อธิบายปัญหาความสามารถในการขยายตัวของบล็อกเชน

ในการสร้างเทคโนโลยีบล็อกเชน นักพัฒนาได้อาศัยความเป็นส่วนตัวและการไม่เปิดเผยตัวตนของเงินดิจิทัล เป้าหมายนี้บรรลุได้ด้วยการนำหลักการของระบบ peer-to-peer มาใช้ — ผู้ใช้แต่ละคนมีสถานะเท่าเทียมกัน และไม่มีระบบการบริหารจัดการหรือหน่วยงานควบคุมเงินเหมือนธนาคาร

ปัจจุบันคริปโทเคอร์เรนซีในฐานะเทคโนโลยีต้องเผชิญกับภารกิจถัดไป — ทำให้การทำธุรกรรมมีความเร็วสูงเทียบเท่า Visa และ MasterCard ปัญหาด้านความสามารถในการขยายตัวยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญประการหนึ่งต่อการนำเทคโนโลยีบล็อกเชนไปใช้ในวงกว้าง ทีมงานโครงการบล็อกเชนจำนวนเพิ่มขึ้นกำลังค้นหาวิธีแก้ไขที่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเครือข่ายได้ หลายโครงการอ้างว่าได้แก้ปัญหานี้แล้วหรือเกือบจะแก้ได้แล้ว แต่ควรรับฟังคำกล่าวอ้างเช่นนั้นอย่างระมัดระวัง

วัตถุประสงค์หลัก

เมื่อสิบปีก่อน Bitcoin ยังไม่เป็นที่นิยมในหมู่ผู้ใช้ แต่ต่อมาเมื่อเวลาผ่านไป จำนวนผู้ใช้ในระบบที่เพิ่มขึ้นได้สร้างปัญหาเกี่ยวกับกำลังประมวลผลของเทคโนโลยี การใช้คริปโทเคอร์เรนซีจึงยากขึ้นจากคิวที่ยาวซึ่งเกิดจากข้อจำกัดของจำนวนการชำระเงินที่ประมวลผลได้ต่อวินาที ดังนั้นปัญหาด้านความสามารถในการขยายตัวจึงทวีความรุนแรงขึ้น

นักพัฒนาเริ่มมองหากลไกที่เหมาะสมเพื่อทำให้การทำงานมีเสถียรภาพอย่างจริงจัง นับแต่นั้นมา เหรียญต่าง ๆ ก็ได้รับการอัปเดตหรือแยกออกเป็นสายใหม่อย่างสม่ำเสมอเมื่อไม่สามารถหาข้อตกลงร่วมกันได้ อย่างไรก็ตาม เรามาไล่ดูประเด็นต่าง ๆ ทีละเรื่องกัน

ปัญหาความสามารถในการขยายตัว: แก่นของภารกิจ

ธุรกรรม Bitcoin ทั้งหมดจะถูกบันทึกในบล็อกที่รับข้อมูลธุรกรรมไว้ บล็อกหนึ่งรองรับข้อมูลได้ 1 MB และความเร็วในการประมวลผลเฉลี่ยอยู่ที่สี่การชำระเงินต่อวินาที อีกด้านหนึ่ง กำลังประมวลผลของนักขุดเป็นตัวรับผิดชอบต่อการเคลื่อนย้ายเงินทุนและความเสถียรของการทำงาน สิ่งนี้จำเป็นต่อการคำนวณอัลกอริทึมในการสร้างเหรียญและบันทึกธุรกรรมที่เข้ารหัส นักขุด สกุลเงินดิจิทัล จะได้รับค่าคอมมิชชั่นจากแต่ละธุรกรรม

