn các cuộc tấn công từ người tham gia.

• 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 gia tăng, mạng Bitcoin với giới hạn khối 1MB bắt đầu đối mặt với tình trạng tắc nghẽn. Từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có sự khác biệt về vấn đề mở rộng, một bên ủng hộ việc mở rộng khối, bên kia chủ trương sử dụng SegWit để tối ưu hóa cấu trúc chuỗi chính. Vào ngày 1 tháng 8 năm 2017, bên ủng hộ mở rộng đã tự phát triển chuỗi khối 8MB, dẫn đến lần phân tách cứng lớn đầu tiên của Bitcoin, sinh ra đồng tiền mới BCH.

Mạng Ethereum cũng chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo an ninh và phi tập trung, thông qua giới hạn phí nhiên liệu để hạn chế khối lượng giao dịch. Từ CryptoKitties năm 2017 đến sự trỗi dậy của DeFi, GameFi và NFT, nhu cầu về thông lượng trên thị trường ngày càng tăng, nhưng Ethereum chỉ có thể xử lý từ 15-45 giao dịch mỗi giây, dẫn đến chi phí giao dịch tăng, thời gian thanh toán kéo dài, khiến hầu hết các DApp khó có thể chịu đựng chi phí vận hành, toàn bộ mạng trở nên chậm chạp và đắt đỏ, cần gấp rút giải quyết vấn đề mở rộng. Giải pháp mở rộng lý tưởng là nâng cao tốc độ và thông lượng giao dịch càng nhiều càng tốt mà không hy sinh tính phi tập trung và an ninh.

2. Các loại kế hoạch mở rộng

Chúng ta có thể phân loại các phương án mở rộng thành hai loại lớn là mở rộng trên chuỗi và mở rộng ngoài chuỗi theo "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, dưới đây là hai giải pháp được liệt kê ngắn gọn:

• 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 đối với 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, mỗi phần 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 của các nút và ngưỡng tham gia, 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 làm giảm "an ninh" của toàn bộ mạng.

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 nào nhỏ nhất ở lớp dưới cũng có thể đe dọa nghiêm trọng đến an ninh toàn mạng, mạng có thể buộc phải phân tách hoặc ngừng để sửa chữa và nâng cấp.

2.2 off-chain mở rộng

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 rằng người dùng chỉ cần tương tác với mạng chính khi mở, đóng hoặc giải quyết tranh chấp, và thực hiện các tương tác giữa người dùng ngoài chuỗi để giảm thời gian và chi phí giao dịch, đạt được số lần giao dịch không bị giới hạn.

Kênh trạng thái là giao thức P2P đơn giản, phù hợp với "các ứng dụng dựa trên lượt", như cờ vua hai người. Mỗi kênh được quản lý bởi hợp đồng thông minh đa chữ ký trên mạng chính, kiểm soát tài sản kênh, xác minh cập nhật trạng thái và phân xử tranh chấp ( dựa trên bằng chứng gian lận có chữ ký và dấu thời gian ). Sau khi các bên tham gia triển khai hợp đồng, họ gửi tiền và khóa lại, sau khi cả hai bên ký xác nhận, kênh sẽ chính thức được mở. Kênh cho phép thực hiện giao dịch miễn phí không giới hạn số lần off-chain ( miễn là giá trị ròng không vượt quá tổng số tiền đã gửi ). Các bên tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái và chờ xác nhận chữ ký từ đối phương. Trong điều kiện bình thường, cập nhật trạng thái không được tải lên mạng chính, chỉ phụ thuộc vào xác nhận của mạng chính trong trường hợp có tranh chấp hoặc khi đóng kênh. Khi đóng kênh, một trong hai bên có thể gửi yêu cầu lên mạng chính, nếu được tất cả các bên ký phê duyệt thì sẽ được thực hiện ngay lập tức, nếu không sẽ phải chờ "thời gian thách thức" kết thúc.

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 whitepaper về mạng lưới chiếu sáng.

