《off-chain mở rộng Độ sâu解析》

Tác giả: Nhóm nghiên cứu

1. Sự cần thiết của việc mở rộng

Tương lai của blockchain là một tầm nhìn vĩ đại: phi tập trung, an toàn và khả năng mở rộng; nhưng thường thì blockchain chỉ có thể thực hiện hai trong ba điều này, việc thỏa mãn cả ba yêu cầu này được gọi là vấn đề tam giác không thể của blockchain. Trong nhiều năm qua, mọi người đã khám phá cách giải quyết vấn đề này, làm thế nào để cải thiện khả năng thông 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, là một trong những chủ đề nóng được thảo luận trong quá trình phát triển blockchain hiện nay.

Hãy để chúng ta định nghĩa tổng quát về độ sâu, tính bảo mật 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 minh hệ thống blockchain, số lượng nút càng nhiều thì mức độ phi tập trung càng cao, từ đó đảm bảo mạng không bị kiểm soát bởi một nhóm nhỏ các bên tham gia tập trung lớn.
• An ninh: Chi phí để có được quyền kiểm soát hệ thống blockchain càng cao thì an ninh càng cao, do đó chuỗi có thể chống lại một tỷ lệ lớn các cuộc tấn công từ những người tham gia.
• Khả năng mở rộng: khả năng của blockchain để xử lý một lượng lớn giao dịch.

Hard fork lớn đầu tiên của mạng Bitcoin xuất phát 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 đối mặt với vấn đề tắc nghẽn; bắt đầu từ năm 2015, cộng đồng Bitcoin đã có sự bất đồng về vấn đề mở rộng, một bên là phái mở rộng khối với đại diện là Bitcoin ABC, bên còn lại là phái khối nhỏ 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 đã phát triển một hệ thống khách hàng lên đến 8MB và bắt đầu hoạt động, dẫn đến sự xuất hiện của hard fork lớn đầu tiên trong lịch sử Bitcoin, đồng thời cũng từ đó đã ra đời đồng tiền mới BCH.

Tương tự, mạng Ethereum cũng lựa chọn hy sinh một phần khả năng mở rộng để đảm bảo tính an toàn và phi tập trung của mạng; mặc dù mạng Ethereum không giới hạn khối lượng giao dịch bằng cách hạn chế kích thước khối như mạng Bitcoin, mà thay vào đó chuyển sang việc đặt giới hạn cho phí nhiên liệu có thể chứa trong một khối duy nhất, nhưng mục đích đều nhằm đạt được Trustless Consensus và đảm bảo sự phân phối rộng rãi của các nút. ( Dù có hủy bỏ hay nâng cao hạn mức 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 nổi lên của các ứng dụng on-chain như GameFi và NFT, nhu cầu về độ sâu của thị trường ngày càng tăng, nhưng ngay cả Ethereum hoàn chỉnh cũng chỉ có thể xử lý 15~45 giao dịch mỗi giây (TPS), điều này dẫn đến việc chi phí giao dịch ngày càng tăng, thời gian thanh toán kéo dài, phần lớn Dapps khó có thể chịu đựng được chi phí hoạt động, toàn bộ mạng lưới đối với người dùng cũng trở nên chậm chạp và đắt đỏ, vấn đề mở rộng blockchain cần phải được giải quyết gấp. Giải pháp mở rộng lý tưởng là: không hy sinh tính phi tập trung và an toàn, nhưng vẫn có thể cải thiện tốc độ giao dịch của mạng lưới blockchain (thời gian hoàn tất ngắn hơn) và thông lượng 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: mở rộng trên chuỗi và mở rộng off-chain dựa trên tiêu chí "liệu 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 không trình bày chi tiết, 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 làm tăng yêu cầu về thiết bị nút hiệu suất cao, nâng cao ngưỡng tham gia của các nút, giảm "mức độ phi tập trung".
• Giải pháp thứ hai là phân mảnh, chia sổ cái blockchain thành nhiều phần, không còn là mỗi nút tham gia vào tất cả các ghi chép, mà là các phân mảnh khác nhau tức là các nút khác nhau chịu trách nhiệm cho các 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, 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 "độ 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 tầng nền cũng sẽ đe dọa nghiêm trọng đến tính an toàn của toàn bộ mạng, khiến mạng có thể buộc phải tiến hành phân tách hoặc ngừng sửa chữa nâng cấp. Ví dụ, sự cố lạm phát của Zcash vào năm 2018: Mã của Zcash dựa trên mã phiên bản Bitcoin 0.11.2 đã được sửa đổi, vào năm 2018 một kỹ sư phát hiện ra rằng mã nền tảng có lỗ hổng cao, tức là token có thể được phát hành không giới hạn, ngay lập tức đội ngũ đã mất 8 tháng để sửa chữa bí mật, sự cố này chỉ được công khai 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 1 hiện có.