เมื่อจำนวนธุรกรรมเพิ่มขึ้น ความเร็วของแต่ละธุรกรรมก็ลดลงด้วย ทำให้บล็อกเชนรองรับปริมาณงานจำนวนมากไม่ไหว ธุรกรรมโอนคริปโททั้งหมดจึงต้องเข้าแถวคอยเป็นลำดับยาว การจ่ายค่าธรรมเนียมสูงเท่านั้นที่จะทำให้ได้สิทธิ์ลำดับต้น ๆ ในคิว ปรากฏการณ์นี้ส่งผลต่อสภาพคล่องของเหรียญ (การพุ่งขึ้นของราคา) — ผู้ซื้อจึงใช้เงินสดหรือบัตรธนาคารได้ง่ายกว่า แม้จะต้องแลกกับความไม่เปิดเผยตัวตนและความเป็นส่วนตัวก็ตาม

ในกรณีเช่นนี้ ผู้ใช้จะสูญเสียความสนใจและความเชื่อมั่นในสกุลเงิน ตามมาด้วยนักขุด ส่งผลให้นักลงทุนมองเห็นความเสี่ยงของการลงทุนและเทขายสินทรัพย์ลงจากจุดสูงสุดของมูลค่าและความนิยม ขณะที่เทรดเดอร์ก็เล่นกับการเคลื่อนไหวของราคา

ปัญหาความสามารถในการขยายตัวแสดงออกอย่างไร

เมื่อ Bitcoin ได้รับความนิยม ปัญหาความสามารถในการขยายตัวของคริปโทเคอร์เรนซีก็ปรากฏชัดขึ้นเนื่องจากเครือข่ายแออัด ดังนั้นการใช้งานเหรียญจึงยากขึ้น — ในเดือนพฤษภาคม 2017 คิวธุรกรรมยาวนานถึงห้าวัน จึงเกิดคำถามเรื่องสมดุลระหว่างความเร็วและความปลอดภัยของธุรกรรม

คุณสามารถวิเคราะห์ปัญหานี้ผ่านตัวอย่างเชิงปฏิบัติได้ สมมุติว่าต้องขนส่งสินค้าน้ำหนัก 500 ตันด้วยขบวนรถที่บรรทุกได้คันละหนึ่งตัน โดยต้องมีการตรวจสอบความปลอดภัยล่วงหน้าและการบรรทุกที่ใช้เวลา 2 ชั่วโมงต่อหน่วย อย่างไรก็ตาม ต้นทุนค่าขนส่งมีผลต่ออันดับการจัดส่งของสินค้าในลำดับจากมากไปน้อย ผลลัพธ์คือผู้รับที่จ่ายค่าจัดส่งต่ำที่สุดต้องใช้เวลาอย่างน้อยสองสัปดาห์กว่าจะได้รับสินค้าสุดท้าย เช่นเดียวกับ Bitcoin — ไม่สามารถทำการชำระเงินได้รวดเร็วเท่ากับการใช้บัตรธนาคาร

จากข้อความข้างต้น คุณสามารถนิยามปัญหาความสามารถในการขยายตัวได้ว่าเป็นการจำกัดจำนวนธุรกรรมที่ประมวลผลได้ในช่วงเวลาหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการเลือกจ่ายค่าธรรมเนียมเพิ่มอาจทำให้ธุรกรรมมีลำดับความสำคัญสูงขึ้นในคิวของบล็อกเชน แต่ก็ไม่ได้แก้ปัญหาที่ต้นเหตุ

สิ่งแรกที่หลายคนคิดคือการเพิ่มขนาดบล็อกและจำนวนการชำระเงินที่ประมวลผลได้โดยไม่ต้องมีมาตรการเพิ่มเติม น่าเสียดายที่แนวทางนี้จะลดความปลอดภัยลง เนื่องจากการประมวลผลข้อมูลแบบจำกัดช่วยหลีกเลี่ยงความเสี่ยงสูงจากการโจมตีแบบ DDoS (การทำให้เครือข่ายแออัดโดยเจตนาเพื่อวัตถุประสงค์ฉ้อโกง) ขนาดดังกล่าวมีไว้เพื่อการตรวจสอบข้อมูลอย่างรอบคอบ อย่างไรก็ดี ยังจำเป็นต้องวิเคราะห์แนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้สำหรับสถานการณ์นี้อย่างละเอียด