• 2015/11: Jeff Coleman lần đầu tiên hệ thống tóm tắt khái niệm State Channel, đề xuất kênh thanh toán Bitcoin là một trường hợp con của State Channel.

• 2016/01: Joseph Poon và Thaddeus Dryja chính thức công bố sách trắng về mạng lưới Lightning của Bitcoin, đề xuất giải pháp mở rộng Payment Channel.

• 2017/11: Quy chuẩn thiết kế State Channel dựa trên Payment Channel đầu tiên được Sprites đề xuất.

• 2018/06: Counterfactual đã đưa ra thiết kế Generalized State Channels chi tiết, thiết kế hoàn toàn liên quan đầu tiên.

• 2018/10: Đề xuất khái niệm Mạng Kênh Nhà nước và Kênh Ảo.

• 2019/02: Kênh trạng thái mở rộng đến N-Party Channels, Nitro là giao thức đầu tiên dựa trên ý tưởng này.

• 2019/10: Pisa mở rộng khái niệm Watchtowers, giải quyết vấn đề người tham gia cần luôn trực tuyến.

• 2020/03: Hydra đề xuất Kênh Isomorphic Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

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

Quy trình làm việc của kênh trạng thái:

1. Người dùng gửi tiền từ EOA vào hợp đồng trên chuỗi, khóa cho đến khi kênh đóng.
2. Người dùng có thể thực hiện giao dịch không giới hạn số lần ở off-chain, thông qua việc truyền thông tin bằng tin nhắn ký kết mã hóa.
3. Khi đóng kênh, gửi trạng thái cuối cùng tới hợp đồng, nếu đối phương ký tên phê duyệt thì thực hiện ngay lập tức, nếu không thì chờ thời gian thách thức.

Trong trường hợp bi quan, nếu một bên không phản hồi, bên kia có thể gửi trạng thái cuối cùng hợp lệ đến hợp đồng để khởi xướng thách thức, hợp đồng cho phép bên kia phản hồi trong một khoảng thời gian. Nếu không có phản hồi, hợp đồng tự động đóng kênh và hoàn trả tiền.

3.1.4 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

• Xác nhận ngay lập tức, giao dịch nhanh chóng
• Chi phí thấp
• Tính riêng tư
• Khả năng thông lượng cao

Nhược điểm:

• Cần giám sát trực tuyến liên tục
• Cần khóa vốn
• Không phù hợp với giao dịch tần suất thấp
• Dung lượng kênh có hạn
• Không hỗ trợ hợp đồng thông minh chung

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới Bitcoin Lightning:

• Là kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin
• Thông qua kênh thanh toán nhỏ off-chain và người trung gian hình thành mạng lưới giao dịch, giải quyết vấn đề mở rộng.
• Tuân theo quy trình "Gửi tiền → Giao dịch mạng chớp nhoáng → Hoàn tiền/Thanh toán"
• Về lý thuyết, mỗi giây có thể xử lý triệu giao dịch
• Cuối năm 2021, TVL khoảng 40 triệu USD, khoảng 100.000 người dùng
• Tháng 11 năm 2022 có 76.236 kênh thanh toán, 5049 BTC vốn ($81.8M)

Mạng điện báo Ethereum:

• Kênh thanh toán nhỏ dựa trên Ethereum, giống như mạng lưới tia chớp
• Mục đích là để đạt được thanh toán token ERC20 gần như ngay lập tức, chi phí thấp và khả năng mở rộng
• Thành lập năm 2017, huy động 30 triệu USD trong ICO vào tháng 10 năm 2017
• Tháng 5 năm 2020, Light Client đầu tiên ra mắt
• 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.
• Đội ngũ đang cải tạo để nó hoạt động trên mạng Layer2 Rollup của Ethereum

Mạng lưới Celer:

• Bản chất là tăng cường lớp khuyến khích của mạng lưới ánh sáng
• Xây dựng các DApps tương tác cao tần nhanh chóng, dễ sử dụng, chi phí thấp và an toàn thông qua công nghệ mở rộng off-chain và mô hình kinh tế khuyến khích.
• Thích hợp cho các ứng dụng tương tác tần suất cao như nền tảng thể thao điện tử
• Sử dụng OAT( Trình dịch địa chỉ off-chain ) để ánh xạ duy nhất địa chỉ off-chain đến hợp đồng thông minh trên chuỗi.
• Gồm ba lớp cChannel, cRoute và cOS
• Thành lập vào năm 2018, phát hành token $CELR vào tháng 3 năm 2019
• Hiện tại đã ra mắt giao thức DeFi Layer2.finance, giao thức thông tin cross-chain Celer IM và cầu nối cross-chain tài sản cBridge.

3.1.6 So sánh ứng dụng

Mạng lưới Lightning Bitcoin:

• Dùng cho thanh toán BTC
• Kênh thanh toán hai chiều
• Khối lượng giao dịch lớn
• Phát triển sinh thái khá tốt

Mạng lưới sét Ethereum:

• Dùng để thanh toán ETH và ERC20
• Kênh thanh toán hai chiều
• Khối lượng giao dịch nhỏ
• Phát triển sinh thái chậm

Celer Network:

• Hỗ trợ nhiều loại tài sản
• Kênh trạng thái tổng quát
• Khối lượng giao dịch trung bình
• Hệ sinh thái phát triển theo hướng đa chuỗi

3.2 Chuỗi phụ

3.2.1 Tóm tắt

Khái niệm chuỗi bên được đưa ra lần đầu tiên trong phòng trò chuyện của các nhà phát triển Bitcoin vào năm 2012, và bài viết liên quan đầu tiên được xuất bản vào năm 2014. 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. Khi kết quả giao dịch chuỗi bên được truyền về chuỗi chính, nó sẽ được ghi lại ở phía xác thực. Mô hình này gắn liền với chuỗi chính và hỗ trợ giải quyết các vấn đề cơ sở hạ tầng.

3.2.2 Thời gian

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

3.2.3 Nguyên lý kỹ thuật

Sidechain sử dụng hai phương thức giao tiếp với chuỗi chính: Định vị hai chiều ( Symmetric Pegged ) và Định vị không đồng bộ ( Asymmetric Pegged ).

Symmetric Pegged:

• Các xác thực viên của chuỗi phụ chính ghi lại trạng thái hiện tại của nhau theo thời gian ( thông tin tiêu đề khối )
• Sử dụng công nghệ SPV hai chiều để truyền thông tin
• Khi Token trên chuỗi chính được gửi đến chuỗi phụ, sẽ tạo ra Đầu ra SPV-Locked
• Người xác thực sidechain mở khóa bằng chứng SPV
• Sau khi chờ đợi thời gian xác nhận và thời gian thi đấu, có thể sử dụng tài sản mới được đúc trên chuỗi phụ.

Gắn kết không đối xứng:

• Các nhà xác thực chuỗi bên theo dõi hoạt động chuỗi chính theo thời gian thực
• Khi chuyển tiền từ chuỗi chính sang chuỗi phụ, chuỗi phụ sẽ chủ động ghi nhận (forward transaction)
• Cơ chế Certifiers được giới thiệu khi chuyển tiền từ sidechain sang mainchain.
• Certifiers ghi lại ID hợp đồng, ID người xác thực, danh sách chuyển nhượng và các thông tin khác
• Certifiers đảm bảo an toàn thông qua việc staking và ký kết

Hiện tại, hầu hết các sidechain sử dụng cơ chế PoA hoặc lớp trung gian Relayers để xác nhận trạng thái khối của chuỗi chính.

Tóm tắt cơ chế chuỗi bên:

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

An toàn tài sản chuỗi phụ phụ thuộc vào an toàn của chuỗi phụ, tức là cơ chế đồng thuận của chuỗi phụ.

![Báo cáo nghiên cứu độ sâu hàng triệu chữ: Phân tích toàn diện về mở rộng off-chain](