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 để các tương tác giữa người dùng với người dùng diễn ra 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 với "các ứng dụng dựa trên lượt", chẳng hạn như trò chơi cờ vua hai người. Mỗi kênh được quản lý bởi hợp đồng thông minh đa 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 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 sẽ gửi một khoản tiền và khóa lại, sau khi cả hai bên ký xác nhận, kênh sẽ chính thức mở. Kênh cho phép các giao dịch miễn phí không giới hạn giữa các bên tham gia off-chain ( miễn là giá trị ròng chuyển nhượng của họ không vượt quá tổng số token đã gửi vào ). Các bên tham gia lần lượt gửi cập nhật trạng thái cho nhau và chờ xác nhận ký từ bên kia. Khi bên kia ký xác nhận, cập nhật trạng thái này được coi là hoàn tất. Thông thường, các cập nhật trạng thái được đồng ý giữa hai bên sẽ không được tải lên mạng chính, chỉ khi có 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 đề xuất yêu cầu giao dịch trên mạng chính, nếu yêu cầu rút tiền được tất cả mọi người ký phê duyệt, thì sẽ được thực hiện ngay lập tức trên chuỗi, tức là hợp đồng thông minh sẽ phân phối số tiền còn lại đã bị khóa dựa trên số dư của mỗi bên tham gia trong trạng thái cuối cùng của kênh; nếu các bên tham gia khác không phê duyệt ký, thì tất cả mọi người cần chờ đợi "thời gian thách thức" kết thúc mới có thể nhận 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 đã phát hành bản dự thảo whitepaper về mạng lưới ánh sáng.
• Tháng 11 năm 2015, Jeff Coleman đã tóm tắt một cách hệ thống khái niệm State Channel lần đầu tiên, 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 cho mạng lưới Bitcoin Payment Channel( kênh thanh toán), giải pháp này chỉ được sử dụng để xử lý các khoản thanh toán chuyển khoản trên mạng lưới Bitcoin.
• 2017/11, quy chuẩn thiết kế về State Channel đầu tiên dựa trên khung Payment Channel, Sprites đã được đưa ra.
• 2018/06, Counterfactual đã đưa ra một thiết kế Kênh Trạng Thái Tổng Quát rất chi tiết, đây là thiết kế hoàn toàn liên quan đến kênh trạng thái đầu tiên.
• 2018/10, bài viết Generalised State Channel Networks đã đưa ra khái niệm về State Channel Networks và Virtual Channels.
• 2019/02, khái niệm kênh trạng thái được mở rộng thành N-Party Channels, 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 phải trực tuyến liên tục.
• 2020/03, Hydra đã đề xuất Kênh Isomorphic Nhanh.

3.1.3 Nguyên lý kỹ thuật

Hình 1 mô tả quy trình làm việc truyền thống trên chuỗi: Alice và Bob tương tác với hợp đồng thông minh được triển khai trên mạng chính, người dùng thay đổi trạng thái của hợp đồng thông minh bằng cách gửi giao dịch lên chuỗi. Nhược điểm là sẽ gây ra vấn đề về thời gian và chi phí như đã thảo luận ở trên.

Hình 2 trình bày quy trình làm việc chung mà hầu hết các giao thức kênh trạng thái tuân theo: Trong trường hợp lạc quan, Alice và Bob cần thực hiện các thao tác giống như trước, nhưng lần này họ sử dụng kênh trạng thái, thay vì tương tác với hợp đồng trên chuỗi.