จะแก้ปัญหาความสามารถในการขยายตัวอย่างไร

นักพัฒนา นักกิจกรรม และนักวิทยาศาสตร์เริ่มค้นหาวิธีแก้ปัญหาความสามารถในการขยายตัวของ Bitcoin ช่วงที่เป็นจุดสูงสุดและเป็นภาพชัดเจนที่สุดคือสถานการณ์ในปี 2017 ที่มีคิวยาว นั่นเป็นช่วงที่ประเด็นนี้ถูกพูดถึงอย่างกว้างขวางใน คอมมูนิตี้ คริปโต มีการชูแนวคิด 3 แบบเพื่อแก้ข้อบกพร่องของบล็อกเชนนี้:

• เพิ่มขนาดบล็อก ส่งผลให้ค่าธรรมเนียมการชำระเงินลดลงและเพิ่มอัตราการประมวลผลธุรกรรมต่อวินาที (TPS) ข้อเสียมีสองประการ — แนวทางนี้นำไปสู่การรวมศูนย์ของเหรียญและความเสี่ยงที่การโจมตีแบบ DDoS จะสำเร็จ;
• การประมวลผลข้อมูลแบบแบ่งส่วนหรือ sharding ข้อมูลบางส่วนจะแสดงอยู่นอกเซลล์ ด้วยวิธีนี้บล็อกเชนจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนขึ้นไปซึ่งรับผิดชอบกลุ่มธุรกรรมที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตามยังมีความเสี่ยงจากการโจมตีของแฮ็กเกอร์ เนื่องจากต้องใช้กำลังขุดน้อยลงในการประมวลผล shard เพราะถูกแยกออกเป็นหลายส่วน การตรวจสอบความปลอดภัยจึงต้องใช้อัลกอริทึมแบบเบา ดังนั้นมิจฉาชีพสามารถเพิ่มธุรกรรมปลอมเข้าไปในเครือข่ายได้ ตัวอย่างคือการโจมตีแบบ 51 ％ attack;
• กลุ่มโซลูชัน L2 สำหรับปัญหาความสามารถในการขยายตัว แนวทางนี้เป็นเฟรมเวิร์กหรือโปรแกรมที่ทำงานอยู่บนบล็อกเชน เพื่อช่วยลดภาระของเครือข่ายเดิม แนวคิดประเภทนี้ต่างจากแบบ on-chain (การตัดสินใจภายในระบบของเหรียญ) ตรงที่มีตัวกลางเข้ามาเกี่ยวข้อง

วิธีแรกต้องแบ่งเครือข่ายออกและสร้างเหรียญใหม่ขึ้นมา จึงทำให้สูญเสียการรองรับความเข้ากันได้ย้อนหลังกับระบบเดิม กล่าวคือ ในกรณีเช่นนี้ สกุลเงินจะไม่เป็นเนื้อเดียวกันอีกต่อไป ในสภาพแวดล้อมของคริปโตกราฟี ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า hardfork Bitcoin Cash เดินตามแนวทางนี้ ผลจากการแยกตัว ในเดือนสิงหาคม 2017 ได้เกิดการแยกออกจากคริปโทเคอร์เรนซีแรกพร้อมกับการเพิ่มขนาดบล็อกเป็น 8 MB

โซลูชันที่สองเกี่ยวข้องกับการสร้าง subnet ย่อยแยกจากบล็อก โดยย้ายข้อมูลบางส่วนออกไปนอกขอบเขตของมัน ในกรณีนี้จะเกิด softfork — การเปลี่ยนแปลงโปรโตคอลซอฟต์แวร์โดยไม่แบ่งเหรียญ คล้ายกับการปล่อยแพตช์สำหรับเกมคอมพิวเตอร์ที่มีส่วนเสริม ตัวอย่างคือการอัปเดต Segregated Witness ขนาดบล็อกเพิ่มเป็น 2 MB โดยมีข้อมูลบางส่วนถูกเก็บไว้นอกเชนธุรกรรมหลัก

อย่างไรก็ตาม โซลูชันนี้ก็มีข้อเสีย — shard แต่ละส่วนจะตกอยู่ในอันตรายจากการโจมตีทางไซเบอร์ และแต่ละส่วนจะใช้กำลังประมวลผลน้อยกว่าต่อหนึ่งหน่วย

โซลูชันชั้นที่สอง

สถาปัตยกรรมของบล็อกเชนยุคแรก โดยเฉพาะ Bitcoin และ Ethereum ไม่ได้ถูกออกแบบมาสำหรับธุรกรรมและผู้ใช้จำนวนมาก จึงมีแบนด์วิดท์ต่ำ ตัวอย่างเช่น Bitcoin มีความเร็ว 5-7 ธุรกรรมต่อวินาที (TPS) ส่วน Ethereum อยู่ที่ประมาณ 15 TPS

ความสามารถในการขยายตัวสามารถเพิ่มได้โดยการเปลี่ยนโค้ดของโปรโตคอลบล็อกเชนด้วยฟังก์ชันอย่าง sharding แต่กระบวนการนี้ใช้เวลามากและอาจกินเวลาหลายปี นอกจากนี้ การปรับปรุงลักษณะนี้ยังเปลี่ยนรากฐานของสถาปัตยกรรม ดังนั้นชุมชนของโครงการจึงไม่เสมอไปที่จะเห็นด้วยกับการดำเนินการดังกล่าว

โซลูชัน L2 ช่วยแก้ปัญหาแบนด์วิดท์ต่ำและค่าธรรมเนียมโอนสูงได้อย่างน้อยก็ในบางส่วน โดยไม่กระทบต่อโค้ดของบล็อกเชนหลัก จุดเด่นหลักคือความสามารถในการโอนสินทรัพย์ระหว่างที่อยู่ของ "ชั้นแรก" ขณะใช้ "ชั้นสอง" ซึ่งอาจเป็นโปรโตคอลแบบ off-chain แยกต่างหากหรือบล็อกเชนแยกต่างหาก

มี Layer 2 อะไรบ้างสำหรับ Bitcoin?

โครงการ L2 หลักสำหรับคริปโทเคอร์เรนซีแรกคือ Lightning Network (LN) มันทำงานบนโปรโตคอลที่ใช้ smart contracts และที่เรียกว่า status channels Lightning Network เปิดตัวตั้งแต่ปี 2015 และนับแต่นั้นมาก็ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ภายในสิ้นเดือนพฤษภาคม 2022 ความจุรวมของช่อง LN แตะที่ 3,900 BTC

ฟังก์ชันหลักของ LN คือเปิดโอกาสให้ผู้ถือ bitcoin แลกเปลี่ยนกันโดยตรงโดยไม่ต้องบันทึกข้อมูลลงในรีจิสทรีของมัน เพื่อทำเช่นนั้น ต้องเปิดช่องทางพิเศษด้วยธุรกรรม on-chain เพียงครั้งเดียวและใส่ bitcoins เข้าไป

หลังจากเปิดใช้งานแล้ว ช่องทางการชำระเงินจะช่วยให้สามารถโอนแบบ off-chain ได้ กล่าวคือ นอกเครือข่ายหลัก ด้วยความเร็วที่สูงกว่าและค่าธรรมเนียมที่ต่ำกว่า มากกว่าธุรกรรม on-chain ธุรกรรมในช่อง Lightning Network จะมองเห็นได้เฉพาะผู้ใช้ของช่องนั้นเท่านั้น โดยจะบันทึกเฉพาะสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของธุรกรรมไว้ในบล็อกเชนหลัก

แนวทางนี้ช่วยลดภาระของเครือข่าย bitcoin หลักได้อย่างมาก: Lightning Network สามารถประมวลผลการทำงานได้หลายพันรายการต่อวินาที พร้อมรับประกันระดับความปลอดภัยของระบบที่สูง

มี Layer 2 อะไรบ้างสำหรับ Ethereum?