• Bước đầu tiên, Alice và Bob tương tác bằng cách gửi tiền từ EOA cá nhân của họ vào địa chỉ hợp đồng trên chuỗi ( 1,2), số tiền này được khóa trong hợp đồng cho đến khi kênh đóng, thì số dư mới được trả lại cho người dùng; sau khi hai bên ký xác nhận, kênh trạng thái giữa hai người chính thức được mở.
• Bước thứ hai, Alice và Bob có thể thực hiện các giao dịch không giới hạn số lần trên chuỗi off-chain thông qua kênh này ( đường chấm xanh ), các bên tham gia giao tiếp với nhau thông qua các tin nhắn ký hiệu mã hóa ( thay vì giao tiếp với mạng blockchain ). Cả hai người dùng đều cần ký từng giao dịch để ngăn chặn gian lận double spend. Thông qua những tin nhắn này, họ đưa ra các cập nhật trạng thái tài khoản của mình và chấp nhận các cập nhật trạng thái mà đối phương đưa ra.
• Bước ba, nếu Alice muốn đóng kênh kết thúc giao dịch với Bob, Alice cần gửi trạng thái cuối cùng của tài khoản mình ( tương tác 3) đến hợp đồng, nếu Bob ký tên phê duyệt, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền đã khóa dựa trên trạng thái cuối cùng trả lại cho người dùng tương ứng ( tương tác 4,5). Nếu Bob không phản hồi ký tên, hợp đồng sẽ giải phóng số tiền đã khóa trả lại cho người dùng tương ứng sau khi thời gian thách thức kết thúc.

Hình 3 cho thấy quy trình làm việc của kênh trạng thái trong trường hợp bi quan: ban đầu, hai người tham gia gửi tiền ( tương tác 1, 2), sau đó bắt đầu trao đổi cập nhật trạng thái ( đường chấm chấm màu xanh ). Giả sử vào một thời điểm nào đó, Bob không phản hồi chữ ký cập nhật trạng thái mà Alice gửi đến trong lượt của mình ( tương tác 3), lúc này, Alice có thể khởi xướng thách thức bằng cách gửi trạng thái hợp lệ cuối cùng của mình đến hợp đồng ( tương tác 4), trạng thái hợp lệ này cũng bao gồm chữ ký của Bob trước đó, từ đó chứng minh rằng giao dịch cuối cùng đã nhận được sự chấp thuận của Bob, trạng thái cuối cùng đã nhận được sự xác nhận của Bob. Sau đó, hợp đồng cho phép Bob phản hồi trong một khoảng thời gian bằng cách gửi trạng thái tiếp theo đến hợp đồng; nếu Bob phản hồi, hai người có thể tiếp tục giao dịch trong kênh trạng thái; nếu Bob không phản hồi trong khoảng thời gian đó, hợp đồng sẽ tự động đóng kênh trạng thái và trả lại tiền cho Alice ( tương tác 5).

3.1.4 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

• Tính tức thời của giao dịch mạnh, phù hợp với thanh toán nhỏ tần suất cao
• Phí giao dịch thấp
• Tính riêng tư cao, giao dịch off-chain sẽ không công khai
• Khả năng mở rộng mạnh, lý thuyết là vô hạn TPS

Nhược điểm:

• Cần khóa vốn
• Cần xác nhận trên chuỗi khi kênh đóng.
• Người tham gia cần giữ trực tuyến
• Không phù hợp cho giao dịch số lượng lớn hoặc tần suất thấp
• Có rủi ro bị mất cắp tài chính

3.1.5 Ứng dụng

Mạng lưới ánh sáng Bitcoin

Tổng quan:

Mạng lưới ánh sáng là kênh thanh toán nhỏ trên mạng Bitcoin, quá trình phát triển công nghệ tổng thể của nó trải qua: kênh thanh toán một chiều được xây dựng bằng ký quỹ 2/2, sau khi tăng cường RSMC(Hợp đồng Chiếu khóa Có thể thu hồi theo chuỗi thời gian) có thể xây dựng kênh thanh toán hai chiều, sau đó tăng cường.