แม้จะมีความเร็วต่ำ แต่ ecosystem ของ Ethereum ก็เป็นระบบที่มีความต้องการสูงที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันแบบกระจายศูนย์ โครงการยอดนิยมจำนวนมากในด้าน การเงินแบบกระจายศูนย์ (DeFi) และ โทเค็น ที่ไม่สามารถทดแทนกันได้ (NFT) ทำงานบนเครือข่ายนี้ ดังนั้นปัญหาความสามารถในการขยายตัวจึงเป็นเรื่องเร่งด่วนเป็นพิเศษสำหรับ Ethereum

ขณะนี้กำลังมีการพัฒนาโซลูชัน L2 หลักหลายรายการควบคู่กันไป:

• Polygon (MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

เทคโนโลยีหลักที่ใช้ทำงานคือ Rollups ซึ่งมี 2 รูปแบบหลัก:

• Optimistic Rollups. ด้วยโซลูชันนี้ ธุรกรรมจะถูกทำในเครือข่าย L2 แล้วรวมเป็นกลุ่มใหญ่ให้เป็นบล็อกขนาดกะทัดรัด ซึ่งผู้ตรวจสอบจะนำไปบรรจุในเครือข่าย Ethereum หลัก Optimistic Rollups ถูกใช้ใน Arbitrum และ Optimism
• ZK-Rollups. ธุรกรรมในเครือข่ายระดับสองก็จะถูกรวมเป็นแพ็กเก็ตและส่งไปยังเครือข่าย Ethereum เช่นกัน แต่การยืนยันจะเกิดขึ้นด้วยตัวตรวจสอบพิเศษ ซึ่งเป็นหลักฐานเชิงคริปโตกราฟีของความถูกต้องของการทำงาน Polygon ถูกพัฒนาบนพื้นฐานของ ZK-Rollups เทคโนโลยีนี้สำหรับการขยาย Ethereum ยังได้รับการพิจารณาโดยผู้ร่วมก่อตั้งหลักของแพลตฟอร์มอย่าง Vitalik Buterin

ไม่ว่าโซลูชัน L2 จะเป็นแบบใด Ethereum ในฐานะ "ชั้นแรก" จะรับหน้าที่ตรวจสอบธุรกรรมและสร้างบล็อก รวมถึงรีจิสทรีที่บันทึกสถานะสุดท้าย และกลไกฉันทามติ ดังนั้นโครงการจึงไม่จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานของตนเอง

ยังมีโครงการ Layer 2 อื่น ๆ อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในเดือนกรกฎาคม 2022 สตาร์ตอัป Matter Labs ประกาศเปิดตัว zkSync 2.0 หนึ่งเดือนต่อมา โครงการ StarkWare ก็ได้เปิดตัวโปรโตคอลของตนเองที่เขียนด้วยภาษา Cairo

สรุปกันหน่อย

สังเกตได้ไม่ยากว่าในโปรโตคอล Bitcoin ทรัพยากรเครือข่ายถูกใช้อย่างไม่มีประสิทธิภาพ โหนดแต่ละตัวประมวลผลและส่งข้อมูลเกี่ยวกับบล็อกใหม่เพียงช่วงเวลาสั้นมาก แบนด์วิดท์ของเครือข่ายถูกใช้อย่างเต็มที่เพียงไม่กี่วินาที ที่เหลือของเวลานั้น โหนดนี้จะส่งธุรกรรมที่ยังไม่ได้ยืนยันและข้อมูลสนับสนุน การสังเกตนี้เป็นแรงบันดาลใจให้นักวิจัยค้นหารูปแบบโปรโตคอลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งสามารถเพิ่ม throughput ของระบบได้อย่างมีนัยสำคัญโดยไม่กระทบต่อความปลอดภัยของเครือข่ายและการกระจายศูนย์

ปัจจุบันคอมมูนิตี้คริปโตยังไม่พบคำตอบเดียวที่ทุกฝ่ายยอมรับได้ ข้อถกเถียงยังคงเกิดขึ้น มีการสร้างเหรียญใหม่ และมีการออกอัปเดตโปรโตคอล โซลูชันที่มีประสิทธิภาพได้ถูกพัฒนาแล้ว แต่ก็ยังมีความเสี่ยงจากปัจจัยมนุษย์อยู่ดี ประเด็นนี้จะถูกปิดลงด้วยการพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ในฐานะตัวกลางของธุรกรรม